Энергетический обмен в клетке

Инь и Янь, ломать и строить, энергетический и пластический обмен – все это взаимосвязано в процессе метаболизма.

Метаболизм с древнегреческого это «превращение, изменение». Но что на что мы меняем? Вещества на энергию и обратно.

Метаболизм (обмен веществ и энергии) = ассимиляция (он же пластический обмен или анаболизм) – создаем органические вещества (белки, жиры, углеводы), которые нужны для жизнедеятельности + диссимиляция (он же энергетический обмен или катаболизм) – разрушаем органические вещества, чтобы получить энергию.

Они разные, один энергию затрачивает (пластический), другой высвобождает (энергетический), но очень друг другу нужны.

Если не будет энергетического обмена, то не будет и энергии, чтобы осуществлять пластический, не будут создаваться органические вещества и протекать процессы жизнедеятельности, а если не будет пластического, то и нечего будет разрушать и неоткуда получать энергию. Без друг друга им никак. Вот такая философия метаболизма.

Главный результат энергетического обмена – энергия. Но как она выглядит?

Принято представлять, что энергия это что-то светящееся и неосязаемое, но в биологии это конкретная молекула – молекула АТФ (аденозинтрифосфат). Состоит из азотистого основания аденина, пятиуглеродного сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Эта молекула и вырабатывается в процессе энергетического обмена.

Мы будем разбирать углеводный обмен, так как в ЕГЭ спрашивается именно он. Органическое вещество, которое разрушается – глюкоза (углевод, моносахарид, приятно познакомиться). Чтобы познакомиться с веществами клетки поближе, прочитай вот эту статью. Одна молекула глюкозы будет расщепляться с выделением 38 молекул АТФ.

Чтобы это произошло, должно пройти три этапа энергетического обмена:

1. Подготовительный
2. Безкислородный (гликолиз)
3. Кислородный (клеточное дыхание)

Про каждый этап нам надо понимать четыре вещи:

1. Где он происходит?
2. Какие процессы (что) на нем происходит?
3. Какие вещества получаются в итоге (результат) процесса
4. Сколько энергии выделяется

Давайте разберем этого страшилу по косточкам!

Итак, представь, перед тобой горячая хрустящая картошка фри…ммм. Она была частью растения, а у растений запасное вещество – углевод крахмал (полисахарид, который состоит из моносахаридов – глюкозы).

Как только теплая картошечка попадает в рот, начинается расщепление ее несчастных углеводов. В ЖКТ (желудочно-кишечном тракте) большая молекула крахмала (полимер ПОЛИ – много, МОНО – один) расщепляется на мономеры – глюкозы.

Которые всасываются в кровь через ворсинки в тонком кишечнике.

Поели, согрелись. А почему согрелись? Потому что вся энергия от расщепления крахмала до глюкозы рассеялась в тепло.

После того, как мономеры поступили в кровь, разнеслись по всему телу и поступили в клетку, начинается второй этап – безкислородный (он же гликолиз). Одна молекула глюкоза (гексоза, потому что 6 углеродов (С)) распадается на две пировиноградные кислоты (ПВК, триозы – три углерода). При этом остается всего 2 молекулы АТФ.




Бывало так, что сидишь в классе, духота, глаза слипаются, хоть веки держи, а зевать в пятый раз уже как-то неловко, учитель говорит что-то про сонное царство. Отчаянный голос с предпоследней парты: «Откройте окно!». В класс врывается свежий поток воздуха, все немного оживает, и вроде до звонка не так уж и долго. Что произошло? Почему всем полегчало?

Потому что для выработки энергии нужен кислород. Так вот зачем все-таки мы дышим – чтобы расщеплять органические вещества! Третий этап не начнется без поступления в клетку кислорода, ну вот через дыхательную систему и кровь он поступил. Что дальше?

А дальше самое интересное – цикл Кребса (хоть вопросов на него и нет в ЕГЭ, видео по разбору можно просмотреть тут, чтобы понять всю красоту процесса).

Но все, что нам надо знать про третий кислородный этап, так это то, что по мере прохождения ПВК третьего этапа – кислородного, вырабатывается оставшиеся 36 молекул АТФ, а от ПВК остается только рожки да ножки углекислый (СО2) газ и вода (Н2О).

Всего получается 38 молекул АТФ!!!

Урок Бесплатно Энергетический обмен

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 (от греч. «гликос» сладкий, «лизис»- расщепление) – последовательное расщепление глюкозы.

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.

Акцептором (лат. accipio- «я принимаю, получаю») водорода в реакции гликолиза служит кофермент НАД+.

• 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!

Закрыть

1. Клетка кроме аккумулятора АТФ использует и другие вещества, например, аккумуляторы водорода.
2. Существуют приемщики (акцепторы) водорода- ферменты, которые могут брать у одних веществ водород и переносить его к другим веществам.
3. Таких переносчиков три типа:
4. Еще существует переносчик остатков карбоновых кислот, который называется КоА (КоэнзимА). 
5. НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат)- отличается от НАД содержанием ещё одного остатка фосфорной кислоты.
6. НАДФ принимает на себя водород и электроны окисляемого соединения и передаёт их на другие вещества.
7. В хлоропластах растительных клеток НАДФ восстанавливается при световых реакциях фотосинтеза и затем обеспечивает водородом синтез углеводов при темновых реакциях.
8. ФАД+ присоединяет к себе сразу два атома водорода и превращается ФАД Н2.
9. 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!

Закрыть

1. Есть такое заболевание (гиполактазия), при котором человек не может усваивать лактозу, которая является основным сахаром, содержащимся в молоке и молочных продуктах.
2. 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).
3. 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.
4. 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.
• Дрожжи:

1. При доступе кислорода процесс брожения ослабевает, на смену ему приходит дыхание.
2. Подавление спиртового брожения кислородом называется эффектом Пастера.
3. Спиртовое брожение используется в пищевой промышленности: хлебопекарной, виноделии.
4. 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!

Закрыть

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!

Закрыть

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

Выделяют:

• 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.

1. В белых мышечных волокнах мало митохондрий, но много запасов гликогена, в них с большой скоростью происходит анаэробный (бескислородный) распад гликогена с образованием молочной кислоты.
2. 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.

• 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.

Энергетический обмен: его этапы, последовательность, значение для клетки

Что такое АТФ?

Этапы обмена

Подготовительный этап

Бескислородный этап

Кислородный этап

Dидео

Энергетический обмен в клетке представляет собой общую деятельность химических реакций при распаде органических веществ.

При этом происходит освобождение энергии, которая впоследствии идет на синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Значение энергетического обмена в биологии велико, именно с его помощью осуществляется клеточный метаболизм, а сама клетка обеспечивается необходимой энергией для ее функционирования и поддержания жизни.

Что такое АТФ?

Аденозинтрифосфорная кислота (она же АТФ) является постоянным источником энергии для клетки. Деятельность АТФ начинается с реакции фосфорилирования – добавления атомов фосфорного соединения к молекулам аденозиндифосфата (АДФ).

Вот так выглядит строение молекулы АТФ.

Как результат, расходуемая энергия накапливается в связях АДФ, чтобы после ее распада и гидролиза (взаимодействия с водой) поступить в материю в количестве 40 кДж. Говоря по простому, распад органических веществ способствует выделению энергии. А само выделение энергии, энергетический обмен, проходит через две или три стадии. И тут мы переходим к следующему пункту.

Этапы обмена

В целом существует три этапа энергетического обмена:

• Подготовительный.
• Безкислородный.
• Кислородный.

Так эти этапы или фазы энергетического обмена выглядят схематически:

Но есть исключение. Таким исключением являются организмы, живущие без воздуха, так как они не нуждаются в поступлении кислорода, то энергетический обмен у них происходит только в два этапа. Кислород в этом процессе не участвует.

Далее мы детально рассмотрим все этапы ЭО в живой природе.

Подготовительный этап

На этой фазе совершается распад больших пищевых полимеров на более мелкие образования. В желудочно-кишечном тракте многоклеточных существ осуществляется ферментативный пищеварительный распад, в то время как у существ одноклеточных он происходит при помощи лизосом (клеточных органоидов, ответственных за расщепление биополимеров).

В это же время полисахариды (высокомолекулярные углеводы) распадаются на дисахариды и моносахариды. Затем белки превращаются в аминокислоты, а жиры в чистый глицерин и прочие жирные соединения.

В результате описанных выше преобразований образуется определенное количество энергии в виде тепла. АТФ при этом еще не образуется. Зато полученные мономеры могут участвовать в метаболизме для синтеза веществ, необходимых для получения силы.

Живая материя использует, прежде всего, углеводы, в то время как жиры, будучи источником энергии первого резерва, исчерпываются по окончании углеродного запаса. Исключением выступают скелетные мышцы, в них предпочтение отдается наличию жиров, а не глюкозе. Белки при этом расходуются гораздо позже, уже после исчерпания запасов углеводов и жиров.

Бескислородный этап

Также второй этап энергетического обмена называется гликолизом. Происходит он в цитоплазме. Главная роль здесь отведена глюкозе, она же является основным источником освобожденной энергии.

Анаэробный гликолиз осуществляется благодаря безкислородному распаду собственно глюкозы, с целью ее превращения в лактат.

Уставшие спортсмены после интенсивной тренировки зачастую чувствуют это вещество в своих мышцах.

Также на этом этапе происходит ферментативное деление органических частиц.

Гликолиз представляет собой многоуровневый процесс бескислородного распада частиц глюкозы. Сама же глюкоза содержит шесть элементов водорода и две единицы пировиноградного соединения.

• Так выглядит гликолиз глюкозы.
• В ходе гликолиза при распадении 1 моля глюкозы выделяется 200 кДж энергии, 60% которых освобождается в виде тепла, а оставшиеся 40% идут на синтез нескольких частиц АТФ из нескольких частиц АДФ.
• Если же в окружении пировиноградного соединения вдруг оказывается кислород, то он переходит из цитоплазмы в митохондрию, еще один важный клеточный органоид, где проходит его участие в 3 этапе энергетического обмена клетки.

Кислородный этап

Кислородный энергетический обмен более сложный, нежели гликолиз, он имеет более сложную структуру, проходит в несколько этапов, являясь, по сути, многоуровневым процессом при участии большого числа ферментов.

В окончании третьего этапа формирования энергии из двух частиц СН3(СО)СООН получается CO2, Н2О и 36 элементов АТФ. Для АТФ создается запас в процессе бескислородного распада C6H12O6.

3 этап энергетического обмена.

Видео

И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

Этапы энергетического обмена

Живой организм построен из клеток. А некоторые, например, амеба или инфузория, состоят из одной клетки. Сложные многоклеточные особи представлены сочетаниями клеток, которые образуют различные системы организма: дыхательную или пищеварительную. Весь организм пронизан клетками нервной ткани, которые обеспечивают регуляцию и управление макроорганизмом.

Живая клетка от неживой отличается тем, что в ней постоянно и непрерывно протекает два разнонаправленных процесса:

• синтез, или строительство новых органелл (пластический обмен или ассимиляция)
• катаболизм, или разрушение питательных элементов с образованием энергии (энергетический обмен или диссимиляция)

В живых особях баланс между ассимиляцией и диссимиляцией поддерживается не всегда. Если наблюдать за жизнью организма, можно заметить, что сначала тело становится больше по размерам, крепче и выносливее. Чем старше становится организм, тем меньше заметен рост, а в старости начинают преобладать процессы распада, организм не успевает восстанавливаться и погибает.

Чтобы машина ехала, ей нужен бензин. А бензин делают из нефти. Чтобы макроорганизм существовал, ему нужна энергия. В учебниках биологии часто можно встретить фразу глюкоза — ресурс энергии для клетки. Это так. Но глюкоза — как нефть для автомобиля. Поэтому сначала глюкозу нужно превратить в бензин. И таким бензином для клетки будет молекула АТФ.

Молекула АТФ известна миру довольно давно. Через десять лет, в 2029 году отпразднует сто лет со дня открытия вещество, благодаря которому в живой клетке поддерживается упорядоченность структур и она может противостоять хаосу и растущей энтропии (почему так происходит, подробно рассказано на странице 30 учебника «Естествознание 11 класс» под редакцией Титова С.А.).

В 1929 году, практически одновременно, сотрудники Института биологии кайзера Вильгельма в Берлине Карл Ломан и Отто Мейергоф и ученые Гарвардской Медицинской школы Сайрус Фиске и Йеллапрагад Суббарао в Гарвардской Медицинской школе опубликовали работы, в которых описали молекулу АТФ.

В 30 годах ХХ века в лаборатории Мейергофа появился молодой ученый, Фриц Липман, который заинтересовался энергетическими аспектами клеточного метаболизма, и в 1941 году талантливый биохимик доказал, что АТФ – основной двигатель энергетических реакций в живой клетке. А в 1953 году его вклад в физиологию совместно с Х. Кребсом был удостоен Нобелевской премии.

АТФ — аденозинтрифосфат, нуклеотид, глобальный ресурс энергии для сложных реакций обмена веществ, происходящих в клетках организма. Схематично молекула АТФ представлена на странице 99 учебника «Естествознание 11 класс» под редакцией Титова С.А..

Вся суть энергетического обмена сводится к решению задачи, как энергию из сложных молекул пищи превратить в молекулу АТФ. В процессе эволюции эта задача была решена.

Так как же булочка из Макдональдса превращается в энергию макроэргических связей АТФ?

В энергетическом обмене выделяют несколько процессов, разделенных не только временем, но и протекающих в различных частях клетки:

• Подготовительный этап
• Гликолиз
• Кислородное окисление

Естествознание. 10 класс. Учебник

Учебник отличаются качественным современным оформлением, в нём приводятся многочисленные слайды и микрофотографии.

Выполняя проблемные, поисковые и исследовательские задания, школьники не только активно усваивают материал, но и учатся мыслить, искать и анализировать информацию из разных источников, в том числе из интернета.

Особое внимание уделяется практическим заданиям: ученикам предлагается проводить опыты, конструировать модели, разрабатывать проекты.

Купить

Подготовительный этап у человека и других многоклеточных макроорганизмов начинается в ротовой полости, продолжается в желудочно-кишечном тракте и представляет собой многоступенчатый процесс распада сложных полимеров белков, жиров и углеводов пищи до мономеров.

Из курса химии помним, что во время разрыва связей элементов выделяется энергия. Для образования аденозинтрифосфата этой энергии недостаточно, и она вся уходит во внешнюю среду.

Что же происходит у простых одноклеточных организмов, у которых нет ротиков и животиков? Пища, захваченная одноклеточным организмом, попадает в пищеварительную вакуоль или лизосому, где при помощи ферментов-катализаторов, способствующих пищеварению, протекает начальный этап диссимиляции.

• Подготовленные во время предварительного этапа вещества переходят во второй бескислородный этап энергетического обмена, который называется гликолиз.
• Два греческих слова (гликос – «сладкий» и лизис – «расщеплять») дали название второй бескислородной фазе энергетического обмена — глико́лизу. 
• Гликолиз является цепочкой из 10 биохимических превращений, итогом которых является трансформация стабильной молекулы глюкозы в трехуглеродные молекулы пирувата, – или пировиноградной кислоты.
• Глюкоза всасывается в желудочно-кишечном тракте, попадает в кровоток, током крови разносится ко всем тканям и клеткам организма, и благодаря белку-переносчику инсулину попадает в клетку.

«Подождите, – могут сказать дотошные ученики, – глюкоза у нас находится в пищеварительной системе. А процессы метаболизма идут в клетках по всему организму, например, на кончике носа или задней лапе. Как же попадает глюкоза в цитоплазму клетки во всем организме?».

Цитоплазма отдельной клетки – место осуществления реакций гликолиза. Энергии при этом выделяется совсем немного. Ее хватает лишь на формирование 2-х молекул АТФ. Казалось бы, энергия получена, и процесс может остановиться.

Так и происходит у некоторых бактерий. Но никакому нормальному многоклеточному организму таких запасов АТФ не хватит.

В пировиноградной кислоте остался еще достаточный запас энергии, которую тоже хотелось бы использовать макроорганизму.

Естествознание. 11 класс. Учебник

Учебник отличаются качественным современным оформлением, в нём приводятся многочисленные слайды и микрофотографии.

Выполняя проблемные, поисковые и исследовательские задания, школьники не только активно усваивают материал, но и учатся мыслить, искать и анализировать информацию из разных источников, в том числе из интернета.

Особое внимание уделяется практическим заданиям: ученикам предлагается проводить опыты, конструировать модели, разрабатывать проекты.

Купить

У многоклеточных тел пируват переходит в третью фазу диссимиляции — клеточное дыхание в митохондриях. Дыханием процесс называется, поскольку в ходе химических реакций в митохондриях происходит потребление кислорода и выделение углекислого газа в цитоплазму клетки, а дальше, с помощью кровообращения и дыхания, – во внешнюю среду.

Клеточное дыхание представлено двумя этапами:

• цикл Кребса, протекающий в матриксе митохондрий
• окислительное фосфорилирование, протекающее на кристах митохондрий при участии ферментов дыхательной цепи

Итогом кислородного этапа энергетического обмена является выделение количества энергии, достаточного для образования 36 молекул АТФ, воды и СО2. При этом нужно помнить, что аденозинтрифосфат содержит три остатка фосфата, а макроэргических связей образуется только две. Суммарное уравнение биохимических реакций, протекающих в третьей фазе диссимиляции, можно записать так:

2C3H4O3+6O2+36H3PO4+36АДФ=6CO2+42H2O+36АТФ

В итоге этих реакций происходит накопление огромного количества энергии — 36 молекул аденозинтрифосфата против 2-х, что запасаются в процессе гликолиза. Однако поскольку эта фаза требует кислорода для своих реакций, в бескислородной среде процесс протекать не может.

При дефиците кислорода пируват окисляется до лактата. Именно ему принадлежит ощущение приятной боли после хорошей тренировки. У хорошо тренированных людей с активным кровоснабжением и хорошо развитой сетью капилляров нужно затратить большую физическую нагрузку перед тем, как начнет накапливаться молочная кислота.

Вспомним, что еще 2 молекулы аденозинтрифосфата накапливаются на этапе гликолиза. Таким образом, при распаде одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.

На портале LECTA В параграфе 22 учебника «Естествознание 11 класс» под редакцией Титова С.А. внимательные ученики найдут ответ на вопрос, почему цианистый калий – любимое средство убийц в детективных романах.

Тест

Энергетический обмен в клетке

Биология-репетитор

гликолиз, Клетка, Энергетический обмен

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.

Процессы расщепления органических соединений у аэробных организмов происходят в три этапа, каждый из которых сопровождается несколькими ферментативными реакциями. Участие ферментов снижает энергию активации химических реакций, благодаря чему энергия выделяется не сразу (как при зажигании спички), а постепенно.

• Первый этап — подготовительный. В желудочно-кишечном тракте многоклеточных организмов он осуществляется пищеварительными ферментами. У одноклеточных — ферментами лизосом. На первом этапе происходит расщепление белков до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, полисахаридов до моносахаридов, нуклеиновых кислот до нуклеотидов. Этот процесс называют пищеварением.
• Второй этап — бескислородный (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.
  В ходе гликолиза образуется большое количество энергии, часть которой рассеивается в виде тепла, а часть используется на синтез АТФ.
  Суммарное уравнение реакций гликолиза выглядит следующим образом:
  
  Молекула С3Н4О3 — пировиноградная кислота, или пируват, может восстанавливаться до этилового спирта при спиртовом брожении у дрожжей или в клетке растений, а может превращаться в лактат, как это происходит у некоторых бактерий или в мышцах животных:
  СН3СОСООН + НАДН → С3Н6O3 + НАД + лактат.
• Третий этап — кислородный, состоящий из цикла Кребса и окислительного фосфорилирования. Он стал возможным после накопления в атмосфере достаточного количества молекулярного кислорода. Происходит в митохондриях клеток.

Рис. 13. Схема синтеза АТФ в митохондриях

Пировиноградная кислота (ПВК), попав в митохондрии, взаимодействует с коферментом А (КоА). В результате образуется ацетилкофермент А, который включается в цикл Кребса, названный по имени нобелевского лауреата Ганса Кребса.

Суммарная реакция гликолиза и цикла Кребса:

C6H12O6 + 6Н2O + 6СO2 + 4АТФ + 8НАДН2 + 2НАДФН2 + + 2ФАДН2.

Большая часть энергии сберегается в переносчиках электронов — НАД и ФАД. Энергия молекул-переносчиков используется в следующей стадии — стадии окислительного фосфорилирования.

Окислительное фосфорилирование (клеточное дыхание) происходит на внутренних мембранах митохондрий, в которые встроены молекулы — переносчики электронов. В ходе этой стадии освобождается большая часть метаболической энергии. Молекулы-переносчики транспортируют электроны к молекулярному кислороду. Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть расходуется на образование АТФ.

АТФ образуется в результате работы протонной помпы, протаскивающей протоны Н+ через канал АТФ-азы на внутреннюю поверхность мембраны. Протоны, взаимодействуя с кислородом, образуют воду, а энергия протонов используется для фосфорилирования АДФ в АТФ.

Реакции в дыхательной цепи:

• НАД(Ф)Н2+ O2 НАД(Ф) + Н2O + ЗАТФ;
• ФАДН2 + O2 → ФАД + Н2O = 2АТФ.

Суммарная реакция энергетического обмена:

• С6Н12О6 + 6O2 6СO2 + 6Н2O + 38АТФ.

Энергетический обмен в ЕГЭ по биологии ⋆ MAXIMUM Блог

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?

Для начала нужно разобраться, что такое энергетический обмен и какие у него есть особенности.

Уверена, что вы встречали в тестах слова «катаболизм» и «диссимиляция», эти названия являются синонимами термина «энергетический обмен», советую их запомнить.

Что же такое энергетический обмен? Это реакции, при которых органические вещества расщепляются, а энергия запасается клеткой в молекулах АТФ. Эту энергию клетка потом потратит на дальнейшую жизнедеятельность.

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.

Второй этап имеет сразу несколько названий. Например, бескислородный или анаэробный, так как он происходит без участия кислорода.

Еще одно название — гликолиз («глико» — сахар, «лизис» — расщепление).  Глюкоза расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты (ПВК), при этом энергия запасается в виде двух молекул АТФ.

  Легко запомнить: во время второго этапа выделяется две ПВК и две АТФ. Гликолиз проходит в цитоплазме клетки. 

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.

Сдаешь биологию? Тест по школьной программе для тебя!

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. 

Ответ: 236

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

ХАРАКТЕРИСТИКА	ЭТАП ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА
A) происходит в аэробных условияхБ) происходит в цитоплазмеB) образуется молочная кислотаГ) образуется пировиноградная кислотаД) синтезируется 36 молекул АТФ	1) гликолиз2) 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.

Ответ: 21112

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

Решение: 

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). 

Как видите, энергетический обмен — важная часть ЕГЭ по биологии. Справиться с заданиями достаточно просто, если знать, что происходит на каждом из этапов.

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.