Alimentele care intră în corpul uman suferă transformări chimice complexe, adică. suferă parțial oxidare sau descompunere anaerobă. Defalcarea anaerobă eliberează energia chimică necesară mișcării, precum și sintezei substanțelor necesare organismului.

Metabolismul organismelor vii constă din două procese interconectate:

• anabolism
• catabolism

Anabolism sau asimilare– sinteza din compuși mai simpli, mai complecși pe baza celor din care intră în organism mediu extern substante.

De exemplu, materia organică din plantele verzi se formează prin fotosinteză din dioxid de carbon și apă.

Catabolism sau disimilare– un proces opus anabolismului. În timpul catabolismului, compușii complecși sunt descompuși în alții mai simpli, care sunt apoi eliberați ca produse finali în mediu.

În catabolism, principala sursă de carbohidrați sunt carbohidrații care sunt descompusi de enzimele hidrolitice. Dacă la plante, în timpul germinării semințelor, amidonul este hidrolizat de enzima amilaza, formând maltoza dizaharidă, atunci la animale, sub influența amilazei salivare și pancreatice, formează maltoza. În continuare, maltoza, sub acțiunea enzimei maltaze, este transformată în glucoză, care, ca urmare a fermentației, glicolizei și respirației, este în cele din urmă descompusă în dioxid de carbon și apă. Energia eliberată în timpul acestor procese se acumulează în organism. S-a stabilit că arderea unui gram de carbohidrați eliberează 4,1 kcal (17,22 kJ).

Catabolismul grăsimilor și proteinelor începe și cu descompunerea lor hidrolitică sub influența unor enzime specifice, cu formarea în primul caz de liber. acizi grașiși glicerol, în al doilea – peptide și aminoacizi cu greutate moleculară mică.

Metabolismul sau metabolismul poate fi împărțit în trei etape:

• Prima este digestia, care constă în prelucrarea mecanică și chimică a alimentelor în organele digestive și absorbția nutrienților.
• A doua etapă este metabolismul intermediar, care include procesele de descompunere și sinteza substanțelor. Acest proces este însoțit de formarea de produse metabolice intermediare și finale. De exemplu, glucoza suferă o serie de transformări intermediare înainte de a fi convertită în produșii finali ai schimbului de CO2 și H2O.
• A treia etapă este eliberarea produselor metabolice din organism cu aerul expirat, urină etc. Substanțele care influențează cursul reacțiilor metabolice se numesc metaboliți. Acestea includ aminoacizi, acizi grași, zaharuri, baze azotate și alți compuși.

Metabolismul sau metabolismul este indisolubil legat de transformarea energiei. Un organism viu are nevoie în mod constant de energie din mediul extern. S-a constatat că în timpul fotosintezei, adică. conversia energiei lumina soarelui, acesta din urmă este stocat sub formă de energie chimică potențială în substanțe organice. Energia chimică potențială, care se formează ca urmare a defalcării carbohidraților, grăsimilor și a altor compuși cu molecule înalte, se acumulează sau se acumulează în compuși cu energie ridicată.

În procesele de schimb, energia este eliberată după cum urmează. În primul rând, substanțele cu moleculară înaltă se descompun hidrolitic în substanțe cu molecul scăzut; de exemplu, polizaharide - la monozaharide; proteine ​​– la aminoacizi; grăsimi – la acizi grași și glicerol. În același timp, energia eliberată în timpul descompunerii hidrolitice a acestor substanțe este foarte nesemnificativă. În continuare, o cantitate mare de energie este eliberată în procesul de glicoliză, oxidare a acizilor grași și a aminoacizilor. Dintre produșii de hidroliză, trei sunt de importanță energetică primară: acetil coenzima A, acidul B-cetoglutaric și acidul oxalacetic. Aceste substanțe sunt supuse oxidării prin ciclul acidului di-tricarboxilic (ciclul Krebs). Aproximativ 2/3 din energie este eliberată în ciclul Krebs.

ATP captează și stochează energia eliberată în timpul descompunerii greutății moleculare mari compuși organiciîn corp. În același timp, ATP este sintetizat în celulă și energia este acumulată în legăturile sale de fosfor. În timpul sintezei proteinelor, precum și în timpul funcționării organelor și mușchilor, defalcarea ATP are loc la locul legăturilor macroergice cu eliberarea de energie. Energia rezultată servește ca sursă pentru sinteză, precum și pentru procesele motorii.

Din cele de mai sus rezultă că ATP este legătura dintre cele două procese opuse, unde acumulează energie în timpul descompunerii substanțelor și o eliberează în timpul asimilării.

Rolul biologic al ATP în energia metabolică poate fi ilustrat folosind exemplul unei inimi care bate. Atunci când interacționează cu proteinele contractile musculare, ATP furnizează energia necesară pentru a contracta inima și a împinge sângele în sistemul circulator. În același timp, pentru buna funcționare a inimii, este necesară o completare constantă a cantității de ATP. Dacă inima nu primește cantitatea necesară material nutritiv și „combustibil” (carbohidrați și produsele lor de descompunere), precum și oxigenul necesar pentru formarea ATP, atunci în acest caz are loc o perturbare a inimii.

Cantitatea necesară de ATP pentru funcționarea diferitelor organe este produsă în organisme celulare– mitocondriile în procesul de fosforilare oxidativă.

Rolul principal al ATP în organism este asociat cu furnizarea de energie pentru numeroase reacții biochimice. Fiind purtător a două legături de înaltă energie, ATP servește ca sursă directă de energie pentru multe procese biochimice și fiziologice consumatoare de energie. Toate acestea sunt reacții de sinteza a unor substanțe complexe în organism: implementarea transferului activ de molecule prin membranele biologice, inclusiv crearea unui potențial electric transmembranar; implementarea contractiei musculare.

După cum se știe în bioenergia organismelor vii, două puncte principale sunt importante:

• a) energia chimică este stocată prin formarea de ATP cuplat cu reacții catabolice exergonice de oxidare a substraturilor organice;
• b) energia chimică este utilizată prin descompunerea ATP, cuplată cu reacții endergonice de anabolism și alte procese care necesită energie.

Se pune întrebarea de ce molecula de ATP își îndeplinește rolul central în bioenergetică. Pentru a o rezolva, luați în considerare structura ATP Structura ATP - (la pH 7,0 tetraîncărcare a anionului).

ATP este un compus instabil termodinamic. Instabilitatea ATP este determinată, în primul rând, de repulsia electrostatică în regiunea unui grup de sarcini negative cu același nume, ceea ce duce la tensiune în întreaga moleculă, dar cea mai puternică legătură este P-O-P și, în al doilea rând, de o rezonanță specifică. În conformitate cu ultimul factor, există o competiție între atomii de fosfor pentru electronii mobili neîmpărțiți ai atomului de oxigen situat între ei, deoarece fiecare atom de fosfor are o sarcină pozitivă parțială datorită influenței semnificative a acceptorului de electroni a P=O și P. - O- grupe. Astfel, posibilitatea existenței ATP este determinată de prezența unei cantități suficiente de energie chimică în moleculă pentru a compensa aceste tensiuni fizico-chimice. Molecula de ATP conține două legături fosfoanhidride (pirofosfat), a căror hidroliză este însoțită de o scădere semnificativă. energie liberă(la pH 7,0 si 37 o C).

ATP + H20 = ADP + H3PO4G0I = - 31,0 KJ/mol.

ADP + H20 = AMP + H3PO4G0I = - 31,9 KJ/mol.

Una dintre problemele centrale ale bioenergiei este biosinteza ATP, care în natura vie are loc prin fosforilarea ADP.

Fosforilarea ADP este un proces endergonic și necesită o sursă de energie. După cum sa menționat mai devreme, două astfel de surse de energie predomină în natură - acestea sunt energie solarăși energia chimică a compușilor organici redusi. Plante verzi iar unele microorganisme sunt capabile să transforme energia cuantelor de lumină absorbite în energie chimică, care este cheltuită pentru fosforilarea ADP în stadiul de lumină al fotosintezei. Acest proces de regenerare a ATP se numește fosforilare fotosintetică. Transformarea energiei de oxidare a compușilor organici în legături macroenergetice ale ATP în condiții aerobe are loc în primul rând prin fosforilarea oxidativă. Energia liberă necesară pentru formarea ATP este generată în lanțul oxidativ respirator al mitocondriilor.

Este cunoscut un alt tip de sinteză a ATP, numit fosforilarea substratului. Spre deosebire de fosforilarea oxidativă, asociată cu transferul de electroni, donorul grupării fosforil activate (- PO3 H2), necesar regenerării ATP, sunt intermediari ai proceselor de glicoliză și ciclului acidului tricarboxilic. În toate aceste cazuri, procesele oxidative duc la formarea de compuși cu energie înaltă: 1,3-difosfoglicerat (glicoliză), succinil-CoA (ciclul acidului tricarboxilic), care, cu participarea enzimelor adecvate, sunt capabili să folileze ADP și formând ATP. Transformarea energiei la nivel de substrat este singura modalitate de sinteză a ATP în organismele anaerobe. Acest proces de sinteză a ATP vă permite să mențineți o muncă intensă a mușchilor scheletici în perioadele de lipsă de oxigen. Trebuie amintit că este singura cale pentru sinteza ATP în globulele roșii mature care nu au mitocondrii.

Un rol deosebit de important în bioenergetica celulei îl joacă nucleotida adenil, la care sunt atașate două resturi de acid fosforic. Această substanță se numește acid adenozin trifosforic (ATP). Energia este stocată în legăturile chimice dintre reziduurile de acid fosforic ale moleculei de ATP, care este eliberată atunci când fosforitul organic este separat:

ATP= ADP+P+E,

unde F este o enzimă, E este energie de eliberare. În această reacție, se formează acidul adenozin fosforic (ADP) - restul moleculei de ATP și fosfat organic. Toate celulele folosesc energia ATP pentru procesele de biosinteză, mișcare, producere de căldură, impulsuri nervoase, luminiscență (de exemplu, bacterii luminiscente), adică pentru toate procesele vitale.

ATP este un acumulator de energie biologică universal. Energia luminoasă conținută în alimentele consumate este stocată în molecule de ATP.

Aportul de ATP în celulă este mic. Deci, rezerva de ATP în mușchi este suficientă pentru 20 - 30 de contracții. Cu o muncă intensă, dar de scurtă durată, mușchii lucrează exclusiv din cauza defalcării ATP-ului conținut în ei. După terminarea lucrului, o persoană respiră greu - în această perioadă, carbohidrații și alte substanțe sunt descompuse (se acumulează energie) și este restabilită furnizarea de ATP în celule.

Pe lângă energie, ATP îndeplinește o serie de alte funcții în organism, nu mai puțin funcții importante:

• · Împreună cu alți nucleozidici trifosfați, ATP este produsul de pornire în sinteza acizilor nucleici.
• · În plus, ATP joacă un rol important în reglarea multor procese biochimice. Fiind un efector alosteric al unui număr de enzime, ATP, unindu-și centrele lor de reglare, le sporește sau suprimă activitatea.
• · ATP este, de asemenea, un precursor direct al sintezei de adenozin monofosfat ciclic, un mesager secundar al transmiterii semnalului hormonal în celulă.

Este cunoscut și rolul ATP ca transmițător în sinapse.

câmpuri_text

câmpuri_text

săgeată_în sus

Extracția energiei din nutrienți - carbohidrați, proteine, grăsimi are loc în principal în interiorul celulei. În ea, toți carbohidrații sunt reprezentați de glucoză, proteine ​​- aminoacizi, grăsimi - acizi grași. În celulă, glucoza, sub influența enzimelor citoplasmatice, este transformată în acid piruvic (în timpul glicolizei anaerobe) (Fig. 1.6).

Orez. 1.6 Formarea de ATP în timpul oxidării complete a glucozei

În timpul acestor transformări, dintr-o moleculă de glucoză se formează 2 molecule de ATP (fără a număra 2 molecule de ATP care fosforilează substratul). Conversia piruvatului în 2 molecule de acetil coenzima A (AcCoA) promovează formarea a încă 6 molecule de ATP. Și în cele din urmă, AcCoA intră în mitocondrii și, oxidându-le la CO 2 și H 2 O, formează alte 24 de molecule de ATP. Dar nu numai acidul piruvic, ci și acizii grași și majoritatea aminoacizilor sunt transformați în AcCoA în citoplasmă și intră, de asemenea, în matricea mitocondrială. În ciclul Krebs, AcCoA este descompus în atomi de hidrogen și monoxid de carbon. Monoxidul de carbon difuzează din mitocondrii și din celulă. Atomii de hidrogen se combină cu nicotinamidă adenin dinucleotidă oxidată (NAD+), formând NAD redus (NADH) și cu nicotinamidă adenin dinucleotidă fosfat oxidat (NADP), formând NADPH redus și sunt apoi transferați de molecule purtătoare de hidrogen din NADH și NADPH către sistemul enzimatic a membranei mitocondriale interioare .

Ca rezultat, NADH și NADPH donează un proton și doi electroni lanțului de transport electric format de aceste enzime (Fig. 1.7).

Fig. 1.7 Relația dintre descompunerea nutrienților și sistemul de transport de electroni din celulă

În timpul transferului de electroni în lanțul de purtători, potențialele redox cresc - de la valori negative la potențialul de reducere a O2. Această diferență de potențial redox formează forța motrice care duce la sinteza ATP. Transferul descris de electroni și protoni din NADH și NADPH de-a lungul lanțului de transport de electroni se numește fosforilare oxidativă. Conform teoriei chimiosmotice, care explică mecanismul de generare a energiei în timpul fosforilării oxidative, în timpul transferului de electroni de-a lungul lanțului de transport de electroni, o pereche de electroni traversează membrana mitocondrială interioară de trei ori, transferând de fiecare dată doi protoni în exterior (Fig. 1.8). ).

Orez. 1.8 Mecanismul chimiosmotic al fosforilării oxidative în membrana internă a mitocondriilor.

Ca urmare, în afara membranei apare o concentrație mare de protoni și o concentrație scăzută în matricea mitocondrială și, ca urmare, o diferență de potențial electric între exterior (care are o sarcină pozitivă) și interior (acumulând o sarcină negativă). ) stratul membranei. Ambii acești factori (câmpul electric și diferența de concentrație) formează un gradient de protoni transmembranar electrochimic, datorită căruia protonii încep să revină înapoi prin membrană. Această mișcare inversă a protonilor are loc printr-o proteină membranară, de care se atașează ATP sintetaza, situată pe partea interioară (matricei) a membranei. Interacțiunea unei proteine ​​​​membranare cu ATP sintetaza o activează și este însoțită de sinteza ATP din adenozin difosforic (ADP) și acizi fosforici (Pn). Prin urmare, fluxul de protoni prin membrană activează reacția:

ADP + Fn -> ATP + H2O

Energia gradientului de protoni asigură, de asemenea, transportul ionilor de calciu și sodiu prin membrana mitocondrială, reducerea NADP+ din acestea cu ajutorul NADH și formarea căldurii. Moleculele de ATP formate în timpul glicolizei și fosforilării oxidative sunt folosite de celulă pentru a furniza energie pentru aproape toate reacțiile metabolice intracelulare.

Orez. 1.9 Diagrama moleculei de ATP. Săgețile indică Tpuphospham Conexiuni de înaltă energie.

Legăturile macroergice de fosfat ale moleculei de ATP sunt foarte instabile, iar grupările terminale de fosfat sunt ușor scindate din ATP, eliberând energie (7-10 kcal/mol ATP) (Fig. 1.9).

Energia este transferată prin transferul grupurilor de fosfat bogate în energie scindate către diferite substraturi, enzime, activându-le și este cheltuită pentru contracția musculară etc.

Sistem energetic fosfogen

câmpuri_text

câmpuri_text

săgeată_în sus

Energia legăturilor macroergice ale moleculei ATP este o formă universală de rezervă de energie liberă în organism. Cu toate acestea, cantitatea de ATP stocată în interiorul celulei este mică. Își asigură funcționarea doar pentru câteva secunde. Această împrejurare a dus la formarea unor mecanisme sensibile care reglează metabolismul energetic în celulele scheletice, cardiace și nervoase. Aceste țesuturi conțin compuși organici de fosfat care stochează energie sub formă de legături de fosfat și oferă o sursă a acestor grupări fosfat bogate în energie pentru sinteza ATP. Compușii fosfați organici se numesc fosfageni. Cel mai important dintre acestea la om este fosfatul de creatină (CP). Când este defalcat, se eliberează energie de până la 10 kcal/mol, care este folosită pentru resinteza ATP. O scădere a conținutului de ATP în aceste țesuturi duce la descompunerea CP, iar o creștere a concentrației de ATP duce la resinteza acestuia. Astfel, în mușchiul scheletic concentrația de CP este de 3-5 ori mai mare decât ATP. Hidroliza CP (la creatină și fosfat) sub influența enzimei creatin kinaza asigură resinteza ATP, care este sursa de energie pentru contracția musculară:

Creatina eliberată este din nou folosită de celulă pentru a acumula energie în fosfatul de creatină. Acest efect menține concentrația de ATP din celulă la un nivel relativ constant. Prin urmare, fosfocreatina celulelor musculare scheletice și ATP-ul său constituie așa-numitul sistem fosfogenic energetic. Energia sistemului fosfogenic este folosită pentru a furniza o activitate musculară „smucită”, care durează până la 10-15 secunde, adică. putere musculară maximă suficientă pentru a alerga pe o distanță de 100 de metri.

Sistem de alimentare cu energie „glicogen-acid lactic”

câmpuri_text

câmpuri_text

săgeată_în sus

Munca musculara care dureaza mai mult de 10-15 secunde maxim nivel înaltîn următoarele 30-40 de secunde i se asigură energia glicolizei anaerobe, adică. transformarea unei molecule de glucoză dintr-un depozit de carbohidrați degradabil - glicogen hepatic și muscular - în acid lactic. În timpul glicolizei anaerobe, moleculele de ATP se formează de aproape 2,5 ori mai repede decât în ​​timpul oxidării aerobe în mitocondrii. Astfel, sistemul fosfogen și descompunerea anaerobă a glicogenului în acid lactic (sistemul glicogen - acid lactic) oferă unei persoane posibilitatea de a efectua o muncă de smucitură musculară de un volum semnificativ (în sport - sprint, ridicare de greutăți, scufundări etc.) Mai lung munca musculară umană necesită o fosforilare oxidativă crescută în mitocondrii, care, așa cum se arată mai sus, asigură partea principală a resintezei ATP.

Cuprins al subiectului "Metabolism și energie. Nutriție. Metabolism de bază.":
1. Metabolism și energie. Nutriţie. Anabolism. Catabolism.
2. Proteinele și rolul lor în organism. Coeficientul de uzură Rubner. Bilanț pozitiv de azot. Bilanț negativ de azot.
3. Lipidele și rolul lor în organism. Grasimi. Lipidele celulare. Fosfolipide. Colesterolul.
4. Grăsime brună. Țesut adipos brun. Lipidele din plasmă sanguină. Lipoproteinele. LDL. HDL. VLDL.
5. Carbohidrații și rolul lor în organism. Glucoză. Glicogen.


8. Rolul metabolismului în satisfacerea nevoilor energetice ale organismului. Coeficientul de fosforilare. Echivalentul caloric al oxigenului.
9. Metode de evaluare a consumului energetic al organismului. Calorimetrie directă. Calorimetrie indirectă.
10. Metabolismul de bază. Ecuații pentru calcularea ratei metabolice bazale. Legea suprafeței corpului.

Rolul metabolismului în satisfacerea nevoilor energetice ale organismului. Coeficientul de fosforilare. Echivalentul caloric al oxigenului.

Cantitatea de energie, intrând în organism cu alimente, trebuie să asigure menținerea unui echilibru energetic echilibrat pe fondul greutății corporale constante, al activității fizice și al ratelor corespunzătoare de creștere și reînnoire a structurilor corpului. Corpul uman primește energie sub formă de energie chimică potențială a nutrienților. Această energie se acumulează în legăturile chimice ale moleculelor de grăsimi, proteine ​​și carbohidrați, care, prin procesul de catabolism, sunt transformate în produse metabolice finale cu un conținut energetic mai scăzut. Energia eliberată în timpul procesului de oxidare biologică este utilizată în primul rând pentru sinteza ATP, care, ca sursă universală de energie, este necesară în organism pentru lucrul mecanic, sinteza chimică și reînnoirea structurilor biologice, transportul de substanțe, osmotice și lucrari electrice. O diagramă a proceselor de conversie a energiei într-o celulă este prezentată în Fig. 12.1.

Numărul de moli de ATP sintetizat pe mol de substrat oxidat depinde de tipul acestuia (proteine, grăsimi, carbohidrați) și de mărime coeficientul de fosforilare. Acest coeficient, notat P/O, este egal cu numărul de molecule de ATP sintetizate pe un atom de oxigen consumat în timpul oxidării compușilor organici redusi în timpul respirației. Când fiecare pereche de electroni este transferată de-a lungul lanțului respirator de la NAD H la 02, valoarea P/O = 2. Pentru substraturile oxidate de enzimele dependente de NAD H2, P/O = 1,3. Aceste rapoarte P/O reflectă costurile energetice ale celulei pentru sinteza ATP în mitocondrii și transportul macroerg împotriva gradientului chimic de la mitocondrii la locurile de consum.

Orez. 12.1. Schimbul de energie în celulă.În procesul de oxidare biologică a aminoacizilor, monozaharidelor și acizilor grași, energia chimică eliberată este utilizată pentru sinteza unui compus de înaltă energie (ATP). Când ATP este defalcat, energia sa este folosită pentru a efectua toate tipurile de lucru celular (chimic, electric, osmotic și mecanic)

Deci o parte acumulate în legăturile chimice ale moleculelor de grăsimi, proteine ​​și carbohidrați energia în procesul de oxidare biologică este utilizată pentru sinteza ATP, cealaltă parte a acestei energie este transformată în căldură. Această căldură, eliberată imediat în procesul de oxidare biologică a nutrienților, se numește primară. Ce parte din energie va fi folosită pentru sinteza ATP și va fi din nou acumulată în legăturile sale macroergice chimice depinde de valoarea P/O și de eficiența cuplării proceselor de respirație în mitocondrii și fosforilarea. Decuplarea respirației și fosforilarea sub influența hormonilor tiroidieni, a acizilor grași nesaturați, a lipoproteinelor cu densitate mică și a dinitrofenolului duce la scăderea coeficientului P/O, la conversia unei părți mai mari a energiei legăturilor chimice ale substanță oxidată în căldură primară decât în ​​condițiile de cuplare normală a respirației și fosforilării. În același timp, eficiența sintezei ATP scade, numărul de molecule de ATP sintetizate scade.

Cu oxidare completă 1 g de amestec alimentar de carbohidrați eliberează 4 kcal de căldură. În timpul procesului de oxidare din organism, 1 g de carbohidrați sintetizează 0,13 mol de ATP. Dacă presupunem că energia legăturii pirofosfat în ATP este de 7 kcal/mol, atunci în timpul oxidării a 1 g de carbohidrați, doar 0,91 (0,13 x 7) kcal de energie vor fi stocate în organism în ATP sintetizat. Cele 3,09 kcal rămase vor fi disipate sub formă de căldură (căldură primară). De aici putem calcula eficiența sintezei ATP și acumularea de energie a legăturilor chimice de glucoză în ea:

eficienţă = (0,91: 4,0) x 100 = 22,7%.

Din calculul de mai sus este clar că doar 22,7% din energia legăturilor chimice ale glucozei în procesul oxidării sale biologice este folosită pentru sinteza ATP și este din nou stocată sub forma unei legături chimice de înaltă energie, 77,3. % din energia legăturilor chimice ale glucozei este transformată în căldură primară și disipată în țesuturi.

Energia stocată în ATP este folosit ulterior pentru a efectua procese chimice, de transport, electrice în organism, pentru a produce lucrări mecanice și, în cele din urmă, se transformă și în căldură, numită căldură secundară.

Numele de căldură primară și secundară reflectă ideea unei conversii complete în două etape a întregii energie a legăturilor chimice ale nutrienților în căldură (prima etapă este formarea căldurii primare în procesul de oxidare biologică, a doua etapă este formarea căldurii secundare în procesul de cheltuire a energiei macroerg pentru producție diverse tipuri lucru). Astfel, dacă măsurați întreaga cantitate de căldură generată în organism într-o oră sau zi, atunci această căldură va deveni o măsură a energiei totale a legăturilor chimice ale nutrienților care au suferit oxidare biologică în timpul măsurării. După cantitatea de căldură generată în organism, se poate aprecia cantitatea de energie cheltuită pentru efectuarea proceselor vitale.

Sursa principala de energie pentru implementarea proceselor vitale în organism este oxidarea biologică a nutrienților. Această oxidare consumă oxigen. În consecință, măsurând cantitatea de oxigen consumată de organism pe minut, oră, zi, se poate judeca cantitatea de energie consumată de organism în timpul de măsurare.

Între cantitatea consumată pe unitatea de timp oxigenul din organism și cantitatea de căldură generată în acesta în același timp există o legătură, exprimată prin echivalent caloric al oxigenului(KE02). KE02 se referă la cantitatea de căldură generată în organism atunci când acesta consumă 1 litru de oxigen.

Continuare. Vezi nr. 11, 12, 13, 14, 15, 16/2005

Lecții de biologie la orele de științe

Planificare avansata, nota 10

Lecția 19. Structura chimică și rolul biologic al ATP

Echipament: tabele de biologie generală, diagrama structurii moleculei de ATP, diagrama relației dintre plastic și metabolismul energetic.

I. Testul de cunoștințe

Efectuarea unui dictat biologic „Compuși organici ai materiei vii”

Profesorul citește rezumatele sub numere, elevii notează în caiete numerele acelor rezumate care se potrivesc cu conținutul versiunii lor.

Opțiunea 1 – proteine.
Opțiunea 2 – carbohidrați.
Opțiunea 3 – lipide.
Opțiunea 4 – acizi nucleici.

1. B formă pură constau numai din atomi de C, H, O.

2. Pe lângă atomii C, H, O, ei conțin atomi de N și de obicei S.

3. Pe lângă atomii de C, H, O, ei conțin atomi de N și P.

4. Au o greutate moleculară relativ mică.

5. Greutatea moleculară poate fi de la mii la câteva zeci și sute de mii de daltoni.

6. Cei mai mari compuși organici cu o greutate moleculară de până la câteva zeci și sute de milioane de daltoni.

7. Au greutăți moleculare diferite – de la foarte mici la foarte mari, în funcție de faptul că substanța este un monomer sau un polimer.

8. Consta din monozaharide.

9. Constă din aminoacizi.

10. Constă din nucleotide.

11. Sunt esteri ai acizilor grași superiori.

12. Unitate structurală de bază: „bază azotată–pentoză–rezidu de acid fosforic”.

13. Unitate structurală de bază: „aminoacizi”.

14. Unitate structurală de bază: „monozaharidă”.

15. Unitate structurală de bază: „glicerol-acid gras”.

16. Moleculele de polimer sunt construite din monomeri identici.

17. Moleculele de polimer sunt construite din monomeri similari, dar nu chiar identici.

18. Nu sunt polimeri.

19. Îndeplinesc aproape exclusiv funcții energetice, de construcție și stocare, iar în unele cazuri – de protecție.

20. Pe lângă energie și construcție, îndeplinesc funcții catalitice, de semnalizare, de transport, de propulsie și de protecție;

21. Ele stochează și transmit proprietățile ereditare ale celulei și organismului.

Opțiunea 1 – 2; 5; 9; 13; 17; 20.
Opțiunea 2 – 1; 7; 8; 14; 16; 19.
Opțiunea 3 – 1; 4; 11; 15; 18; 19.
Opțiunea 4– 3; 6; 10; 12; 17; 21.

II. Învățarea de materiale noi

1. Structura acidului adenozin trifosforic

Pe lângă proteine, acizi nucleici, grăsimi și carbohidrați, materia vie se sintetizează număr mare alți compuși organici. Printre acestea, un rol important este jucat în bioenergetica celulei. acid adenozin trifosforic (ATP). ATP se găsește în toate celulele vegetale și animale. În celule, acidul adenozin trifosforic este cel mai adesea prezent sub formă de săruri numite adenozin trifosfați.

Cantitatea de ATP fluctuează și este în medie de 0,04% (în medie există aproximativ 1 miliard de molecule de ATP într-o celulă). Cea mai mare cantitate de ATP este conținută în mușchii scheletici (0,2-0,5%).

Molecula de ATP constă dintr-o bază azotată - adenină, o pentoză - riboză și trei resturi de acid fosforic, adică. ATP este o adenil nucleotidă specială. Spre deosebire de alte nucleotide, ATP conține nu unul, ci trei reziduuri de acid fosforic. ATP se referă la substanțe macroergice - substanțe care conțin o cantitate mare de energie în legăturile lor.

Modelul spațial (A) și formula structurală (B) a moleculei de ATP

Reziduul de acid fosforic este scindat din ATP sub acțiunea enzimelor ATPază. ATP are o tendință puternică de a-și desprinde gruparea terminală de fosfat:

ATP 4– + H 2 O ––> ADP 3– + 30,5 kJ + Fn,

Pentru a sublinia „costul” energetic ridicat al legăturii fosfor-oxigen în ATP, este de obicei notat cu semnul ~ și numit legătură macroenergetică. Când o moleculă de acid fosforic este îndepărtată, ATP este transformat în ADP (acid adenozin difosforic), iar dacă două molecule de acid fosforic sunt îndepărtate, ATP este transformat în AMP (acid adenozin monofosforic). Scindarea celui de-al treilea fosfat este însoțită de eliberarea a doar 13,8 kJ, astfel încât în ​​molecula de ATP există doar două legături reale de înaltă energie.

2. Formarea ATP în celulă

Aportul de ATP în celulă este mic. De exemplu, rezervele de ATP dintr-un mușchi sunt suficiente pentru 20-30 de contracții. Dar un mușchi poate lucra ore întregi și poate produce mii de contracții. Prin urmare, împreună cu descompunerea ATP în ADP, sinteza inversă trebuie să aibă loc în mod continuu în celulă. Există mai multe căi pentru sinteza ATP în celule. Să-i cunoaștem.

1. Fosforilarea anaerobă. Fosforilarea este procesul de sinteză a ATP din ADP și fosfat cu greutate moleculară mică (Pn). În acest caz, vorbim despre procese fără oxigen de oxidare a substanțelor organice (de exemplu, glicoliza este procesul de oxidare fără oxigen a glucozei în acid piruvic). Aproximativ 40% din energia eliberată în timpul acestor procese (aproximativ 200 kJ/mol glucoză) este cheltuită pentru sinteza ATP, iar restul este disipată sub formă de căldură:

C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Pn ––> 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP + 4H.

2. Fosforilarea oxidativă este procesul de sinteză a ATP folosind energia de oxidare a substanțelor organice cu oxigen. Acest proces a fost descoperit la începutul anilor 1930. secolul XX

V.A. Engelhardt. Procesele de oxidare cu oxigen a substanțelor organice au loc în mitocondrii. Aproximativ 55% din energia eliberată în acest caz (aproximativ 2600 kJ/mol glucoză) este transformată în energia legăturilor chimice ale ATP, iar 45% este disipată sub formă de căldură.

3. Fosforilarea oxidativă este mult mai eficientă decât sinteza anaerobă: dacă în timpul procesului de glicoliză, numai 2 molecule de ATP sunt sintetizate în timpul descompunerii unei molecule de glucoză, atunci se formează 36 de molecule de ATP în timpul fosforilării oxidative. Fotofosforilarea

– procesul de sinteză a ATP folosind energia luminii solare.

ATP se află în centrul proceselor metabolice din celulă, fiind o legătură între reacțiile de sinteză biologică și dezintegrare. Rolul ATP într-o celulă poate fi comparat cu rolul unei baterii, deoarece în timpul hidrolizei ATP este eliberată energia necesară pentru diferite procese vitale („descărcare”), iar în procesul de fosforilare („încărcare”) ATP. acumulează din nou energie.

Datorita energiei eliberate in timpul hidrolizei ATP, au loc aproape toate procesele vitale din celula si organism: transmiterea impulsurilor nervoase, biosinteza substantelor, contractiile musculare, transportul substantelor etc.

III. Consolidarea cunoștințelor

Rezolvarea problemelor biologice

Sarcina 1. Când alergăm repede, respirăm repede și apare transpirația crescută.

Explicați aceste fenomene.

Problema 2. De ce oamenii înghețați încep să ștampileze și să sară în frig? Sarcina 3. În celebra lucrare a lui I. Ilf și E. Petrov „Cele douăsprezece scaune”, printre multe sfaturi utile

puteți găsi și asta: „Respiră adânc, ești entuziasmat”.

Încercați să justificați acest sfat din punctul de vedere al proceselor energetice care au loc în organism.

IV. Teme pentru acasă

Echipament:Începeți să vă pregătiți pentru test și test (dictați întrebările testului - vezi lecția 21).

Lecția 20. Generalizarea cunoștințelor în secțiunea „Organizarea chimică a vieții”

tabele de biologie generală.

I. Generalizarea cunoștințelor secțiunii

Elevii lucrează cu întrebări (individual), urmate de verificare și discuție 1. Dați exemple de compuși organici, care includ carbon, sulf, fosfor, azot, fier, mangan. 2. Cum se poate distinge după compoziția ionică

celula vie

din morți?

3. Ce substanțe se găsesc în celulă sub formă nedizolvată? Ce organe și țesuturi conțin?

4. Dați exemple de macroelemente incluse în situsurile active ale enzimelor.

5. Ce hormoni conțin microelemente?

6. Care este rolul halogenilor în corpul uman?

7. Prin ce diferă proteinele de polimerii artificiali?

8. Cum diferă peptidele de proteine?

9. Care este numele proteinei care formează hemoglobina? Din câte subunități este compusă?

10. Ce este ribonucleaza? Câți aminoacizi conține? Când a fost sintetizat artificial?

11. De ce este scăzută viteza reacțiilor chimice fără enzime?

14. În ce substanțe se descompun proteinele în organism? Câtă energie se eliberează?

Unde și cum este neutralizat amoniacul?

15. Dați un exemplu de hormoni peptidici: cum sunt ei implicați în reglarea metabolismului celular?

16. Care este structura zahărului cu care bem ceaiul? Ce alte trei sinonime pentru această substanță cunoașteți?

17. De ce grăsimea din lapte nu este colectată la suprafață, ci mai degrabă sub formă de suspensie?

18. Care este masa ADN-ului din nucleul celulelor somatice și germinale?

19. Cât de mult ATP folosește o persoană pe zi?

20. Ce proteine ​​folosesc oamenii pentru a face haine?

Structura primară a ribonucleazei pancreatice (124 de aminoacizi)

II. Teme pentru acasă.

Continuați pregătirea pentru test și testare în secțiunea „Organizarea chimică a vieții”.

Lecția 21. Lecția de testare la secțiunea „Organizarea chimică a vieții”

I. Efectuarea unui test oral pe întrebări

1. Compoziția elementară a celulei.

2. Caracteristicile elementelor organogenice.

3. Structura moleculei de apă. Legăturile de hidrogen și semnificația ei în „chimia” vieții.

4. Proprietăţile şi funcţiile biologice ale apei.

5. Substanțe hidrofile și hidrofobe.

6. Cationii și semnificația lor biologică.

7. Anionii și semnificația lor biologică.

8. Polimeri. Polimeri biologici.

Diferențele dintre polimerii periodici și neperiodici.

9. Proprietăţile lipidelor, funcţiile lor biologice.

10. Grupuri de carbohidrați, care se disting prin caracteristici structurale.

11. Funcţiile biologice ale carbohidraţilor.

12. Compoziția elementară a proteinelor.

Aminoacizi. Formarea peptidelor.

13. Structuri primare, secundare, terțiare și cuaternare ale proteinelor.

14. Funcția biologică a proteinelor.

15. Diferențele dintre enzime și catalizatorii nebiologici.

16. Structura enzimelor. Coenzime.

17. Mecanismul de acţiune al enzimelor.

18. Acizi nucleici. Nucleotidele și structura lor. Formarea polinucleotidelor.

19. Regulile lui E. Chargaff. Principiul complementarității.

20. Formarea unei molecule de ADN dublu catenar și spiralizarea acesteia.

21. Clase de ARN celular și funcțiile lor.

22. Diferențele dintre ADN și ARN.

23. Replicarea ADN-ului. Transcriere.

24. Structura și rolul biologic al ATP.

25. Formarea de ATP în celulă.

II. Teme pentru acasă

Opțiunea 1

1. Există trei tipuri de aminoacizi - A, B, C. Câte variante de lanțuri polipeptidice formate din cinci aminoacizi se pot construi.

Vă rugăm să indicați aceste opțiuni. Vor avea aceste polipeptide aceleași proprietăți? De ce?

2. Toate ființele vii constau în principal din compuși de carbon, iar analogul carbonului, siliciul, al cărui conținut în scoarța terestră este de 300 de ori mai mare decât carbonul, se găsește doar în foarte puține organisme. Explicați acest fapt în ceea ce privește structura și proprietățile atomilor acestor elemente.

3. Moleculele de ATP marcate cu 32P radioactiv la ultimul, al treilea rest de acid fosforic au fost introduse într-o celulă, iar moleculele de ATP marcate cu 32P la primul rest cel mai apropiat de riboză au fost introduse în cealaltă celulă. După 5 minute, conținutul de ion fosfat anorganic marcat cu 32P a fost măsurat în ambele celule. Unde va fi semnificativ mai mare?

Opțiunea 2

4. Cercetarile au aratat ca 34% din numarul total de nucleotide ale acestui ARNm este guanina, 18% este uracil, 28% este citozina si 20% este adenina. Determinați compoziția procentuală a bazelor azotate ale ADN-ului dublu catenar, din care ARNm indicat este o copie. 1. Grăsimile constituie „prima rezervă” în metabolismul energetic

si se folosesc atunci cand rezerva de carbohidrati este epuizata. Cu toate acestea, în mușchii scheletici, în prezența glucozei și a acizilor grași, aceștia din urmă sunt utilizați într-o măsură mai mare. Proteinele sunt întotdeauna folosite ca sursă de energie doar ca ultimă soluție, atunci când organismul moare de foame. Explicați aceste fapte.

2. Ionii metalelor grele (mercur, plumb etc.) și arsenul se leagă cu ușurință de grupele sulfurice ale proteinelor. Cunoscând proprietățile sulfurilor acestor metale, explicați ce se va întâmpla cu proteina atunci când este combinată cu aceste metale. De ce metalele grele sunt otravuri pentru organism?

3. În reacția de oxidare a substanței A în substanța B, se eliberează 60 kJ de energie. Câte molecule de ATP pot fi sintetizate maxim în această reacție? Cum va fi folosită restul energiei?

4. Studiile au arătat că 27% din numărul total de nucleotide ale acestui ARNm este guanină, 15% este uracil, 18% este citozină și 40% este adenină.