Обеспечение клеток энергией. Источники энергии. Дыхание растений и обмен веществ Необходимая для жизнедеятельности организма энергия освобождается

Растения, как все живые организмы, постоянно дышат (аэробы). Для этого им необходим кислород. Он нужен и одноклеточным, и многоклеточным растениям. Кислород участвует в процессах жизнедеятельности клеток, тканей и органов растения.

Большинство растений получает кислород из воздуха через устьица и чечевички. Водные растения потребляют его из воды всей поверхно­стью тела. Некоторые растения, произрастающие на заболоченных ме­стах, имеют особые дыхательные корни, поглощающие кислород из воздуха.

Дыхание - сложный процесс, протекающий в клетках живого орга­низма, в ходе которого при распаде органических веществ высвобожда­ется энергия, необходимая для процессов жизнедеятельности организ­ма. Основным органическим веществом, участвующим в дыхательном процессе, являются углеводы, главным образом сахара (особенно глюко­за). Интенсивность дыхания у растений зависит от количества углево­дов, накопленных побегами на свету.

Весь процесс дыхания протекает в клетках растительного организма. Он сос­тоит из двух этапов, в ходе которых сложные органические вещества расщеп­ляются на более простые, неорганические - углекислый газ и воду. На пер­вом этапе при участии специальных белков, ускоряющих процесс (ферментов), про­исходит распад молекул глюкозы. В итоге из глюкозы образуются более простые органические соединения и выделяется немного энергии (2 АТФ). Этот этап дыхательного про­цесса происходит в цитоплазме.

На втором этапе простые органические вещества, образовавшиеся на первом этапе, взаимодействуя с кислородом, окисляются - образуют углекислый газ и во­ду. При этом высвобождается много энергии (38 АТФ). Второй этап дыхательного процесса протекает только с участием кислорода в специальных органоидах клетки - мито­хондриях.

Дыхание - это протекающий с участием кислорода процесс распада органических питательных веществ до неорганических (углекисло­го газа и воды), сопровождающийся выделением энергии, которая используется растением для процессов жизнедеятельности.

С 6 Н 12 О 6 + 6 О 2 = 6СО 2 + 6 Н 2 О + Энергия (38 АТФ)

Дыхание - процесс, противоположный фотосинтезу

Процесс дыхания связан с непрерывным потреблением кислорода днем и ночью. Особенно интенсивно идет процесс дыхания в молодых тканях и органах растения. Интенсивность дыхания обусловлена потреб­ностями роста и развития растений. Много кислорода требуется в зонах деления и роста клеток. Образование цветков и плодов, а также повреж­дение и особенно отрывание органов сопровождается усилением дыха­ния у растений. По окончании роста, с пожелтением листьев и, особенно в зимнее время интенсивность дыхания заметно снижается, но не пре­кращается.

Ды­хание, как и питание, - необходимое условие обмена веществ, а зна­чит, и жизни организма.

Ø С1. В небольших помещениях с обилием комнатных растений ночью концентрация кислорода уменьшается. Объясните почему. 1) ночью с прекращением фотосинтеза выделение кислорода прекращается; 2) в процессе дыхания растений (они дышат постоянно) уменьшается концентрация О 2 и повышается концентрация СО 2

Ø С1. Известно, что опытным путём на свету трудно обнаружить дыхание растений. Объясните, почему.

1) на свету в растении наряду с дыханием происходит фотосинтез, при котором углекислый газ используется; 2) в результате фотосинтеза кислорода образуется гораздо больше, чем используется при дыхании растений.

Ø С1. Почему растения не могут жить без дыхания? 1) в процессе дыхания растительные клетки поглощают кислород, который расщепляет сложные органические вещества (углеводы, жиры, белки) до менее сложных;2) при этом освобождается энергия, которая запасается в АТФ и используется на процессы жизнедеятельности: питание, рост, развитие, размножение и др.

Ø С4. Газовый состав атмосферы поддерживается на относительно постоянном уровне. Объясните, какую роль играют в этом организмы. 1) фотосинтез, дыхание, брожение регулируют концентрацию О2, СО2; 2) транспирация, потоотделение, дыхание регулируют концентрацию паров воды; 3) жизнедеятельность некоторых бактерий регулирует содержание азота в атмосфере.

Значение воды в жизнедеятельности растений

Вода необходима для жизни любого растения. Она составляет 70-95 % сырой массы тела растения. У растений все процессы жизнеде­ятельности протекают с использованием воды.

Обмен веществ в растительном организме происходит только при достаточном количестве воды. С водой в растение поступают минераль­ные соли из почвы. Она обеспечивает непрерывный ток питательных ве­ществ по проводящей системе. Без воды не могут прорастать семена, не будет в зеленых листьях фотосинтеза. Вода в виде растворов, наполняю­щих клетки и ткани растения, обеспечивает ему упругость, сохранение определенной формы.

• Поглощение воды из внешней среды - обязательное условие сущест­вования растительного организма.

Растение получает воду главным образом из почвы с помощью корневых волосков корня. Наземные части растения, в основном лис­тья, через устьица испаряют значительное количество воды. Эти поте­ри влаги регулярно восполняются, так как корни постоянно поглоща­ют воду.

Бывает, что в жаркие часы дня расход воды испарением превышает ее поступление. Тогда у растения листья увядают, особенно самые ниж­ние. За ночные часы, когда корни продолжают всасывать воду, а испаре­ние у растения снижено, содержание воды в клетках снова восстанавли­вается и клетки и органы растения вновь приобретают упругое состояние. При пересадке рассады удаляют нижние листья для уменьшения испарения воды.

Главным способом поступления воды в живые клетки является ее ос­мотическое поглощение. Осмос - это способность растворителя (воды) поступать в клеточные растворы. При этом поступление воды приводит к увеличению объема жидкости в клетке. Сила осмотического поглоще­ния, с которой вода входит в клетку, называется сосущей силой .

Поглощение воды из почвы и потеря ее при испарении создают постоянный водный об­мен у растения. Водный обмен осуществляется с током воды через все органы растения.

Он складывается из трех этапов:

· поглощения во­ды корнями,

· передвижения ее по сосудам древесины,

· испарения воды листьями.

Обычно при нормальном водном обмене, сколь­ко воды поступает в растение, столько ее и ис­паряется.

Водный ток в растении идет в восходящем направлении: снизу вверх. Он зависит от силы всасывания воды клетками корневых волос­ков внизу и от интенсивности испарения наверху.

Корневое давление является нижним дви­гателем водного тока

сосущая сила листьев - верхним.

Постоянный ток во­ды от корневой системы к надземным частям растения служит сред­ством транспортировки и накопления в органах тела минеральных ве­ществ и различных химических соединений, поступающих из корней. Он объединяет все органы растения в единое целое. Помимо этого, восходящий ток воды в растении необходим для нормального водо­снабжения всех клеток. Особенно он важен для осуществления процес­са фотосинтеза в листьях.

ü С1. Растения в течение жизни поглощают значительное количество воды. На какие два основных процесса

жизнедеятельности расходуется большая часть потребляемой воды? Ответ поясните. 1) испарение, обеспечи-вающее передвижение воды и растворённых в-в и защиту от перегрева; 2) фотосинтез, в процессе которого образуются орг в-ва и выделяется кислород

Достаток или дефицит влаги в клетках влияет на все жизнедеятель­ные процессы растения.

По отношению к воде растения делят на экологические группы

Ø Гидатофиты (от греч. гидатос - «вода», фитон - «растение») - водные тра­вы (элодея, лотос, кувшинки). Гидатофиты полностью погружены в воду. Стеб­ли почти не имеют механических тканей и поддерживаются водой. В тканях растений имеется много крупных межклетников, заполненных воздухом.

Ø Гидрофиты (от греч. гидрос - «водный») - растения, частично погруженные в воду (стрелолист, камыш, рогоз, тростник, аир). Обычно обитают по берегам водоемов на сырых лугах.

Ø Гигрофиты (от греч. гигра - «влага») - растения влажных мест с высокой влажностью воздуха (калужница, осоки). 1) растения влажных местообитаний; 2) крупные голые листья; 3) устьица не закрываются; 4) имеют специальные водные устьица - гидотоды; 5) сосудов мало.

Ø Мезофиты (от греч. мезос - «сред­ний») - растения, живущие в условиях умеренного увлажнения и хорошего ми­нерального питания (нивяник, ландыш, земляника, яблоня, ель, дуб). Растут в лесах, на лугах, в поле. Большин­ство сельскохозяйственных растений - мезофиты. Они лучше развиваются при дополнительном поливе. 1) растения достаточного увлажнения; 2) растут в основном на лугах и в лесах; 3) вегетационный период короткий, не более 6 недель; 4) засушливое время переживают в виде семян или луковиц, клубней, корневищ.

Ø Ксерофиты (от греч. ксерос - «су­хой») - растения сухих местообитаний, где воды в почве мало, а воздух сухой (алоэ, кактусы, саксаул). Среди ксерофитов различают сухие и сочные. Сочные ксерофиты с мясистыми листьями (алоэ, толстянки) или мясистыми стеблями (кактусы - опунция) называют суккулентами . Сухие ксерофиты - склерофиты (от греч. склерос - «жесткий») приспособлены к жесткой экономии воды, к уменьшению испарения (ковыль, саксаул, верблюжья колючка). 1) растения сухих местообитаний; 2) способны переносить недостаток влаги; 3) уменьшена поверхность листьев; 4) опушение листьев очень обильное; 5) обладают глубокими корневыми системами.

Видоизменения листьев возникли в процессе эволюции вследствие влияния окружающей среды, поэтому они иног­да не похожи на обыкновенный лист.

· Колючки у кактусов, барбариса и др. - приспособления к уменьше­нию площади испарения и своего рода защита от поедания животными.

· Усики у гороха, чины прикрепляют лазаю­щий стебель к опоре.

· Сочные чешуи луковиц , листья кочана капусты запаса­ют питательные вещества,

· Кроющие чешуи почек - видоизмененные листья, которые защищают зача­ток побега.

· У насекомоядных растений (росянка, пузырчатка и др.) листья - ловчие аппараты . Насекомоядные растения произрастают на почвах, бедных минеральными веществами, особенно с недоста-точным содержанием азота, фосфора, калия и серы. Из тел насе-комых эти растения получают неорганические в-ва.

Листопад - явление закономерное и физиологически необходимое. Благодаря листопаду растения предохраняют себя от гибели в течение неблагоприятного времени года - зимы - или засушливого периода в жарком климате.

ü Сбрасывая листья, которые имеют огромную испаряю­щую поверхность, растения как бы балансируют возмож­ный приход и необходимый расход воды за указанный пе­риод.

ü Сбрасывая листья, растения освобождаются от накопившихся в них различных продуктов отброса , полу­чающихся при обмене веществ.

ü Листопад предохраняет ветви от обламывания под давлением масс снега.

Но у не­которых цветковых растений листья сохраняются всю зиму. Это вечнозеленые кустарнички брусника, вереск, клюква. Мелкие плотные листья этих растений, слабо ис­паряющие воду, сохраняются под снегом. Зимуют с зеле­ными листьями и многие травы, например земляника, клевер, чистотел.

Называя некоторые растения вечнозелеными, надо по­мнить, что листья этих растений не вечны. Они живут не­сколько лет и постепенно опадают. Но на новых побегах этих растений вырастают новые листья.

Размножение растений. Размножение - процесс, приводящий к увеличению числа особей.

У цветковых растений различают

Ø вегетатив­ное размножение, при котором образование новых особей происходит из клеток вегетативных органов,

Ø семенное размножение, при котором формирование нового организ­ма происходит из зиготы, возникаю-щей при слиянии поло­вых клеток, чему предшествует ряд сложных процессов, осуществляющихся главным образом в цветках.

Размножение растений при помощи вегетативных орга­нов называется вегетативным.

Вегетативное размноже­ние , осуществляемое при вмешательстве человека, называ­ется искусственным. К искусственному вегетативному размножению цветковых прибе-гают в том случае,

§ если рас­тение не дает семян

§ ускорить цветение и плодоно-шение.

В естественных условиях и в культуре растения часто размно-жаются одними и теми же орга-нами. Очень часто происходит размножение при помощи черен-ков. Чере­нок - это отрезок любо-го вегетативного органа растений, способный к восстановлению недостающих органов. Отрез­ки побега с 1-3 листьями, в пазухах которых развиваются пазушные почки, называются стеблевыми черенками . В ес­тественных усло-виях такими черенками легко размножа­ются ивы, тополя, а в культуре - герань, смородина…

Размножение листьями проис-ходит реже, но встречает­ся у таких растений, как луговой сердечник. На влажной почве у основания отломившегося листа развивается прида­точная почка, из которой вырастает новое растение. Лис­тьями размножают узамбарскую фиалку, некоторые виды бегонии и другие растения.

На листьях бриофиллюма образуются почки-детки , которые, опадая на землю, укореняются и дают начало новым рас­тениям.

Многие виды луков, лилий, нарциссов, тюльпанов раз­множаются луковицами. У луковицы от донца берет начало мочковатая корневая система, а из некоторых почек развиваются молодые луковички, называемые детками. Из каждой луковички-детки со временем вырастает новое взрослое растение. Маленькие луковички могут образовы­ваться не только под землей, но и в пазухах листьев некото­рых лилейных. Опадая на землю, такие луковицы-детки также развиваются в новое растение.

Растения легко размножаются особыми ползучими по­бегами - усами (земляника, живучка ползучая).

Размножение делением:

§ кустов (сирень) когда растение достигает значительных размеров, его можно разделить на несколько частей;

§ корневищ (ирисы) каждый отрезок, взятый для размножения, должен иметь или пазушную, или верхушечную почку

§ клубней (картофель, топинамбур), когда их недостаточно для посадки на определенной пло­щади, особенно если это ценный сорт. Деление клубня проводится так, чтобы каждая часть имела глазок и чтобы запас питательных веществ был достаточным для воспроизведения нового растения;

§ корней (малина, хрен) которые в благоприятных условиях дают новые растения;

§ корневых шишек - клубнекорней, которые отличаются от настоящего корня тем, что они не имеют узлов и междоузлий. Почки распо­ложены только на корневой шейке или стеблевом конце, поэтому у георгинов, клубневой бегонии и проводится деление корневой шейки с клубневидными образования­ми корней.

Размножение отводками. При размножении отводка­ми не отделенный от материнского растения побег пригиба­ют к почве, надрезают кору под почкой и присыпают зем­лей. Когда в месте надреза появятся корни и разовьются надземные побеги, молодое растеньице отделяют от материнского и пересаживают. Отводками можно размножать смородину, крыжовник и др. растения.

Прививка. Особым способом вегетативного размноже­ния является прививка. Прививкой называют пересадку части живого растения, снабженной почкой, на другое рас­тение, с которым первое скрещивается. Растение, на кото­рое прививают, называется подвоем ; растение, которое прививают, - привоем.

У привитых растений привой не образует корней и питается за счет подвоя, подвой же получает от привоя органические вещества, синтезированные в его листьях. Прививки чаще всего применяются для размножения пло­довых деревьев, которые с трудом образуют придаточные корни и не могут разводиться другим способом. Прививка также может проводиться пересадкой кусочка стебля с одной поч­кой под кору привоя (окулировка ) и скрещиванием одина­ковых по толщине привоя и подвоя (копулировка ). При прививках надо учитывать возраст и положение черенка на материнском растении, а также особенности привоя. Таким образом, разные способы вегетативного размноже­ния показывают, что у многих растений может восстано­виться целый организм из части.

Взаимосвязь органов. Несмотря на то, что все органы растения имеют присущее только им строение и выполня­ют специфические функции, благодаря проводящей систе­ме они связаны воедино, и растение функционирует как сложный целостный организм. Нарушение целостности любого органа обязательно отражается на строении и раз­витии других органов, причем это влияние может быть как положительным, так и отрицательным. Например, удале­ние верхушки стебля и корня способствует интенсивному развитию надземной и подземной частей растения, а удале­ние листьев задерживает рост и развитие и может даже привести к его гибели. Нарушение строения любого органа влечет за собой и нарушение его функций, что отражается на функционировании всего растения.

Источник: Олимпийский центр спортивного питания

Энергия не может возникнуть ниоткуда или исчезнуть в никуда, она может только превращаться из одного вида в другой.

Вся энергия на Земле берется от Солнца. Растения способны превращать солнечную энергию в химическую (фотосинтез).

Люди не могут напрямую использовать энергию Солнца, однако мы можем получать энергию из растений. Мы едим либо сами растения, либо мясо животных, которые ели растения. Человек получает всю энергию из еды и питья.

Пищевые источники энергии

Всю необходимую для жизнедеятельности энергию человек получает вместе с пищей. Единицей измерения энергии является калория. Одна калория - это количество тепла, необходимое для нагрева 1 кг воды на 1°С. Большую часть энергии мы получаем из следующих питательных веществ:

Углеводы - 4ккал (17кДж) на 1г

Белки (протеин) - 4ккал (17кДж) на 1г

Жиры - 9ккал (37кДж) на 1г

Углеводы (сахара и крахмал) являются важнейшим источником энергии, больше всего их содержится в хлебе, рисе и макаронах. Хорошими источниками протеина служат мясо, рыба и яйца. Сливочное и растительное масло, а также маргарин почти полностью состоят из жирных кислот. Волокнистая пища, а также алкоголь также дают организму энергию, но уровень их потребления сильно отличается у разных людей.

Витамины и минералы сами по себе не дают организму энергию, однако, они принимают участие в важнейших процессах энергообмена в организме.

Энергетическая ценность различных пищевых продуктов сильно отличается. Здоровые люди достигают сбалансированности своей диеты потреблением самой разнообразной пищи. Очевидно, что, чем более активный образ жизни ведет человек, тем больше он нуждается в пище, или тем более энергоемкой она должна быть.

Самым важным источником энергии для человека являются углеводы. Сбалансированная диета обеспечивает организм разными видами углеводов, но большая часть энергии должна поступать из крахмала. В последние годы немало внимания уделялось изучению связи между компонентами питания людей и различными болезнями. Исследователи сходятся во мнении, что людям необходимо уменьшать потребление жирной пищи в пользу углеводов.

Каким образом мы получаем энергию из пищи?

После того, как пища проглатывается, она некоторое время находится в желудке. Там под воздействием пищеварительных соков начинается ее переваривание. Этот процесс продолжается в тонком кишечнике, в результате компоненты пищи распадаются на более мелкие единицы, и становится возможной их абсорбция через стенки кишечника в кровь. После этого организм может использовать питательные вещества на производство энергии, которая вырабатывается и хранится в виде аденозин трифосфат (АТФ).

Молекула АТФ из аденозина и трех фосфатных групп, соединенных в ряд. Запасы энергии «сосредоточены» в химических связях между фосфатными группами. Чтобы высвободить эту потенциальную энергию одна фосфатная группа должна отсоединиться, т.е. АТФ распадается до АДФ (аденозин дифосфат) с выделением энергии.

Аденозинтрифосфат (сокр. АТФ, англ. АТР) — нуклеотид, играет исключительно важную роль в обмене энергии и веществ в организмах; в первую очередь соединение известно как универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах. АТФ является основным переносчиком энергии в клетке.

В каждой клетке содержится очень ограниченное количество АТФ, которое обычно расходуется за считанные секунды. Для восстановления АДФ до АТФ требуется энергия, которая и получается в процессе окисления углеводов, протеина и жирных кислот в клетках.

Запасы энергии в организме.

После того, как питательные вещества абсорбируются в организме, некоторая их часть откладывается в запас как резервное топливо в виде гликогена или жира.

Гликоген также относится к классу углеводов. Запасы его в организме ограничены и хранятся в печени и мышечной ткани. Во время физических нагрузок гликоген распадается до глюкозы, и вместе с жиром и глюкозой, циркулирующей в крови, обеспечивает энергией работающие мышцы. Пропорции расходуемых питательных веществ зависят от типа и продолжительности физических упражнений.

Гликоген состоит из молекул глюкозы, соединенных в длинные цепочки. Если запасы гликогена в организме в норме, то избыточные углеводы, поступающие в организм, будут превращаться с жир.

Обычно протеин и аминокислоты не используются в организме как источники энергии. Однако при дефиците питательных веществ на фоне повышенных энергозатрат аминокислоты, содержащиеся в мышечной ткани, могут также расходоваться на энергию. Протеин, поступающий с пищей, может служить источником энергии и превращаться в жир в том случае, если потребности в нем, как в строительном материале, полностью удовлетворены.

Как расходуется энергия во время тренировки?

Начало тренировки

В самом начале тренировки, или когда энергозатраты резко возрастают (спринт), потребность в энергии больше, чем уровень, с которым происходит синтез АТФ с помощью окисления углеводов. Вначале углеводы «сжигаются» анаэробно (без участия кислорода), это процесс сопровождается выделением молочной кислоты (лактата). В результате освобождается некоторое количество АТФ - меньше, чем при аэробной реакции (с участием кислорода), но быстрее.

Другим «быстрым» источником энергии, идущим на синтез АТФ, является креатин фосфат. Небольшие количества этого вещества содержатся в мышечной ткани. При распаде креатин фосфата освобождается энергия, необходимая для восстановления АДФ до АТФ. Этот процесс протекает очень быстро, и запасов креатин фосфата в организме хватает лишь на 10-15 секунд «взрывной» работы, т.е. креатин фосфат является своеобразным буфером, покрывающим краткосрочный дефицит АТФ.

Начальный период тренировки

В это время в организме начинает работать аэробный метаболизм углеводов, прекращается использование креатин фосфата и образование лактата (молочной кислоты). Запасы жирных кислот мобилизуются и становятся доступными как источник энергии для работающих мышц, при этом повышается уровень восстановления АДФ до АТФ за счет окисления жиров.

Основной период тренировки

Между пятой и пятнадцатой минутой после начала тренировки в организме повышенная потребность в АТФ стабилизируется. В течение продолжительной, относительно ровной по интенсивности тренировки синтез АТФ поддерживается за счет окисления углеводов (гликогена и глюкозы) и жирных кислот. Запасы креатин фосфата в это время постепенно восстанавливаются.

Креатин является аминокислотой, которая синтезируется в печени из аргинина и глицина. Именно креатин позволяет спортсменам выдерживать высочайшие нагрузки с большей легкостью. Благодаря его действию в мышцах человека задерживается выделение молочной кислоты, которая и вызывает многочисленные мышечные боли. С другой стороны креатин позволяет производить сильные физические нагрузки благодаря высвобождению большого количества энергии в организме.

При возрастании нагрузки (например, при беге в гору) расход АТФ увеличивается, причем, если это возрастание значительное, организм вновь переходит на анаэробное окисление углеводов с образованием лактата и использование креатин фосфата. Если организм не успевает восстанавливать уровень АТФ, может быстро наступить состояние усталости.

Какие источники энергии используются в процессе тренировки?

Углеводы являются самым важным и самым дефицитным источником энергии для работающих мышц. Они необходимы при любом виде физической активности. В организме человека углеводы хранятся в небольших количествах в виде гликогена в печени и в мышцах. Во время тренировки гликоген расходуется, и вместе с жирными кислотами и глюкозой, циркулирующей в крови, используется как источник мышечной энергии. Соотношение различных используемых источников энергии зависит от типа и продолжительности упражнений.

Несмотря на то, что в жире больше энергии, его утилизация происходит медленнее, и синтез АТФ через окисление жирных кислот поддерживается использованием углеводов и креатин фосфата. Когда запасы углеводов истощаются, организм становится не в состоянии переносить высокие нагрузки. Таким образом, углеводы являются источником энергии, лимитирующим уровень нагрузки во время тренировки.

Факторы, ограничивающие энергозапасы организма во время тренировки

1. Источники энергии, используемые при различных типах физической активности

Слабая интенсивность (бег трусцой)

Требуемый уровень восстановления АТФ из АДФ относительно низок, и достигается окислением жиров, глюкозы и гликогена. Когда запасы гликогена исчерпаны, возрастает роль жиров как источника энергии. Поскольку жирные кислоты окисляются довольно медленно, чтобы восполнять расходуемую энергию, возможность долго продолжать подобную тренировку зависит от количества гликогена в организме.

Средняя интенсивность (быстрый бег)

Когда физическая активность достигает максимального для продолжения процессов аэробного окисления уровня, возникает потребность быстрого восстановления запасов АТФ. Углеводы становятся основным топливом для организма. Однако только окислением углеводов требуемый уровень АТФ поддерживаться не может, поэтому параллельно происходит окисление жиров и образование лактата.

Максимальная интенсивность (спринт)

Синтез АТФ поддерживается, в основном, использованием креатин фосфата и образование лактата, поскольку метаболизм окисления углеводов и жиров не может поддерживаться с такой большой скоростью.

2. Продолжительность тренировки

Тип источника энергии зависит от продолжительности тренировки. Сначала происходит выброс энергии за счет использования креатин фосфата. Затем организм переходит на преимущественное использование гликогена, что обеспечивает энергией приблизительно на 50-60% синтез АТФ. Остальную часть энергии на синтез АТФ организм получает за счет окисления свободных жирных кислот и глюкозы. Когда запасы гликогена истощаются, основным источником энергии становятся жиры, в то же время из углеводов начинает больше использоваться глюкоза.

3. Тип тренировки

В тех видах спорта, где периоды относительно низких нагрузок сменяются резкими повышениями активности (футбол, хоккей, баскетбол), происходит чередование использования креатин фосфата (во время пиков нагрузки) и гликогена как основных источников энергии для синтеза АТФ. В течение «спокойной» фазы в организме восстанавливаются запасы креатин фосфата.

4. Тренированность организма

Чем тренированнее человек, тем выше способность организма к окислительному метаболизму (меньше гликогена превращается в лактозу) и тем экономичнее расходуются запасы энергии. То есть, тренированный человек выполняет какое-либо упражнение с меньшим расходом энергии, чем нетренированный.

5. Диета

Чем выше уровень гликогена в организме перед началом тренировки, тем позднее настанет утомление. Чтобы повысить запасы гликогена, необходимо увеличить потребление пищи, богатой углеводами. Специалисты в области спортивного питания рекомендуют придерживаться таких диет, в которых до 70% энергетической ценности составляли бы углеводы.

Паста (макаронные изделия)

Зерновые злаки

Корнеплоды

Банка бобов 45

Большая порция риса 60

Большая порция картофеля в мундире 45

Два куска белого хлеба 30

Большая порция спагетти 90

Введите в свой план питания больше углеводов, чтобы поддерживать энергетические запасы организма;

За 1-4 часа до тренировки съедайте 75-100 г углеводов;

В течение первого получаса тренировки, когда способность мышц к восстановлению максимальна, съешьте 50-100 углеводов;

После тренировки необходимо продолжать потребление углеводов для скорейшего восстановления запасов гликогена.

Из клеток состоят все живые организмы, кроме вирусов. Они обеспечивают все необходимые для жизни растения или животного процессы. Клетка и сама может быть отдельным организмом. И разве может такая сложная структура жить без энергии? Конечно, нет. Так как же происходит обеспечение клеток энергией? Оно базируется на процессах, которые мы рассмотрим ниже.

Обеспечение клеток энергией: как это происходит?

Немногие клетки получают энергию извне, они вырабатывают ее сами. обладают своеобразными "станциями". И источником энергии в клетке является митохондрия — органоид, который ее вырабатывает. В нем происходит процесс клеточного дыхания. За счет него и происходит обеспечение клеток энергией. Однако присутствуют они только у растений, животных и грибов. В клетках бактерий митохондрии отсутствуют. Поэтому у них обеспечение клеток энергией происходит в основном за счет процессов брожения, а не дыхания.

Строение митохондрии

Это двумембранный органоид, который появился в эукариотической клетке в процессе эволюции в результате поглощения ею более мелкой Этим можно объяснить то, что в митохондриях присутствует собственная ДНК и РНК, а также митохондриальные рибосомы, вырабатывающие нужные органоидам белки.

Внутренняя мембрана обладает выростами, которые называются кристы, или гребни. На кристах и происходит процесс клеточного дыхания.

То, что находится внутри двух мембран, называется матрикс. В нем расположены белки, ферменты, необходимые для ускорения химических реакций, а также молекулы РНК, ДНК и рибосомы.

Клеточное дыхание — основа жизни

Оно проходит в три этапа. Давайте рассмотрим каждый из них более подробно.

Первый этап — подготовительный

Во время этой стадии сложные органические соединения расщепляются на более простые. Так, белки распадаются до аминокислот, жиры — до карбоновых кислот и глицерина, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов, а углеводы — до глюкозы.

Гликолиз

Это бескислородный этап. Он заключается в том, что вещества, полученные во время первого этапа, расщепляются далее. Главные источники энергии, которые использует клетка на данном этапе, — молекулы глюкозы. Каждая из них в процессе гликолиза распадается до двух молекул пирувата. Это происходит во время десяти последовательных химических реакций. Вследствие первых пяти глюкоза фосфорилируется, а затем расщепляется на две фосфотриозы. При следующих пяти реакциях образуется две молекулы и две молекулы ПВК (пировиноградной кислоты). Энергия клетки и запасается именно в виде АТФ.

Весь процесс гликолиза можно упрощенно изобразить таким образом:

2НАД+ 2АДФ + 2Н 3 РО 4 + С 6 Н 12 О 6 → 2Н 2 О + 2НАД. Н 2 +2С 3 Н 4 О 3 + 2АТФ

Таким образом, используя одну молекулу глюкозы, две молекулы АДФ и две фосфорной кислоты, клетка получает две молекулы АТФ (энергия) и две молекулы пировиноградной кислоты, которую она будет использовать на следующем этапе.

Третий этап — окисление

Данная стадия происходит только при наличии кислорода. Химические реакции этого этапа происходят в митохондриях. Именно это и есть основная часть во время которой высвобождается больше всего энергии. На этом этапе вступая в реакцию с кислородом, расщепляется до воды и углекислого газа. Кроме того, при этом образуется 36 молекул АТФ. Итак, можно сделать вывод, что главные источники энергии в клетке — глюкоза и пировиноградная кислота.

Суммируя все химические реакции и опуская подробности, можно выразить весь процесс клеточного дыхания одним упрощенным уравнением:

6О 2 + С 6 Н 12 О 6 + 38АДФ + 38Н 3 РО 4 → 6СО 2 + 6Н2О + 38АТФ.

Таким образом, в ходе дыхания из одной молекулы глюкозы, шести молекул кислорода, тридцати восьми молекул АДФ и такого же количества фосфорной кислоты клетка получает 38 молекул АТФ, в виде которой и запасается энергия.

Разнообразие ферментов митохондрий

Энергию для жизнедеятельности клетка получает за счет дыхания — окисления глюкозы, а затем пировиноградной кислоты. Все эти химические реакции не могли бы проходить без ферментов — биологических катализаторов. Давайте рассмотрим те из них, которые находятся в митохондриях — органоидах, отвечающих за клеточное дыхание. Все они называются оксидоредуктазами, потому что нужны для обеспечения протекания окислительно-восстановительных реакций.

Все оксидоредуктазы можно разделить на две группы:

• оксидазы;
• дегидрогеназы;

Дегидрогеназы, в свою очередь, делятся на аэробные и анаэробные. Аэробные содержат в своем составе кофермент рибофлавин, который организм получает из витамина В2. Аэробные дегидрогеназы содержат в качестве коферментов молекулы НАД и НАДФ.

Оксидазы более разнообразны. В первую очередь они делятся на две группы:

• те, которые содержат медь;
• те, в составе которых присутствует железо.

К первым относятся полифенолоксидазы, аскорбатоксидаза, ко вторым — каталаза, пероксидаза, цитохромы. Последние, в свою очередь, делятся на четыре группы:

• цитохромы a;
• цитохромы b;
• цитохромы c;
• цитохромы d.

Цитохромы а содержат в своем составе железоформилпорфирин, цитохромы b — железопротопорфирин, c — замещенный железомезопорфирин, d — железодигидропорфирин.

Возможны ли другие пути получения энергии?

Несмотря на то что большинство клеток получают ее в результате клеточного дыхания, существуют также анаэробные бактерии, для существования которых не нужен кислород. Они вырабатывают необходимую энергию путем брожения. Это процесс, в ходе которого с помощью ферментов углеводы расщепляются без участия кислорода, вследствие чего клетка и получает энергию. Различают несколько видов брожения в зависимости от конечного продукта химических реакций. Оно бывает молочнокислое, спиртовое, маслянокислое, ацетон-бутановое, лимоннокислое.

Для примера рассмотрим Его можно выразить вот таким уравнением:

С 6 Н 12 О 6 → С 2 Н 5 ОН + 2СО 2

То есть одну молекулу глюкозы бактерия расщепляет до одной молекулы этилового спирта и двух молекул оксида (IV) карбона.

У фототрофных организмов в процессе фотосинтеза световая энергия превращается в химическую энергию сложных органических веществ, которые затем включаются в реакции дыхания и подвергаются биологическому окислению. В ходе дыхания значительная часть энергии окисления органических веществ используется для образования АТФ и других макроэргических соединений, с участием которых далее уже инициируются эндергонические реакции синтеза различных веществ, необходимых для обеспечения жизненных процессов организма. Энергия окисления органических веществ, трансформируемая в химическую энергию молекул АТФ, по флоэмной системе транспортируется в любые органы и ткани растения и может быть использована в них для осуществления биосинтетических процессов, внутриклеточного переноса веществ и ионов, инициации защитных реакций организма и др. У хемотрофных организмов происходят аналогичные процессы, связанные с окислением веществ и использованием их химической энергии для синтеза АТФ и других макроэргических соединений, которые далее включаются в различные сопряжённые биосинтетические процессы.

Таким образом, мы видим, что жизнедеятельность любых организмов складывается из двух противоположных процессов – распада веществ и сопряжённого с ним синтеза макроэргических соединений и биосинтетических процессов образования сложных веществ, в которых используется энергия макроэргических соединений. Процесс распада веществ, в ходе которого происходит ферментативное расщепление молекул углеводов, жиров, белков и др. соединений до более простых веществ и дальнейшее их окисление в реакциях дыхания, получил название катаболизма. А противоположный процесс синтеза сложных веществ, который сопровождается поглощением свободной энергии, называется анаболизмом. Оба эти процесса тесно связаны между собой в обмене веществ организма. Усиление биосинтетических реакций, характерных для процесса анаболизма, всегда требует активизации катаболизма, высвобождающего химическую энергию для синтеза макроэргических соединений, которые необходимы как биоэнергетические факторы сопряжения в анаболических реакциях. Общая направленность биоэнергетических процессов у растительных организмов, включающая процессы катаболизма и анаболизма, а также синтеза макроэргических соединений и их использования в биосинтетических реакциях схематически показана на рис. 14.

Как видно из этой схемы, в осуществлении биоэнергетических процессов важную роль играют макроэргические соединения и особенно АТФ как универсальный переносчик энергии от катаболических процессов к анаболическим. В отсутствие макроэргических соединений происходит разобщение анаболических и катаболических процессов, что приводит к прекращению нормального функционирования организма.

Вопросы для повторения.

В чём состоят особенности функционирования биоэнергетических систем? 2. Как определить изменение внутренней энергии биохимической системы по теплоте сгорания реагирующих веществ и продуктов реакции? 3. Как оценить тепловой эффект биохимической реакции с использованием термодинамической функции, называемой энтальпией? 4. Каким образом используется термодинамическая функция энтропия для характеристики направленности биохимических превращений? 5. По каким термодинамическим критериям можно оценить экзергонические и эндергонические реакции? 6. С помощью каких расчётов можно определить изменение свободной энергии в ходе биохимических реакций? 7. Как определяется направленность и возможность самопроизвольного осуществления в окислительно-восстановительных реакциях? 8. Каковы особенности осуществления биохимических реакций в условиях физиологической среды? 9. Какие термодинамические принципы реализуются в ходе сопряжённого синтеза веществ? 10. Какова биологическая роль макроэргических соединений? 11. Какие известны разновидности макроэргических соединений? 12. В чём состоит роль АТФ как наиболее универсального макроэргического соединения? 13. Как происходит синтез АТФ в живых организмах? 14. Какова направленность биоэнергетических процессов в растительном организме? 15. В чём состоят биохимические особенности процессов катаболизма?

Резюме по модульной единице 6.

Совокупность всех биоэнергетических превращений в организме, обеспечивающих его нормальную жизнедеятельность в изменяющихся условиях окружающей среды, изучает раздел биохимии, называемый биохимической энергетикой. Для оценки энергетических параметров биохимических реакций используются термодинамические функции – внутренняя энергия системы, энтальпия, энтропия, свободная энергия Гиббса и др. Биохимические реакции осуществляются в открытых системах, которые обмениваются веществами и энергией с окружающей средой. Простейшая биохимическая система включает реагирующие вещества, продукты реакции, а также фермент, катализирующий данную реакцию. В связи с тем, что биохимические реакции протекают с очень высокой скоростью, а изменения внешней среды проходят относительно медленно, в биохимической энергетике принимается, что все процессы в организме осуществляются при постоянном давлении и постоянной температуре.

Изменение внутренней энергии системы определяется как алгебраическая сумма всех входящих в систему и выходящих из неё энергий. По изменению энтальпии определяются тепловые эффекты биохимических реакций (при Н<О реакция экзотермическая, при Н>О – эндотермическая). Изменение энтропии в ходе биохимических превращений используется для расчёта изменения свободной энергии. При самопроизвольных реакциях свободная энергия системы уменьшается (G<О), такие реакции называют экзергоническими. В ходе эндергонических реакций свободная энергия системы увеличивается (G>О).

Эндергонические реакции могут осуществляться самопроизвольно за счёт поглощения энергии, которая высвобождается в экзергонической реакции, при условии прохождения этих реакций в одной биохимической системе. Такие реакции называют сопряжёнными реакциями синтеза веществ. Коэффициент использования энергии при сопряжённом синтезе веществ составляет 40-60%. В сопряжённой экзергонической реакции превращению подвергаются вещества, называемые макроэргическими соединениями. В ходе превращения этих веществ высвобождается большое количество свободной энергии (при стандартных условиях –30-60 кДж/моль). К макроэргическим соединениям относятся нуклеозидполифосфаты (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ идр.), ацилфосфаты (1,3-дифосфоглицериновая кислота, ацетилфосфат), енолфосфаты (фосфоенолпировиноградная кислота), тиоэфиры (ацетилкофермент А, пропионил-кофермент А и др.), амидинфосфаты, имидазолы.

Макроэргические соединения синтезируются в ходе реакций распада веществ, называемых катаболическими реакциями, а используются для синтеза веществ в ходе анаболических реакций. Универсальным макроэргическим соединением является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которая синтезируется в процессах субстратного, фотосинтетического и окислительного фосфорилирования. Концентрация АТФ в клетках организма поддерживается на определённом уровне с помощью регуляторных систем.

Тестовые задания к лекции 3. Тесты № 67-80.

Лекция 4. Ферменты.

Аннотация.

Излагаются строение, свойства и механизм действия ферментов. Указываются основные показатели, выражающие их каталитическую активность, а также активаторы и ингибиторы ферментов. Даются сведения об изоферментах, локализации ферментов и особеностях функционирования ферментных систем. Рассматриваются механизмы регуляции конститутивных ииндуцибельных ферментов. Объясняются принципы классификации ферментов и зависимость их активности от различных физиологических условий.

Ключевые слова: ферменты, каталитический (активный) центр фермента, гипотеза замка и ключа, гипотеза индуцированного соответствия, коферменты, железо-серные белки, катал, удельная и молярная активность ферментов, период полужизни фермента, изоферменты, константа Михаэлиса, активаторы и ингибиторы ферментов, конкурентные и неконкурентные ингибиторы, белковые ингибиторы ферментов, мультиферментные системы, конститутивные и индуцибельные ферменты, аллостерические ферменты, зимогены (проферменты), гормональная регуляция активности ферментов, оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы (синтетазы).

Рассматриваемые вопросы.

Механизм действия ферментов.

Строение двухкомпонентных ферментов.

Каталитическая активность ферментов.

Изоферменты.

Изменение активности ферментов в зависимости от условий среды.

Локализация ферментов.

Регуляция ферментативных реакций.

Классификация ферментов.

Модульная единица 7. Ферменты.

Цели и задачи изучения модульной единицы. Изучить строение, свойства и механизм действия ферментов, особенности регуляции ферментативных реакций и функционирования ферментных систем. Научить студентов использовать сведения о ферментах для прогнозирования интенсивности и направленности биохимических процессов в растениях при обосновании технологий выращивания сельскохо-зяйственных культур.