Sisteme bioenergetice - Bioenergetic systems

Pentru limbajul utilizat în ecologia sistemelor, consultați Limbajul sistemelor energetice .

Sistemele bioenergetice sunt procese metabolice care se referă la fluxul de energie din organismele vii. Aceste procese transformă energia în adenozin trifosfat (ATP), care este forma potrivită pentru activitatea musculară. Există două forme principale de sinteză a ATP: aerob , care folosește oxigen din fluxul sanguin, și anaerob , care nu. Bioenergetica este domeniul biologiei care studiază sistemele bioenergetice.

Prezentare generală

Procesul de respirație celulară care transformă energia oxigenului și a alimentelor în ATP (care poate elibera energie) depinde în mare măsură de disponibilitatea oxigenului. În timpul efortului , aportul și cererea de oxigen disponibil celulelor musculare sunt afectate de durată și intensitate și de nivelul de fitness cardiorespirator al individului. Trei sisteme pot fi recrutate selectiv, în funcție de cantitatea de oxigen disponibilă, ca parte a procesului de respirație celulară pentru a genera ATP pentru mușchi. Acestea sunt ATP, sistemul anaerob și sistemul aerob.

Adenozin trifosfat

ATP este forma utilizabilă a energiei chimice pentru activitatea musculară. Este stocat în majoritatea celulelor, în special în celulele musculare. Alte forme de energie chimică, cum ar fi cele disponibile din oxigen și alimente, trebuie transformate în ATP înainte ca acestea să poată fi utilizate de către celulele musculare.

Reacții cuplate

Deoarece energia este eliberată atunci când ATP este defalcat, energia este necesară pentru a o reconstrui sau a resinteza. Blocurile de bază ale sintezei ATP sunt produsele secundare ale defalcării sale; adenozin difosfat (ADP) și fosfat anorganic (P i ). Energia pentru resinteza ATP provine din trei serii diferite de reacții chimice care au loc în corp. Doi dintre cei trei depind de alimentele consumate, în timp ce celălalt depinde de un compus chimic numit fosfocreatină . Energia eliberată din oricare dintre aceste trei serii de reacții este utilizată în reacții care resintetizează ATP. Reacțiile separate sunt legate funcțional în așa fel încât energia eliberată de una să fie utilizată de cealaltă.

Trei procese pot sintetiza ATP:

  • Sistem ATP – CP (sistem fosfogen) - Acest sistem este utilizat până la 10 secunde. Sistemul ATP-CP nu folosește oxigen și nici nu produce acid lactic dacă oxigenul nu este disponibil și se numește astfel anaerob alactic. Acesta este sistemul principal din spatele mișcărilor foarte scurte și puternice, cum ar fi un leagăn de golf, un sprint de 100 m sau un powerlifting.
  • Sistem anaerob - Acest sistem predomină în furnizarea de energie pentru exerciții fizice care durează mai puțin de două minute. Este, de asemenea, cunoscut sub numele de sistem glicolitic . Un exemplu de activitate cu intensitatea și durata la care funcționează acest sistem ar fi un sprint de 400 m.
  • Sistem aerob - Acesta este sistemul energetic de lungă durată. După cinci minute de exercițiu, sistemul O 2 este dominant. Într-o cursă de 1 km, acest sistem furnizează deja aproximativ jumătate din energie; într-o cursă de maraton oferă 98% sau mai mult.

Sistemele aerobe și anaerobe funcționează de obicei simultan. La descrierea activității, nu este vorba despre ce sistem energetic funcționează, ci care predomină.

Metabolism aerob și anaerob

Termenul metabolism se referă la diferitele serii de reacții chimice care au loc în corp. Aerobic se referă la prezența oxigenului, în timp ce anaerob înseamnă cu o serie de reacții chimice care nu necesită prezența oxigenului. Seria ATP-CP și seria de acid lactic sunt anaerobe, în timp ce seria de oxigen este aerobă.

ATP – CP: sistemul fosfagen

(A) Fosfocreatina, care este stocată în celulele musculare, conține o legătură energetică ridicată. (B) Când fosfatul de creatină se descompune în timpul contracției musculare, energia este eliberată și utilizată pentru a resinteza ATP.

Creatina fosfat (CP), precum ATP, este stocat în celulele musculare. Când este defalcat, o cantitate considerabilă de energie este eliberată. Energia eliberată este cuplată cu necesarul de energie necesar pentru resinteza ATP.

Depozitele musculare totale ale ATP și CP sunt mici. Astfel, cantitatea de energie obținută prin acest sistem este limitată. Fosfagenul stocat în mușchii care lucrează este de obicei epuizat în câteva secunde de activitate viguroasă. Cu toate acestea, utilitatea sistemului ATP-CP constă în disponibilitatea rapidă a energiei, mai degrabă decât a cantității . Acest lucru este important în ceea ce privește tipurile de activități fizice pe care oamenii sunt capabili să le efectueze.

Sistem anaerob

Acest sistem este cunoscut sub numele de glicoliză anaerobă . „Glicoliză” se referă la defalcarea zahărului. În acest sistem, defalcarea zahărului furnizează energia necesară din care este fabricat ATP. Când zahărul este metabolizat anaerob, acesta este defalcat doar parțial și unul dintre produsele secundare este acidul lactic . Acest proces creează suficientă energie pentru a se cupla cu cerințele de energie pentru a resinteza ATP.

Când ionii H + se acumulează în mușchi, determinând nivelul pH-ului din sânge să atingă niveluri scăzute, rezultă oboseala musculară temporară . O altă limitare a sistemului acidului lactic care se referă la calitatea sa anaerobă este aceea că numai câțiva moli de ATP pot fi resintezați din defalcarea zahărului în comparație cu randamentul posibil atunci când se consumă oxigen cu energie ridicată. Acest sistem nu poate fi bazat pe perioade lungi de timp.

Sistemul de acid lactic, la fel ca sistemul ATP-CP, este important în primul rând pentru că asigură o furnizare rapidă de energie ATP. De exemplu, exercițiile care se efectuează la rate maxime între 1 și 3 minute depind în mare măsură de sistemul acidului lactic. În activități precum alergarea la 1500 de metri sau la o milă, sistemul de acid lactic este utilizat predominant pentru „lovitura” de la sfârșitul cursei.

Sistem aerob

  • Glicoliză - Prima etapă este cunoscută sub numele de glicoliză, care produce 2 molecule ATP, 2 molecule reduse de nicotinamidă adenină dinucleotidă ( NADH ) și 2 molecule piruvat care trec la etapa următoare - ciclul Krebs . Glicoliza are loc în citoplasma celulelor normale ale corpului sau în sarcoplasma celulelor musculare.
  • Ciclul Krebs - Aceasta este a doua etapă, iar produsele acestei etape a sistemului aerob sunt o producție netă de un ATP, o moleculă de dioxid de carbon , trei molecule NAD + reduse și o moleculă redusă de flavină adenină dinucleotidă (FAD). (Moleculele NAD + și FAD menționate aici sunt purtători de electroni și, dacă sunt reduse, au avut unul sau doi ioni H + și doi electroni adăugați.) Metaboliții sunt pentru fiecare rundă a ciclului Krebs. Ciclul Krebs se întoarce de două ori pentru fiecare moleculă de glucoză cu șase carbon care trece prin sistemul aerob - pe măsură ce două molecule de piruvat cu trei carbon intră în ciclul Krebs. Inainte de piruvat intra in ciclul Krebs trebuie să fie convertit la acetil coenzima A . În timpul acestei reacții de legătură, pentru fiecare moleculă de piruvat convertită în acetil coenzima A, se reduce și un NAD + . Această etapă a sistemului aerob are loc în matricea mitocondriilor celulelor .
  • Fosforilarea oxidativă - Ultima etapă a sistemului aerob produce cel mai mare randament de ATP - un total de 34 de molecule de ATP. Se numește fosforilare oxidativă, deoarece oxigenul este sursa de energie și acceptorul final al electronilor și al ionilor de hidrogen (deci oxidativ) și un fosfat suplimentar este adăugat la ADP pentru a forma ATP (deci fosforilarea).

Această etapă a sistemului aerob are loc pe criste (înfășurările membranei mitocondriilor). Reacția fiecărui NADH din acest lanț de transport al electronilor asigură suficientă energie pentru 3 molecule de ATP, în timp ce reacția FADH 2 produce 2 molecule de ATP. Aceasta înseamnă că 10 molecule NADH totale permit regenerarea a 30 ATP, iar 2 molecule FADH 2 permit regenerarea a 4 molecule ATP (în total 34 ATP din fosforilarea oxidativă, plus 4 din cele două etape anterioare, producând un total de 38 ATP în sistemul aerob). NADH și FADH 2 sunt oxidate pentru a permite reutilizarea NAD + și FAD în sistemul aerob, în ​​timp ce electronii și ionii de hidrogen sunt acceptați de oxigen, principala sursă de energie a procesului, pentru a produce apă, un produs secundar inofensiv.

Referințe

Lecturi suplimentare

  • Fiziologie a exercițiilor pentru sănătate, fitness și performanță . Sharon Plowman și Denise Smith. Lippincott Williams & Wilkins; A treia ediție (2010). ISBN  978-0-7817-7976-0 .