Какой этап энергетического обмена называют клеточным дыханием кратко

Обновлено: 04.07.2024

Метаболизм состоит из двух взаимно противоположных, но взаимосвязанных процессов пластического и энергетического обмена.

Энергетический обмен необходим организму для образования энергии, которая, в свою очередь, будет израсходована на важные биологические процессы, происходящие в клетках, тканях, органах, в том числе и на пластический обмен.

Все наши движения, мыслительные и физиологические процессы (пищеварение, кровообращение, выделение), любое проявление жизнедеятельности требуют затрат энергии.

Энергетический обмен также называют катаболизм или диссимиляцией. Это достаточно длительный процесс, который происходит вплоть до того момента, пока все питательные вещества, поступившие в организм, не расщепятся до углекислого газа, воды или других простых соединений, которые организм уже не сможет использовать.

Этот процесс аналогичен горению, при котором выделяется вода, углекислый газ и огромное количество энергии.

Катаболизм- это прежде всего многоступенчатый процесс, он не нуждается в высоких температурах, а выделившаяся энергия по большей части не переходит в тепловую, чтобы безвозвратно рассеяться, а запасается для дальнейших нужд в виде молекул АТФ.

Все это делает этот процесс невероятно эффективным и уникальным!


Первый этап энергетического обмена (подготовительный)

Энергетический обмен- это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ.

Каким же образом энергия реакции расщепления используется клеткой?

Ученые обнаружили, что любая деятельность клетки всегда точно совпадает во времени с распадом молекул АТФ.

К примеру, при синтезе белков, углеводов, жиров в клетке идет активный распад АТФ.

В результате опытов было обнаружено, что любая работа мышц сопровождается активным расщеплением АТФ в их клетках.

Ученые сделали вывод, что именно АТФ является непосредственным источником энергии, необходимой для сокращения мышц и для синтеза сложных соединений.

Известно, что в среднем содержание АТФ в клетках составляет от 0,05% до 0,5% ее массы, то есть запас молекул АТФ в организме ограничен, и после распада АТФ должно произойти его восстановление.

Многоуровневый процесс энергетического обмена- это последовательные реакции восстановления молекул АТФ, которые происходят при участии ферментов.

Это можно сравнить с аккумулятором для телефона- когда его заряд садится, то устройство необходимо вновь зарядить.

Если в клетке постоянно измерять содержание АТФ, то его количество существенно не изменяется, но количество углеводов, белков, жиров будет уменьшаться. Это объясняется тем, что реакции расщепления углеводов, белков, жиров и других веществ обеспечивают быстрое и полное восстановление израсходованной АТФ.

В каждой клетке нашего организма в течение суток АТФ примерно 10 тысяч раз распадается и вновь заново образуется.

Таким образом, АТФ- это единый и универсальный источник энергии для функциональной деятельности клетки.

Следует отметить, что возможна передача энергии из одних частей клетки в другие.

Синтез АТФ может происходить в одном месте и в одно время, а использоваться может в другом месте и в другое время.

Синтез АТФ в основном происходит в митохондриях, образовавшаяся здесь АТФ по каналам эндоплазматической сети направляется в те места клетки, где возникает потребность в энергии.


Это одно из проявлений высочайшей организованности и упорядоченности всех химических реакций, протекающих в клетке.

Растения могут преобразовывать энергию солнечных лучей в АТФ на первом этапе фотосинтеза; хемосинтезирующие бактерии способны запасать энергию в форме АТФ, получаемую при реакциях окисления различных неорганических соединений.

Следует отметить, что фотосинтезирующие и хемосинтезирующие организмы также способны получать энергию благодаря окислению органических веществ, синтезированных в собственных клетках из неорганических соединений.

У гетеротрофов (животных, грибов) образование АТФ идет в клетках при помощи реакций окисления органических веществ, поступающих вместе с пищей.

В клетках растений:

Крахмал →глюкоза → АТФ

В клетках животных:

гликоген → глюкоза → АТФ

Энергетический обмен делится на три последовательных этапа:

  • подготовительный этап
  • бескислородный этап
  • кислородный этап

Подготовительный этап

Вся пища, которая поступает в наш организм, подвергается ферментативному расщеплению, при котором:

  • белки расщепляются до аминокислот
  • липиды расщепляются до глицерина и жирных кислот
  • сложные углеводы (крахмал) расщепляются до глюкозы

На этом этапе вся выделившаяся при расщеплении веществ энергия рассеивается в виде тепла.


У одноклеточных животных подготовительный этап протекает в клетках, где и происходит расщепление сложных органических веществ на простые вещества под действием ферментов лизосом.

У многоклеточных организмов расщепление веществ начинает происходить в пищеварительном канале, а далее в клетках под действием лизосом.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!


В ротовой полости человека фермент α-амилаза расщепляет полисахариды (крахмал, гликоген) до мальтозы (дисахарида).

Фермент мальтаза, которая входит в состав слюны, действует на мальтозу и расщепляет ее до глюкозы.

Если долго пережевывать крахмалистую пищу, то можно почувствовать сладковатый привкус, это означает, что небольшая часть крахмала расщепилась до глюкозы (сладкий вкус возникает при пережевывании хлеба).

В желудке идет начальная стадия расщепления белков, гидролиз, под влиянием фермента пепсина.

В желудке небольшая часть жиров гидролизуется под действием липазы, а их переваривание происходит в тонком кишечнике.

Общим местом окончательного переваривания всех пищевых макроэлементов (белки, жиры, углеводы) является верхний отдел тонкой кишки - двенадцатиперстная кишка. Именно здесь происходит образование простых соединений- глюкозы, аминокислот и жирных кислот

Вывод: на первом этапе энергетического обмена происходит распад сложных органических веществ на простые с выделением энергии, которая вся рассеивается в виде тепла.

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Второй этап энергетического обмена (гликолиз)

Ключевое место в метаболизме всех типов клеток занимают реакции с участием сахаров, например, глюкозы, потому что процесс расщепления глюкозы идет наиболее быстро и легче, ведь организму необходимо достаточно быстро восстанавливать энергетические затраты.

Аминокислоты и белки использовать для образования энергии слишком не выгодно, так как большая их часть является структурными компонентами клеток. В этом случае организм разрушал бы сам себя.

Жиры могут использоваться для получения энергии, но главным образом после того, как израсходовались запасы углеводов, ведь жиры из-за своей гидрофобности очень медленно окисляются и малоподвижны в клетках. При этом из жиров в отсутствие кислорода АТФ получить нельзя, а из глюкозы можно.

Поэтому организм выбирает наиболее выгодный путь получения энергии в виде молекул АТФ за счет расщепления, в первую очередь, глюкозы.

Второй этап энергетического обмена называют бескислородным, так как процесс расщепления глюкозы и образования молекул АТФ идет без участия кислорода.

Гликолиз идет в цитоплазме клеток без участия кислорода. Он состоит из последовательных реакций, каждая из которых катализируется общим ферментом.

В ходе реакций гликолиза молекула глюкозы С6Н12О6 распадается на две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты (ПВК)- С3Н4О3, при этом суммарно образуются две молекулы АТФ и вода.

НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид) - кофермент, имеющийся во всех живых клетках.

НАД+ переносит электроны из одной реакции в другую.

НАД+ является окислителем и забирает электрон от другой молекулы и один водород, восстанавливаясь в НАД H, который далее служит восстановителем и уже отдаёт электроны.

Уравнение реакции гликолиза:


У меня есть дополнительная информация к этой части урока!


Клетка кроме аккумулятора АТФ использует и другие вещества, например, аккумуляторы водорода.

Существуют приемщики (акцепторы) водорода- ферменты, которые могут брать у одних веществ водород и переносить его к другим веществам.

Таких переносчиков три типа:

Еще существует переносчик остатков карбоновых кислот, который называется КоА (КоэнзимА).

НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат)- отличается от НАД содержанием ещё одного остатка фосфорной кислоты.

НАДФ принимает на себя водород и электроны окисляемого соединения и передаёт их на другие вещества.

В хлоропластах растительных клеток НАДФ восстанавливается при световых реакциях фотосинтеза и затем обеспечивает водородом синтез углеводов при темновых реакциях.

ФАД+ присоединяет к себе сразу два атома водорода и превращается ФАД Н2.

Все эти вещества активно участвуют в процессах образования молекул АТФ

Дальнейшая судьба ПВК может быть различной и зависит от того, какой тип извлечения энергии предпочитают организмы: анаэробный (бескислородный) или аэробный (кислородный).

Например, паразитические черви, живущие в кишечнике организмов хозяев, выбирают бескислородный путь преобразования ПВК, так как они мало подвижны и их клеткам хватает энергии, которая образуется при гликолизе глюкозы.

Эти виды паразитов выбирают именно такой путь преобразования энергии еще и потому, что при распаде глюкозы образуются ядовитые вещества (ацетон, уксусная кислота и этиловый спирт), которые действуют угнетающе на организм хозяина и ослабляют его иммунитет, что, в свою очередь, помогает паразиту существовать в агрессивной для него среде.


У меня есть дополнительная информация к этой части урока!


Есть такое заболевание (гиполактазия), при котором человек не может усваивать лактозу, которая является основным сахаром, содержащимся в молоке и молочных продуктах.

Если человек употребил пищу с содержанием лактозы, то это может привести к тому, что кишечная палочка (бактерия нашего кишечника) всю поступившую лактозу начинает перерабатывать сама, в результате чего активно размножается и выделяет много ядовитых веществ, которые образовались в ходе гликолиза (распада сахара).

Организм пытается вывести из себя все эти вредные вещества, усиливается работа кишечника, происходит резь и вздутие живота из-за ядовитых веществ и активного размножения бактерий.

Но в целом кишечная палочка помогает человеку расщепить те вещества, которые не способен расщепить он сам (к примеру, клетчатку) и получить витамины группы В

Образовавшаяся в результате гликолиза пировиноградная кислота подвергается дальнейшему преобразованию уже на внутренней мембране митохондрий, то есть переходит на третий этап энергетического обмена.

Вывод: на втором этапе энергетического обмена, гликолизе, из 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы ПВК и 2 молекулы АТФ.


Если в клетку прекратилась подача кислорода, то ПВК подвергается брожению, к примеру, в клетках растений, которые были затоплены во время весенних паводков.

В зависимости от того, какие конечные продукты образуются, выделяют несколько видов брожения.

Рассмотрим основные виды:

1. Спиртовое брожение

Встречается в основном у дрожжей и растений.

Конечными продуктами являются этанол и углекислый газ.


При доступе кислорода процесс брожения ослабевает, на смену ему приходит дыхание.

Подавление спиртового брожения кислородом называется эффектом Пастера.

Спиртовое брожение используется в пищевой промышленности: хлебопекарной, виноделии.

При этом типе брожения сначала происходит образование уксусного альдегида, а затем этилового спирта:


2. Молочнокислое брожение

Осуществляется с помощью лактобактерий, бифидобактерий, стрептококков.

Из ПВК они образуют молочную кислоту, ацетон, янтарную и уксусную кислоту.

Молочнокислые бактерии широко используются в молочной промышленности для получения молочнокислых продуктов, а также в создании пробиотиков.


У меня есть дополнительная информация к этой части урока!


Пробиотики- класс микроорганизмов и веществ микробного и иного происхождения, использующихся в терапевтических целях, а также пищевые продукты и биологически активные добавки, содержащие живые микрокультуры.

Пробиотики обеспечивают при систематическом употреблении в пищу благоприятное воздействие на организм человека в результате нормализации состава и (или) повышения биологической активности нормальной микрофлоры кишечника

У животных и человека при недостатке кислорода также может происходить молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты.

В мышцах есть запасы углеводов в виде гликогена. При долгой и усиленной работе, кровь не успевает снабдить мышцы достаточным количеством кислорода, в результате чего мышечные клетки вынуждены переходить на бескислородный способ получения АТФ.

При этом образуется молочная кислота, вызывающая боли в мышцах.


Квашение- разновидность молочнокислого брожения, в процессе которого образуется молочная кислота, оказывающая на продукты (наряду с добавляемой поваренной солью) консервирующее и размягчающее действие.

Квашение применяется при консервировании овощей и в кожевенном производстве.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!


Скелетные мышцы человека неоднородны. Мышца может состоять из нескольких типов волокон в разных пропорциях.

  • красные мышечные волокна (медленные, аэробные)
  • белые мышечные волокна (быстрые, анаэробные).

Красные волокна содержат много митохондрий и обладают высокой способностью к аэробному окислению глюкозы и жирных кислот. Они хорошо снабжаются кровью и приспособлены к продолжительной работе.

В белых мышечных волокнах мало митохондрий, но много запасов гликогена, в них с большой скоростью происходит анаэробный (бескислородный) распад гликогена с образованием молочной кислоты.

Мышцы с большой долей белых волокон быстрее переходят от состояния покоя к максимальной активности, сокращаются энергично, но в них быстрее наступает утомление: запасы гликогена в мышечных клетках быстро истощаются, а поступление глюкозы из крови и ее использование происходят медленно.

1

3. Маслянокислое брожение

Масляная кислота, бутанол, ацетон, уксусная и ряд других органических кислот являются продуктами сбраживания углеводов бактериями- сахаролитическими анаэробами.

Благодаря определению наличия тех или иных кислот в клетке можно установить, какие бактерии образовали эти кислоты.

Знание механизмов брожения имеет большое практическое значение не только для живых организмов, но и для человека:

  • для разработки методов диагностики инфекционных заболеваний, по набору ферментов или кислот, которые образовались во время брожения
  • для создания современных биотехнологий молочнокислых продуктов, сыра, хлеба, вина и многих других продуктов питания

Недостатком процессов брожения является извлечение незначительной доли той энергии, которая заключена в связях органических молекул.

Для бактерий, паразитических видов, живущих в бескислородной среде, энергии, образующейся в результате брожения или гликолиза, достаточно для существования, поэтому они, в отличие от человека, не нуждаются в кислороде.

Также брожение является жизненно важным процессом для хвойных растений. В зимний период устьица хвои закупориваются смолой и газообмен с окружающей средой практически прекращается, в этом случае для получения энергии в клетках активно идет процесс спиртового брожения.


Видео YouTube


СТАДИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — это процессы расщепления ве­ ществ с высвобождением энергии. Высвобожденная энергия преобразуется в энергию АТФ. Наиболее важными процессами энергетического обмена являются дыхание и брожение.


Энер­ге­ти­че­ский обмен – это со­во­куп­ность хи­ми­че­ских ре­ак­ций по­сте­пен­но­го рас­па­да ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний, со­про­вож­да­ю­щих­ся вы­сво­бож­де­ни­ем энер­гии, часть ко­то­рой рас­хо­ду­ет­ся на син­тез АТФ. Син­те­зи­ро­ван­ная АТФ ста­но­вит­ся уни­вер­саль­ным ис­точ­ни­ком энер­гии для жиз­не­де­я­тель­но­сти ор­га­низ­мов. Она об­ра­зу­ет­ся в ре­зуль­та­те ре­ак­ции фос­фо­ри­ли­ро­ва­ния – при­со­еди­не­ния остат­ков фос­фор­ной кис­ло­ты к мо­ле­ку­ле АДФ. На эту ре­ак­цию рас­хо­ду­ет­ся энер­гия, ко­то­рая затем на­кап­ли­ва­ет­ся в мак­ро­эр­ги­че­ских свя­зях мо­ле­ку­лы АТФ, при рас­па­де мо­ле­ку­лы АТФ или при ее гид­ро­ли­зе до АДФ клет­ка по­лу­ча­ет около 40 кДж энер­гии.

АТФ – по­сто­ян­ный ис­точ­ник энер­гии для клет­ки, она мо­биль­но может до­став­лять хи­ми­че­скую энер­гию в любую часть клет­ки. Когда клет­ке необ­хо­ди­ма энер­гия – до­ста­точ­но гид­ро­ли­зо­вать мо­ле­ку­лу АТФ. Энер­гия вы­де­ля­ет­ся в ре­зуль­та­те ре­ак­ции дис­си­ми­ля­ции (рас­щеп­ле­ния ор­га­ни­че­ских ве­ществ), в за­ви­си­мо­сти от спе­ци­фи­ки ор­га­низ­ма и усло­вий его оби­та­ния энер­ге­ти­че­ский обмен про­хо­дит в два или три этапа. Боль­шин­ство живых ор­га­низ­мов от­но­сят­ся к аэро­бам, ис­поль­зу­ю­щим для об­ме­на ве­ществ кис­ло­род, ко­то­рый по­сту­па­ет из окру­жа­ю­щей среды. Для аэро­бов энер­ге­ти­че­ский обмен про­хо­дит в три этапа:

В ор­га­низ­мах, ко­то­рые оби­та­ют в бес­кис­ло­род­ной среде и не нуж­да­ют­ся в кис­ло­ро­де для энер­ге­ти­че­ско­го об­ме­на – анаэ­ро­бах и аэро­бах, при недо­стат­ке кис­ло­ро­да про­хо­дят энер­ге­ти­че­ский обмен в два этапа:

Ко­ли­че­ство энер­гии, ко­то­рое вы­де­ля­ет­ся при двух­этап­ном ва­ри­ан­те на­мно­го мень­ше, чем в трех­этап­ном.

ЭТАПЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА

Под­го­то­ви­тель­ный этап – во время него круп­ные пи­ще­вые по­ли­мер­ные мо­ле­ку­лы рас­па­да­ют­ся на более мел­кие фраг­мен­ты. В же­лу­доч­но-ки­шеч­ном трак­те мно­го­кле­точ­ных ор­га­низ­мов он осу­ществ­ля­ет­ся пи­ще­ва­ри­тель­ны­ми фер­мен­та­ми, у од­но­кле­точ­ных – фер­мен­та­ми ли­зо­сом. По­ли­са­ха­ри­ды рас­па­да­ют­ся на ди- и мо­но­са­ха­ри­ды, белки – до ами­но­кис­лот, жиры – до гли­це­ри­на и жир­ных кис­лот. В ходе этих пре­вра­ще­ний энер­гии вы­де­ля­ет­ся мало, она рас­се­и­ва­ет­ся в виде тепла, и АТФ не об­ра­зу­ет­ся. Об­ра­зу­ю­щи­е­ся в ходе под­го­то­ви­тель­но­го этапа со­еди­не­ния-мо­но­ме­ры могут участ­во­вать в ре­ак­ци­ях пла­сти­че­ско­го об­ме­на (в даль­ней­шем из них син­те­зи­ру­ют­ся ве­ще­ства, необ­хо­ди­мые для клет­ки) или под­вер­гать­ся даль­ней­ше­му рас­щеп­ле­нию с целью по­лу­че­ния энер­гии.

Боль­шин­ство кле­ток в первую оче­редь ис­поль­зу­ют уг­ле­во­ды, жиры оста­ют­ся в пер­вом ре­зер­ве и ис­поль­зу­ют­ся по окон­ча­ния за­па­са уг­ле­во­дов. Хотя есть и ис­клю­че­ния: в клет­ках ске­лет­ных мышц при на­ли­чии жир­ных кис­лот и глю­ко­зы пред­по­чте­ние от­да­ет­ся жир­ным кис­ло­там. Белки рас­хо­ду­ют­ся в по­след­нюю оче­редь, когда запас уг­ле­во­дов и жиров будет ис­чер­пан – при дли­тель­ном го­ло­да­нии.

Бес­кис­ло­род­ный этап (гли­ко­лиз) – про­ис­хо­дит в ци­то­плаз­ме кле­ток. Глав­ным ис­точ­ни­ком энер­гии в клет­ке яв­ля­ет­ся глю­ко­за. Ее бес­кис­ло­род­ное рас­щеп­ле­ние на­зы­ва­ют анаэ­роб­ным гли­ко­ли­зом. Он со­сто­ит из ряда по­сле­до­ва­тель­ных ре­ак­ций по пре­вра­ще­нию глю­ко­зы в лак­тат. Его при­сут­ствие в мыш­цах хо­ро­шо из­вест­но устав­шим спортс­ме­нам. Этот этап за­клю­ча­ет­ся в фер­мен­та­тив­ном рас­щеп­ле­нии ор­га­ни­че­ских ве­ществ, по­лу­чен­ных в ходе пер­во­го этапа. Так как глю­ко­за яв­ля­ет­ся наи­бо­лее до­ступ­ным суб­стра­том для клет­ки как про­дукт рас­щеп­ле­ния по­ли­са­ха­ри­дов, то вто­рой этап можно рас­смот­реть на при­ме­ре ее бес­кис­ло­род­но­го рас­щеп­ле­ния – гли­ко­ли­за (Рис. 1).


Рис. 1. Бес­кис­ло­род­ный этап

Гли­ко­лиз – мно­го­сту­пен­ча­тый про­цесс бес­кис­ло­род­но­го рас­щеп­ле­ния мо­ле­ку­лы глю­ко­зы, со­дер­жа­щей шесть ато­мов уг­ле­ро­да, до двух мо­ле­кул пи­ро­ви­но­град­ной кис­ло­ты (пи­ру­ват). Ре­ак­ция гли­ко­ли­за ка­та­ли­зи­ру­ет­ся мно­ги­ми фер­мен­та­ми и про­те­ка­ет в ци­то­плаз­ме клет­ки. В ходе гли­ко­ли­за при рас­щеп­ле­нии од­но­го моля глю­ко­зы вы­де­ля­ет­ся около 200 кДж энер­гии, 60 % ее рас­се­и­ва­ет­ся в виде тепла, 40 % – для син­те­зи­ро­ва­ния двух мо­ле­кул АТФ из двух мо­ле­кул АДФ. При на­ли­чии кис­ло­ро­да в среде пи­ро­ви­но­град­ная кис­ло­та из ци­то­плаз­мы пе­ре­хо­дит в ми­то­хон­дрии и участ­ву­ет в тре­тьем этапе энер­ге­ти­че­ско­го об­ме­на. Если кис­ло­ро­да в клет­ке нет, то пи­ро­ви­но­град­ная кис­ло­та пре­об­ра­зу­ет­ся в жи­вот­ных клет­ках или пре­вра­ща­ет­ся в мо­лоч­ную кис­ло­ту.

В мик­ро­ор­га­низ­мах, ко­то­рые су­ще­ству­ют без до­сту­па кис­ло­ро­да – по­лу­ча­ют энер­гию в про­цес­се бро­же­ния, на­чаль­ный этап ана­ло­ги­чен гли­ко­ли­зу: рас­пад глю­ко­зы до двух мо­ле­кул пи­ро­ви­но­град­ной кис­ло­ты, и далее она за­ви­сит от фер­мен­тов, ко­то­рые на­хо­дят­ся в клет­ке – пи­ро­ви­но­град­ная кис­ло­та может пре­об­ра­зо­вы­вать­ся в спирт, ук­сус­ную кис­ло­ту, про­пи­о­но­вую и мо­лоч­ную кис­ло­ту. В от­ли­чие от того, что про­ис­хо­дит в жи­вот­ных тка­нях, у мик­ро­ор­га­низ­мов этот про­цесс носит на­зва­ние мо­лоч­но­кис­ло­го бро­же­ния. Все про­дук­ты бро­же­ния ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся в прак­ти­че­ской де­я­тель­но­сти че­ло­ве­ка: это вино, квас, пиво, спирт, кис­ло­мо­лоч­ные про­дук­ты. При бро­же­нии, так же как и при гли­ко­ли­зе, вы­де­ля­ет­ся всего две мо­ле­ку­лы АТФ.

Кис­ло­род­ный этап стал воз­мо­жен после на­коп­ле­ния в ат­мо­сфе­ре до­ста­точ­но­го ко­ли­че­ства мо­ле­ку­ляр­но­го кис­ло­ро­да, он про­ис­хо­дит в ми­то­хон­дри­ях кле­ток. Он очень сло­жен по срав­не­нию с гли­ко­ли­зом, это про­цесс мно­го­ста­дий­ный и идет при уча­стии боль­шо­го ко­ли­че­ства фер­мен­тов. В ре­зуль­та­те тре­тье­го этапа энер­ге­ти­че­ско­го об­ме­на из двух мо­ле­кул пи­ро­ви­но­град­ной кис­ло­ты фор­ми­ру­ет­ся уг­ле­кис­лый газ, вода и 36 мо­ле­кул АТФ (Рис. 2).


Рис. 2. Ми­то­хон­дрия

Две мо­ле­ку­лы АТФ за­па­са­ют­ся в ходе бес­кис­ло­род­но­го рас­щеп­ле­ния мо­ле­ку­ла­ми глю­ко­зы, по­это­му сум­мар­ный энер­ге­ти­че­ский обмен в клет­ке в слу­чае рас­па­да глю­ко­зы можно пред­ста­вить как:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 + 38АДФ + 38Н 3 РО 4 = 6СО 2 + 44Н 2 О + 38АТФ

В ре­зуль­та­те окис­ле­ния одной мо­ле­ку­лы глю­ко­зы ше­стью мо­ле­ку­ла­ми кис­ло­ро­да об­ра­зу­ет­ся шесть мо­ле­кул уг­ле­кис­ло­го газа и вы­де­ля­ет­ся трид­цать во­семь мо­ле­кул АТФ.

Мы видим, что в трех­этап­ном ва­ри­ан­те энер­ге­ти­че­ско­го об­ме­на вы­де­ля­ет­ся го­раз­до боль­ше энер­гии, чем в двух­этап­ном ва­ри­ан­те – 38 мо­ле­кул АТФ про­тив 2.




В отсутствие кислорода или при его недостатке про­ исходит брожение. Брожение является эволюционно бо­ лее ранним способом получения энергии, чем дыхание, однако оно энергетически менее выгодно, поскольку ко­ нечными продуктами брожения являются органические вещества, богатые энергией. Существует несколько видов брожения, названия которых определяются конечными продуктами: молочнокислое, спиртовое, уксуснокислое и др. Так, в скелетных мышцах в отсутствие кислорода протекает молочнокислое брожение, в ходе которого пировиноградная кислота восстанавли­ вается до молочной кислоты. При этом восстановленные ранее коферменты НАДН расходу­ ются на восстановление пирувата:



Энергетическая эффективность молочнокислого брожения составляет две молекулы АТФ, образованные в процессе окисления глюкозы до пирувата.

Для многих микроорганизмов брожение является единственным способом ассимиля­ ции энергии. Большинство таких организмов живет в анаэробных условиях и погибает в присутствии кислорода, но есть и такие, которые нормально существуют и в присутствии кислорода, и без него. Например, дрожжевые грибы при спиртовом брожении окисляют пировиноградную кислоту до этилового спирта и оксида углерода (IV):

Зачем мы дышим? Почему используем кислород, а выдыхаем углекислый газ? Это не просто интересные вопросы. Понимать, как устроен энергетический обмен, важно для ЕГЭ по биологии. Вопросы по метаболизму могут встретится в нескольких заданиях принести до шести первичных баллов. В этой статье обсудим, как происходит энергетический обмен — и разберем несколько заданий, чтобы научиться применять эти знания на практике.

Что такое энергетический обмен?

Такой тип обмена (как и все реакции метаболизма) идет поэтапно. В нем выделяют два или три основных этапа — это зависит от организации клетки и среды, в которой она обитает. Предлагаю рассмотреть каждый из этапов энергетического обмена подробнее.

Если хотите лучше понять не только энергетический обмен, но и другие темы ЕГЭ по биологии, приходите учиться в MAXIMUM! Записывайтесь на консультацию — вы сможете пройти диагностику по выбранным предметам ЕГЭ, поставить цели и составить стратегию подготовки, чтобы получить на экзамене высокие баллы. Все это абсолютно бесплатно!

Этапы метаболизма

Первый этап — подготовительный. Здесь сложные органические вещества (полимеры) распадаются до более простых (мономеров). Например, белки распадаются до аминокислот, а полисахариды до моносахаридов. Сами понимаете, что энергии при этом выделяется очень мало, она не запасается в молекулах АТФ, а выделяется в окружающую среду в виде тепла. Это знакомый нам процесс — пищеварение, он происходит в пищеварительной системе.

Что делать организмам, у которых пищеварительной системы нет? Они тоже осуществяют пищеварение, но другими способами. Например, у одноклеточных животных внутриклеточное пищеварение происходит в лизосомах и пищеварительных вакуолях.

Дальнейшая судьба ПВК зависит от кислорода — если он есть, начинается третий этап, а если его не хватает, ПВК превращается в молочную кислоту. Например, в мышцах при высокой нагрузке и недостатке кислорода образуется молочная кислота. Человек испытывает неприятные ощущения, и даже боль. А в клетках растений и некоторых грибов (яркий пример — дрожжи) при недостатке кислорода ПВК распадается до этилового спирта и углекислого газа — происходит спиртовое брожение.

У аэробных организмов проходит еще и третий этап. Кислородный этап или аэробный, проходит в кислородной среде, другое название — клеточное дыхание. Он проходит только в эукариотических клетках, на кристах митохондрий. ПВК вступает в циклические реакции и полностью окисляется до углекислого газа и воды, а энергия запасается в 36 молекулах АТФ.

Примеры заданий

Давайте разберем несколько заданий на энергетический обмен из ЕГЭ по биологии, чтобы закрепить знания на практике.

Пример 1. Что характерно для аэробного этапа энергетического процесса?

  1. протекает в лизосомах
  2. расщепляются молекулы ПВК
  3. наблюдается высокий выход молекул АТФ
  4. проходит в цитоплазме
  5. встречается у бактерий
  6. имеются циклические реакции

Решение. Аэробный или кислородный этап — третий этап энергетического обмена. Он проходит на кристах митохондрий, там расположены ферментативные комплексы и идут циклические реакции, в которых молекулы пировиноградной кислоты разрушаются, на этом этапе наблюдается высокий выход энергии —36 АТФ. В лизосомах проходит подготовительный этап, а в цитоплазме — гликолиз. Кислородный этап не характерен для бактерий, так как у них нет мембранных органоидов.

Пример 2. Установите соответствие между характеристикой энергетического обмена и его этапом

ХАРАКТЕРИСТИКА ЭТАП ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА
A) происходит в аэробных условиях
Б) происходит в цитоплазме
B) образуется молочная кислота
Г) образуется пировиноградная кислота
Д) синтезируется 36 молекул АТФ		 1) гликолиз
2) кислородное окисление

Решение. Гликолиз — второй этап энергетического обмена, анаэробный, проходит в цитоплазме, образуется пировиноградная кислота, а при недостатке кислорода еще и молочная кислота. Кислородный — третий этап, аэробный, завершается образованием 36 молекул АТФ.

Пример 3. В процессе гликолиза образовались 64 молекулы пировиноградной кислоты (ПВК). Какое количество молекул глюкозы подверглось расщеплению и сколько молекул АТФ образуется при полном окислении глюкозы в клетках эукариот? Ответ поясните

  1. Во время гликолиза одна молекула глюкозы распадается до двух молекул пировиноградной кислоты. Для образования 64 молекул ПВК расщепилось 32 молекулы глюкозы (64:2).
  2. При полном окислении одной молекулы глюкозы в эукариотической клетке образуется 38 молекул АТФ. При расщеплении 32 молекул глюкозы образуется 1216 молекул АТФ (38*32).

Что нужно запомнить?

  • Энергетический обмен нужен, чтобы запасать энергию, расщепляя полимеры
  • Первый этап энергетического обмена — подготовительный. В пищеварительной системе и /или лизосомах, полимеры распадаются до мономеров, энергия расходуется в виде тепла
  • Второй этап — гликолиз. Проиходит в цитоплазме. Глюкоза распадается до 2 молекул ПВК, запасается 2 АТФ
  • Третий этап — клеточное дыхание. Происходит на кристах митохондрий. ПВК полностью окисляется, запасается 36 молекул АТФ
  • За три этапа клетка может получить 38 АТФ из одной молекулы глюкозы: 2 АТФ на втором и 36 АТФ на третьем

ЕГЭ по биологии — большой и сложный экзамен, который состоит из большого количества тем и заданий. Но сдать его на высокий балл реально, если организовать систематическую подготовку. Обязательно приходите на бесплатную консультацию в MAXIMUM — там вы сможете построить индивидуальную стратегию подготовки к ЕГЭ и узнаете все подводные камни экзамена.


Раздел ЕГЭ: 2.5. Обмен веществ и превращения энергии — свойства живых организмов. Энергетический обмен и пластический обмен, их взаимосвязь. Стадии энергетического обмена. Брожение и дыхание. Фотосинтез, его значение, космическая роль. Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь. Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий на Земле.

Несмотря на всю сложность реакций энергетического обмена, его условно подразделяют на три этапа: подготовительный, анаэробный (бескислородный) и аэробный (кислородный).

На подготовительном этапе молекулы полисахаридов, липидов, белков, нуклеиновых кислот распадаются на более простые, например глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты, нуклеотиды и др. Этот этап может протекать непосредственно в клетках либо в кишечнике, откуда расщепленные вещества доставляются с током крови.

Анаэробный этап энергетического обмена сопровождается дальнейшим расщеплением мономеров органических соединений до еще более простых промежуточных продуктов, например пировиноградной кислоты, или пирувата. Он не требует присутствия кислорода, и протекает в цитоплазме.

Бескислородному расщеплению могут подвергаться различные вещества, однако довольно часто субстратом реакций оказывается глюкоза. Процесс ее бескислородного расщепления называется гликолизом. При гликолизе молекула глюкозы теряет четыре атома водорода, то есть окисляется, при этом образуются две молекулы пировиноградной кислоты, две молекулы АТФ и две молекулы восстановленного переносчика водорода НАДН + Н + :


Аэробный этап энергетического обмена может происходить только в присутствии кислорода, при этом промежуточные соединения, образовавшиеся в процессе бескислородного расщепления, окисляются до конечных продуктов (углекислого газа и воды) и выделяется большая часть энергии, запасенной в химических связях органических соединений. Она переходит в энергию макроэргических связей 36 молекул АТФ. Этот этап также называется тканевым дыханием. В случае отсутствия кислорода промежуточные соединения превращаются в другие органические вещества, и этот процесс называется брожением.

Дыхание

Аэробное дыхание происходит в митохондриях, при этом пировиноградная кислота сначала утрачивает один атом углерода, что сопровождается синтезом одного восстановительного эквивалента НАДН + Н + и молекулы ацетилкофермента А (ацетил-КоА):


Ацетил-КоА в матриксе митохондрий вовлекается в цепь химических реакций, совокупность которых называется циклом Кребса. В ходе этих превращений образуется две молекулы АТФ, ацетил-КоА полностью окисляется до углекислого газа, а его ионы водорода и электроны присоединяются к переносчикам водорода НАДН + Н + и ФАДН2. Переносчики транспортируют протоны водорода и электроны к внутренним мембранам митохондрий, образующим кристы. При помощи белков-переносчиков протоны водорода нагнетаются в межмембранное пространство, а электроны передаются по так называемой дыхательной цепи ферментов, расположенной на внутренней мембране митохондрий, и сбрасываются на атомы кислорода:


Следует отметить, что некоторые белки дыхательной цепи содержат железо и серу.

Из межмембранного пространства протоны водорода транспортируются обратно в матрикс митохондрий с помощью специальных ферментов — АТФ-синтаз, а выделяющаяся при этом энергия расходуется на синтез 34 молекул АТФ из каждой молекулы глюкозы. Этот процесс называется окислительным фосфорилированием. В матриксе митохондрий протоны водорода реагируют с радикалами кислорода с образованием воды:


Совокупность реакций кислородного этапа дыхания может быть выражена следующим образом:


Суммарное уравнение дыхания выглядит таким образом:


Брожение

В отсутствие кислорода или при его недостатке происходит брожение. Брожение является эволюционно более ранним способом получения энергии, чем дыхание, однако оно энергетически менее выгодно, поскольку в результате брожения образуются все еще богатые энергией органические вещества. Различают несколько основных видов брожения: молочнокислое, спиртовое, уксуснокислое и др. Так, в скелетных мышцах в отсутствие кислорода в ходе брожения пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты, при этом образовавшиеся ранее восстановительные эквиваленты расходуются и остается всего две молекулы АТФ:


При брожении с помощью дрожжевых грибов пировиноградная кислота в присутствии кислорода превращается в этиловый спирт и оксид углерода (IV):


При брожении с помощью микроорганизмов из пировиноградной кислоты могут образоваться также уксусная, масляная, муравьиная кислоты и др.

Читайте также: