Bioenergetiska system

Bioenergetiska system är metaboliska processer som relaterar till energiflödet i levande organismer. Dessa processer omvandlar energi till adenosintrifosfat (ATP), vilket är den form som är lämplig för muskelaktivitet. Det finns två huvudformer av syntes av ATP: aerob , som använder syre från blodomloppet, och anaerob , som inte gör det. Bioenergetics är biologin som studerar bioenergetiska system.

Översikt

Den cellulära andningsprocessen som omvandlar matens kemiska energi till ATP (som kan frigöra energi) är till stor del beroende av syretillgången. Under träning påverkas utbudet och efterfrågan av syre tillgängligt för muskelcellerna av varaktighet och intensitet och av individens konditionsnivå för kardiorespiratoriska egenskaper. Tre system kan rekryteras selektivt, beroende på mängden tillgängligt syre, som en del av den cellulära andningsprocessen för att generera ATP för musklerna. De är ATP, det anaeroba systemet och det aeroba systemet.

Adenosintrifosfat

ATP är den användbara formen av kemisk energi för muskelaktivitet. Det lagras i de flesta celler, särskilt i muskelceller. Andra former av kemisk energi, som de som finns tillgängliga från syre och mat, måste omvandlas till ATP innan de kan utnyttjas av muskelcellerna.

Kopplade reaktioner

Eftersom energi frigörs när ATP bryts ner krävs energi för att återuppbygga eller syntetisera den. Byggstenarna i ATP-syntesen är biprodukterna av dess nedbrytning; adenosindifosfat (ADP) och oorganiskt fosfat (Pi ₎ . Energin för ATP-återsyntes kommer från tre olika serier av kemiska reaktioner som äger rum i kroppen. Två av de tre beror på maten som äts, medan den andra beror på en kemisk förening som kallas fosfokreatin . Energin som frigörs från någon av dessa tre serier av reaktioner används i reaktioner som återsyntetiserar ATP. De separata reaktionerna är funktionellt kopplade på ett sådant sätt att energin som frigörs av den ena används av den andra.

Tre processer kan syntetisera ATP:

ATP–CP-system ( phosphagen system) – Detta system används i upp till 10 sekunder. ATP–CP-systemet använder varken syre eller producerar mjölksyra om syre inte är tillgängligt och kallas därför alaktiskt anaerobt. Detta är det primära systemet bakom mycket korta, kraftfulla rörelser som en golfsving, en 100 m sprint eller styrkelyft.
Anaerobt system – Detta system dominerar när det gäller att tillföra energi för träning som varar mindre än två minuter. Det är också känt som det glykolytiska systemet. Ett exempel på en aktivitet av den intensitet och varaktighet som detta system fungerar under skulle vara en 400 m sprint.
Aerobt system – Detta är det långvariga energisystemet. Efter fem minuters träning är O ₂ -systemet dominerande. På en 1 km löpning ger detta system redan ungefär hälften av energin; i ett maratonlopp ger det 98 % eller mer.

Aeroba och anaeroba system fungerar vanligtvis samtidigt. När man beskriver aktivitet handlar det inte om vilket energisystem som fungerar utan vilket som dominerar.

Aerob och anaerob metabolism

Termen metabolism hänvisar till de olika serierna av kemiska reaktioner som äger rum i kroppen. Aerob hänvisar till närvaron av syre, medan anaerob betyder med en serie kemiska reaktioner som inte kräver närvaro av syre. ATP-CP-serien och mjölksyraserien är anaeroba, medan syreserien är aerob.

ATP–CP: fosfagensystemet

(A) Fosfokreatin, som lagras i muskelceller, innehåller en bindning med hög energi. (B) När kreatinfosfat bryts ner under muskelsammandragning frigörs energi och används för att återsyntetisera ATP.

Kreatinfosfat (CP), liksom ATP, lagras i muskelceller. När det bryts ner frigörs en ansenlig mängd energi. Den energi som frigörs är kopplad till det energibehov som krävs för återsyntesen av ATP.

De totala muskellagren av både ATP och CP är små. Således är mängden energi som kan erhållas genom detta system begränsad. Fosfagen som lagras i de arbetande musklerna är vanligtvis utmattad på sekunder av kraftig aktivitet. Men användbarheten av ATP-CP-systemet ligger i den snabba tillgången på energi snarare än kvantitet . Detta är viktigt med hänsyn till de typer av fysiska aktiviteter som människor är kapabla att utföra.

Phosphagen System (ATP-PCr) och purin nukleotidcykel (PNC)

Fosphagen - systemet (ATP- PCr ) förekommer i cytosolen (en gelliknande substans) i skelettmuskulaturens sarkoplasma och i myocytens cytosoliska avdelning i cytoplasman i hjärtmuskeln och glatt muskulatur .

Under muskelkontraktion:

ATP → ADP + Pi ₍ användning av ATP för muskelkontraktion av ATPase )

ADP + CP → ATP + Kreatin (katalyseras av kreatinkinas , ATP används igen i ovanstående reaktion för fortsatt muskelkontraktion)

2 ADP → ATP + AMP (katalyseras av adenylatkinas /myokinas när CP är utarmat, ATP används återigen för muskel kontraktion)

Muskler i vila:

ATP + kreatin → ADP + CP (katalyserad av kreatinkinas )

ADP + P _i → ATP (under anaerob glykolys och oxidativ fosforylering )

När Phosphagen-systemet har utarmats på fosfokreatin (kreatinfosfat), regleras den resulterande AMP som produceras från adenylatkinas (myokinas) reaktionen primärt av purin nukleotidcykeln .

Anaerobt system

Detta system är känt som anaerob glykolys . "Glykolys" syftar på nedbrytning av socker. I detta system levererar nedbrytningen av socker den nödvändiga energin som ATP tillverkas av. När socker metaboliseras anaerobt bryts det endast delvis ned och en av biprodukterna är mjölksyra . Denna process skapar tillräckligt med energi för att kopplas till energikraven för att återsyntetisera ATP.

När H ⁺ -joner ackumuleras i musklerna vilket får blodets pH- nivå att nå låga nivåer, uppstår tillfällig muskeltrötthet . En annan begränsning av mjölksyrasystemet som relaterar till dess anaeroba kvalitet är att endast ett fåtal mol ATP kan återsyntetiseras från nedbrytningen av socker. Det här systemet går inte att lita på under längre perioder.

Mjölksyrasystemet, liksom ATP-CP-systemet, är viktigt främst för att det ger en snabb tillförsel av ATP-energi. Till exempel, övningar som utförs med maximal hastighet i mellan 1 och 3 minuter beror mycket på mjölksyrasystemet. I aktiviteter som att springa 1500 meter eller en mil används mjölksyrasystemet övervägande för "kick" i slutet av loppet.

Aerobt system

Glykolys – Det första steget är känt som glykolys, som producerar 2 ATP-molekyler, 2 reducerade molekyler av nikotinamidadenindinukleotid ( NADH ) och 2 pyruvatmolekyler som går vidare till nästa steg – Krebs- cykeln . Glykolys sker i cytoplasman hos normala kroppsceller, eller sarkoplasman hos muskelceller.
Krebs-cykeln – Detta är det andra steget, och produkterna från detta stadium av det aeroba systemet är en nettoproduktion av en ATP, en koldioxidmolekyl , tre reducerade NAD ⁺ molekyler och en reducerad flavinadenindinukleotid (FAD) molekyl. (Molekylerna av NAD ⁺ och FAD som nämns här är elektronbärare, och om de reduceras har de fått en eller två H ⁺ -joner och två elektroner tillsatta.) Metaboliterna är för varje varv i Krebs-cykeln. Krebs-cykeln vänder sig två gånger för varje sexkolsmolekyl av glukos som passerar genom det aeroba systemet – när två trekolspyruvatmolekyler går in i Krebs-cykeln. Innan pyruvat går in i Krebs-cykeln måste det omvandlas till acetylkoenzym A . Under denna länkreaktion, för varje pyruvatmolekyl som omvandlas till acetylkoenzym A, reduceras också en NAD ^{+ .} Detta stadium av det aeroba systemet äger rum i matrisen av cellernas mitokondrier .
Oxidativ fosforylering – Det sista steget i det aeroba systemet ger det största utbytet av ATP – totalt 34 ATP-molekyler. Det kallas oxidativ fosforylering eftersom syre är den slutliga acceptorn av elektroner och vätejoner (därav oxidativa) och ett extra fosfat tillsätts till ADP för att bilda ATP (därav fosforylering).

Detta stadium av det aeroba systemet sker på cristae (inveckningar av membranet i mitokondrierna). Reaktionen av varje NADH i denna elektrontransportkedja ger tillräckligt med energi för 3 molekyler ATP, medan reaktion av FADH ₂ ger 2 molekyler ATP. Detta innebär att 10 totala NADH-molekyler tillåter regenerering av 30 ATP och 2 FADH ₂ -molekyler tillåter att 4 ATP-molekyler regenereras (totalt 34 ATP från oxidativ fosforylering, plus 4 från de två föregående stegen, vilket ger totalt 38 ATP i det aeroba systemet). NADH och FADH ₂ oxideras så att NAD ⁺ och FAD kan återanvändas i det aeroba systemet, medan elektroner och vätejoner accepteras av syre för att producera vatten, en ofarlig biprodukt.

Vidare läsning

Träningsfysiologi för hälsa, kondition och prestation . Sharon Plowman och Denise Smith. Lippincott Williams & Wilkins; Tredje upplagan (2010). ISBN 978-0-7817-7976-0 .