Энергетический обмен – биология

Энергетический обмен

Клеточное дыхание. Высвобождение потенциальной энергии химических связей. Образующиеся в процессе фотосинтеза органические вещества и заключенная в них химическая энергия служат источником веществ и энергии для осуществления жизнедеятельности всех организмов.

Однако использование животными, грибами, многими бактериями создаваемых зелеными растениями органических веществ, синтез на их основе специфических для каждого вида соединений возможны лишь после предварительных преобразований, которые заключаются в расщеплении этих сложных веществ до мономеров и низкомолекулярных веществ: полисахаридов — до моносахаридов, белков — до аминокислот, нуклеиновых кислот —до нуклеотидов, жиров —до высших карбоновых кислот и глицерина.

Это же касается и содержащейся в органических веществах энергии. Будучи заключенной в химических связях, она недоступна для непосредственного использования клетками, в том числе и клетками растений, которые преобразовали эту энергию из световой в химическую. Для этого потенциальная энергия органических молекул должна быть высвобождена и переведена в пригодную для использования форму.

Образование и накопление энергии, доступной клетке, происходит в процессе клеточного дыхания.

Для осуществления клеточного дыхания большинству организмов необходим кислород — в этом случае говорят об аэробном дыхании или аэробном высвобождении энергии.

Однако некоторые организмы могут получать энергию из пищи без использования свободного атмосферного кислорода, т. е. в процессе так называемого анаэробного дыхания (анаэробного высвобождения энергии).

Таким образом, исходными веществами для дыхания служат богатые энергией органические молекулы, на образование которых в свое время была затрачена энергия. Основным веществом, используемым клетками для получения энергии, является глюкоза.

Аэробное (кислородное) дыхание. Процесс аэробного дыхания можно условно разделить на несколько последовательных этапов. Первый этап —подготовительный, или этап пищеварения, включающий в себя расщепление полимеров до мономеров. Эти процессы происходят в пищеварительной системе животных или цитоплазме клеток. На данном этапе не происходит накопления энергии в молекулах АТФ.

Следующий этап — бескислородный, или неполный. Он протекает в цитоплазме клеток без участия кислорода.

На данном этапе дыхательный субстрат подвергается ферментативному расщеплению. Примером такого процесса является гликолиз — многоступенчатое бескислородное расщепление глюкозы.

В реакциях гликолиза шестиуглеродная молекула глюкозы (С6 расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты (С3). При этом от каждой молекулы глюкозы отщепляется четыре атома водорода и образуются две молекулы АТФ.

Атомы водорода присоединяются к переносчику НАД (никотинамидаденинди-нуклеотид), который переходит в свою восстановленную форму НАД – Н + Н+ (НАД очень сходен с НАДФ, т. е. с переносчиком атомов водорода при фотосинтезе).

Суммарная реакция гликолиза имеет вид:

Полезный выход энергии этого этапа — две молекулы АТФ, что составляет 40%; 60% рассеивается в виде тепла.

Наиболее важным является кислородный этап аэробного дыхания. Он протекает в митохондриях и требует присутствия кислорода.

Продукт гликолиза — пировиноградная кислота — заключает в себе значительную часть энергии, и дальнейшее ее высвобождение осуществляется в митохондриях. Здесь пировиноградная кислота подвергается ферментативному расщеплению

:

Углекислый газ выделяется из митохондрий в цитоплазму клетки, а затем в окружающую среду.

Атомы водорода, акцептированные НАД и ФАД (кофермент флавинадениндинуклеотид), вступают в цепь реакций, конечный результат которых — синтез АТФ. Это происходит в следующей последовательности (рис. 1.22):

Рис. 1.22. Схема переноса протонов и электронов через внутреннюю мембрану митохондрии в ходе кислородного этапа клеточного дыхания (электронтранспортная цепь).

• атомы водорода отщепляются от НАД и ФАД, захватываются переносчиками, встроенными во внутреннюю мембрану митохондрий, где происходит их окисление: 
• Н+ выносятся переносчиками на наружную поверхность крист, накапливаются в межмембранном пространстве, образуя протонный резервуар;
• электроны (е-) атомов водорода возвращаются по цепи дыхательных ферментов в матрикс и присоединяются к атомам кислорода, который постоянно поступает в митохондрию. Атомы кислорода при этом становятся отрицательно заряженными: На мембране возникает разность потенциалов. Когда разность потенциалов достигает 200 мВ, начинает действовать протонный канал в молекулах фермента АТФ-синтетазы, которые встроены во внутреннюю мембрану;
• через протонный канал Н- устремляются обратно в матрикс митохондрий, создавая высокий уровень энергии, большая часть которой идет на синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты, а протоны соединяются с отрицательно заряженными частицами кислорода, образуя воду — второй конечный продукт клеточного дыхания:

Таким образом, кислород, поступивший в митохондрии, необходим для присоединения электронов, а затем и протонов. При отсутствии кислорода процессы, связанные с транспортом протонов и электронов в митохондриях, прекращаются, а следовательно, невозможно протекание и бескислородного этапа, так как все переносчики атомов водорода оказываются загруженными.

Аэробное дыхание, включающее бескислородный и кислородный этапы, можно выразить суммарным уравнением:

При распаде молекулы глюкозы высвобождается 200 кДж/ моль. В АТФ запасается 55% энергии, остальная рассеивается в виде тепла.

Анаэробное дыхание. При отсутствии или недостатке кислорода, играющего роль конечного акцептора электронов в кислородном дыхании, цепь передачи электронов через мембрану не осуществляется, а значит, не создается протонный резервуар, обеспечивающий энергией синтез АТФ.

В этих условиях клетки способны синтезировать АТФ, расщепляя питательные вещества в процессе анаэробного дыхания. Анаэробное дыхание осуществляют многие виды бактерий, микроскопические грибы и простейшие.

Некоторые клетки, временами испытывающие недостаток кислорода (например, мышечные клетки или клетки растений), тоже обладают способностью к анаэробному дыханию.

Анаэробное дыхание — эволюционно более ранняя и энергетически менее рациональная форма получения энергии из питательных веществ по сравнению с кислородным дыханием.

В основе анаэробного дыхания лежит процесс, в ходе которого глюкоза расщепляется до пировиноградной кислоты и высвобождаются атомы водорода. Акцептором атомов водорода, отщепляемых в результате дыхания, является пировиноградная кислота, которая превращается в молочную. Схематически ход анаэробного дыхания можно выразить следующими уравнениями:

Описанный процесс получил название молочнокислого брожения. Суммарно этот процесс можно выразить следующим уравнением:

:

Молочнокислое брожение осуществляют молочнокислые бактерии (например, кокки из рода стрептококк). Образование молочной кислоты по такому типу происходит также в животных клетках в условиях дефицита кислорода.

В природе широко распространено спиртовое брожение, которое осуществляют дрожжи. В отсутствие кислорода дрожжевые клетки образуют из глюкозы этиловый спирт и СО;.

Вначале спиртовое брожение идет аналогично молочнокислому, но последние реакции приводят к образованию этилового спирта.

От каждой молекулы пи-ровиноградной кислоты отщепляется молекула С02, и образуется молекула двууглеродного соединения —уксусного альдегида, который затем восстанавливается до этилового спирта атомами водорода:

Суммарное уравнение:

Спиртовое брожение, кроме дрожжей, осуществляют некоторые анаэробные бактерии. Этот тип брожения наблюдается в растительных клетках в отсутствие кислорода.

Наиболее распространенным питательным веществом, которое используется для анаэробного высвобождения энергии, является глюкоза. Однако следует помнить, что любое органическое вещество при соответствующих условиях может выступать источником энергии для синтеза АТФ.

При недостатке в клетке глюкозы в дыхание могут вовлекаться жиры и белки. Продуктами брожения являются различные органические кислоты (молочная, масляная, муравьиная, уксусная), спирты (этиловый, бутиловый, амиловый), ацетон, а также углекислый газ и вода.

Источник : Н.А. Лемеза Л.В.Камлюк Н.Д. Лисов “Пособие по биологии для поступающих в ВУЗы”

Источник: http://sbio.info/materials/obbiology/obbkletka/obmenvesh/21

Энергетический обмен – что это и какие он имеет этапы :

Обмен веществ — это все химические реакции, происходящие в клетках живых организмов, его еще называют метаболизмом. Он разделяется на анаболизм и катаболизм, то есть энергетический обмен. Первый подразумевает образование из простых химических соединений более сложных. Этот процесс еще называется пластическим обменом.

Для его осуществления необходима энергия, которая получается клеткой за счет катаболизма. С помощью этого процесса клетка синтезирует необходимые нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды и тому подобное. Все эти вещества могут выступать в роли строительного материала для клетки и организма в целом, выполнять функцию ферментов, гормонов и т. д.

На втором процессе — энергетическом обмене — мы остановимся более подробно.

Что такое катаболизм?

Энергетический обмен — это процесс, на протяжении которого вещества, имеющие сложную структуру, расщепляются на более простые либо окисляются, вследствие чего организм получает энергию, необходимую для жизни. Катаболизм включает в себя несколько этапов, на протяжении которых происходят различные химические реакции. Их выделяют три.

Этапы энергетического обмена

Перечисляя этапы катаболизма, можно выделить подготовительный, анаэробный (без участия кислорода) и аэробный (с применением оксигена).

Подготовительный этап

В это время сложные молекулы таких соединений, как белки, углеводы и липиды, расщепляются на более простые, также на этом этапе полимеры превращаются в мономеры. Данный процесс происходит вне клетки, в органах пищеварительной системы. В этом участвуют желудочный сок и разнообразные ферменты.

Кислород на этом этапе для реакций не требуется. В результате реакций, произошедших в это время, белки денатурируют и распадаются на аминокислоты, сложные углеводы превращаются в простые моносахариды, из липидов образуется глицерин и высшие кислоты.

Часть процессов данного этапа происходит также в лизосомах клетки под воздействием ферментов гидролаз.

Второй этап — анаэробное брожение

Энергетический обмен имеет этап брожения, который еще называется гликолизом. Здесь также не требуется участия кислорода в химических реакциях. В принципе, брожению могут подвергаться очень многие органические вещества, но в основном это углеводы.

В процессе химических реакций, используемых на данном этапе катаболизма, образуются спирты, углекислый газ, ацетон, органические кислоты, в некоторых случаях водород и другие вещества.

Бактерии, одноклеточные грибы и растения, активно совершающие брожение, широко используются в промышленности, к примеру, для добычи этилового спирта, производства сыров и других молочнокислых продуктов, в хлебобулочной отрасли для изготовления теста. Брожение еще называется неполным окислением.

Реакции, которые происходят на этой стадии, и их использование

Примером химических реакций, которые проходят на этой стадии, можно назвать самую распространенную — спиртовое брожение.

Это процесс расщепления глюкозы либо фруктозы под воздействием специальных ферментов, при котором выделяется углекислый газ и этиловый спирт, а также образуются молекулы АТФ. Уравнение данной химической реакции выглядит так: С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + СО2 + 2АТФ.

Именно организмы, использующие такую реакцию для получения необходимой энергии, применяются в промышленности для изготовления спиртных напитков. В результате процесса, который используют для получения энергии молочнокислые бактерии, образуется молочная кислота.

Уравнение выглядит следующим образом: С6Н12О6 = С3Н6О3 + 2АТФ. В клетках животных и грибов распространена реакция, в результате которой выделяется пировиноградная кислота. Этот процесс выглядит так: С6Н12О6 = 2С3Н4О3 + (4Н) + 2АТФ.

Третий и последний этап — клеточное дыхание

Он происходит в митохондриях. На этой стадии осуществляется окисление веществ, за счет чего высвобождается определенное количество энергии. В такого рода процессах, как уже можно было догадаться, принимает участие кислород.

К разным тканям многоклеточных организмов он поставляется с помощью эритроцитов, содержащих гемоглобин для его переноски. На этой стадии клетка расщепляет полученные в предыдущих этапах вещества до самых простых — углекислого газа и воды. Эти два вещества обязательно образуются вследствие обычного сгорания любого органического вещества.

Для того чтобы выполнить полное окисление органического соединения в сотни тысяч раз быстрее, чем оно могло бы сгореть, и без использования сверхвысоких температур, клетке необходимы разнообразные ферменты, которые содержатся в лизосомах.

Также для получения энергии вследствие клеточного дыхания необходимо вещество АДФ — аденозиндифосфат, который также используется во многих других целях. Основную химическую реакцию, которая используется на данном этапе энергетического обмена, можно записать следующим образом: 2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ = 6СО2 + 42Н2О + 36АТФ.

Из уравнения видно, что при такого рода процессе выделяется немалое количество энергии. Также на этой стадии может происходить реакция полного окисления пировиноградной кислоты, в результате которого также выделяется энергия, но в меньшем количестве.

Как в атмосфере образуется кислород?

В связи с тем, что основным процессом, в котором и заключается энергетический обмен у животных, некоторых бактерий и грибов, является именно клеточное дыхание, кислород для этих организмов жизненно необходим. А такому высокому его содержанию в атмосфере нашей планеты мы обязаны растениям — легким Земли.

Они дают нам кислород и забирают из воздуха углекислый газ в процессе фотосинтеза, с помощью которого они из простых неорганических веществ получают необходимые для них органические (чаще всего глюкозу или фруктозу). Процесс фотосинтеза происходит благодаря солнечной энергии, которая служит ускорителем для такого рода химических реакций.

Уравнение фотосинтеза можно записать следующим образом: 6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2.

Рассмотренные в этой статье процессы еще раз доказывают, что в природе все взаимосвязано: фотосинтез происходит с использованием углекислого газа, ненужного животным, а энергетический обмен у последних невозможен без кислорода, который выделяется растениями как побочный продукт фотосинтеза.

Какие органеллы клетки принимают участие в энергетическом обмене?

В первую очередь это митохондрии, именно в них и происходит весь процесс клеточного дыхания. На их кристах окисляются вещества, которые были получены в процессе анаэробного брожения, то есть на втором этапе энергетического обмена. Также это лизосомы, уже неоднократно упомянутые в тексте.

Они содержат в своей полости, ограниченной мембраной, ряд необходимых для всех реакций ферментов. В цитоплазме клетки с помощью этих органоидов происходит процесс неполного окисления (гликолиза) органических соединений.

Продукты, образованные на этом этапе при участии ферментов, содержащихся в лизосомах, служат сырьем для последующего клеточного дыхания, происходящего в митохондриях.

Кроме того, в этих процессах принимают участие микротрубочки, которые транспортируют вещества по клетке, а также плазматическая мембрана, которая содержит специальные белки, переносящие из окружающей среды в цитоплазму определенные нужные для энергетического обмена химические соединения.

Источник: https://www.syl.ru/article/141275/mod_energeticheskiy-obmen—chto-eto-i-kakie-on-imeet-etapyi

Описание процессов пластического и энергетического обмена в клетке: этапы, различия и примеры

Главная > Наука > Биология > Процессы пластического и энергетического обмена в клетке

Работа всех систем в организме непрерывна. В нём постоянно протекают сложные химические реакции, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность. Одним из самых важных процессов является обмен веществ и энергии, то есть метаболизм.

Именно благодаря ему, клетки сохраняют постоянство состава, растут, функционируют, а также обновляются. Процесс этот непростой и состоит из двух видов обмена — пластического и энергетического, которые, в свою очередь, имеют несколько стадий.

В организме непрерывно происходит как расщепление сложных веществ на более простые, так и синтез необходимых соединений из различных элементов.

В результате первого типа реакций, который называется энергетическим обменом, или катаболизмом, тело человека получает необходимую для нормального функционирования энергию.

Но её часть расходуется на создание новых соединений, которые нужны для жизнедеятельности. Такой процесс носит название пластического обмена, или анаболизма.

Энергетический обмен

Катаболизм, называемый также диссимиляцией, происходит вплоть до того момента, пока все питательные вещества, поступившие в организм, не расщепятся до углекислого газа, воды или других простых соединений, которые уже нельзя использовать.

Этот процесс аналогичен горению, ведь в его результате выделяются те же вещества. Но он происходит с куда большей скоростью и не нуждается в высоких температурах. Кроме того, важным отличием является то, что энергия не переходит в тепловую, чтобы безвозвратно рассеяться, а запасается для дальнейших нужд организма. Это делает процесс невероятно эффективным и уникальным.

Распад веществ для получения организмом энергии — это то, что характеризует энергетический обмен в клетке. Происходит он в несколько стадий:

• подготовительная;
• неполная (анаэробное дыхание);
• аэробное дыхание.

Каждая из этих стадий имеет свои особенности и играет важную роль в метаболизме в целом. Далее будет более подробно рассказано про каждую из них.

Подготовительный этап

Единственная из стадий, которая протекает в желудочно-кишечном тракте. Она заключается в пищеварении, то есть распаде сложных органических соединений на простые.

Распад у сложных организмов осуществляется под действием пищеварительных ферментов, а у одноклеточных — с помощью лизосом.

При этом белки распадаются на аминокислоты, жиры — на алифатические карбоновые кислоты и глицерин, углеводы — на сахариды, нуклеиновые кислоты — на нуклеотиды.

• Обмен белков. Когда белки попадают в организм в составе пищи, они распадаются до аминокислот, которых в организме человека около 20 видов. Часть аминокислот распадается далее до диоксида углерода, который устраняется с дыханием, а также воды и аммиака. Последний с помощью печени превращается в мочевину и выводится из организма вместе с водой. Энергия, которая выделяется при таком распаде, также запасается организмом, но обычно до этой стадии не доходит, поскольку не распавшиеся аминокислоты используются для построения новых белков, необходимых человеку. Особенно полезны в этом смысле животные белки, поскольку растительные проигрывают им по своей ценности.

• Обмен углеводов. Углеводы — очень важные элементы питания человека. Именно их распад обеспечивает организм самым большим количеством энергии. Она необходима не только для физической, но и для умственной работы. Особый вклад в работу мозга делает глюкоза, попадающая в кровь. Снижение её количества в 2 раза приводит к гибели организма. 150 г — необходимая ежесуточная доза для нормальной работы мозга и мышц, но, конечно, не стоит употреблять слишком много углеводов, поскольку избыток откладывается в организме, что выражается в жировых отложениях.
• Обмен жиров. Разложение растительных и животных жиров до жирных кислот и глицерина, а затем и до воды с углекислым газом обеспечивает организм ещё большей энергией, чем распад углеводов. Липиды также поступают в кровь и обогащают внутренние органы (например, печень, почки), но не подходят для мозговых процессов, вот почему углеводы считаются лучшим источником энергии. Кроме того, избыток липидов также приводит к ожирению, поэтому не стоит употреблять их в количестве, превышающем 80 г в сутки.
• Обмен нуклеиновых кислот. Нуклеопротеиды играют важную роль в хранении наследственной информации, а также контроле метаболизма и его скорости, но не делают в организм какого-либо существенного энергетического вклада. Они распадаются на полипептиды, которые в дальнейшем повторяют процессы, происходящие при обмене белков, описанные выше. Нуклеиновые кислоты распадаются до мононуклеотидов, из которых организм будет строить новые соединения.
• Обмен воды и минералов. Вода — основная составляющая человеческого организма. Её потери необходимо ежедневно компенсировать, выпивая чистую воду и употребляя пищу, богатую этой жидкостью. Вместе с водой и едой в организм поступают макро-, микро- и ультрамикроэлементы.

При всех этих процессах дополнительно выделяется энергия в виде тепла, но не в самых больших количествах. Далее процессы происходят на клеточном уровне.

Анаэробное дыхание

Эта стадия называется также гликолизом применительно к царству животных, или брожением, если имеются в виду растения и микроорганизмы. Весь процесс происходит в цитоплазме клеток за счёт работы ферментов.

Он продолжает предыдущую стадию тем, что из моносахарида, коим является глюкоза, выделяются ещё более простые вещества — спирт и углекислый газ, а также кислоты.

Этот вид обмена универсален для всех организмов и используется даже в повседневной жизни. Поскольку он протекает и в бактериях, его широко применяют в пищевой промышленности: дрожжи производят этиловый спирт, кисломолочные бактерии — молочную кислоту, а животные клетки — пировиноградную. В некоторых микроорганизмах выделяется ацетон и этановая кислота.

При этом также выделяется энергия, часть которой запасается в двух молекулах аденозинтрифосфата (АТФ), и некоторое количество рассеивается с выделением тепла. Но двух молекул АТФ недостаточно для полноценной работы организма, поэтому за анаэробным этапом последует кислородное расщепление.

Аэробное дыхание

Другие названия этого этапа — клеточное дыхание, или кислородное расщепление.

Как видно из названия, процесс невозможен без кислорода, который выступает в роли окислителя продуктов распада глюкозы. Помимо кислорода, в работе участвует фосфорная кислота и аденозиндифосфат (АДФ).

Под действием ферментов они без повышения температуры моментально сжигают органические вещества до углекислого газа и воды.

Благодаря окислению из одной молекулы вещества (образовавшиеся на предыдущем этапе молочная, пировиноградная кислоты и так далее) клетка получает 18 АТФ, каждая из которых служит мощным источником энергии. Этот этап происходит в митохондриях клетки и является самым важным во всём энергетическом обмене, так как обеспечивает клетку большим количеством АТФ.

Пластический обмен

Пластический обмен ещё называется анаболизмом, ассимиляцией и биосинтезом.

Он является не менее важной составляющей метаболизма, ведь именно пластический обмен в клетке характеризуется синтезом новых веществ, что обеспечивает образование ферментов, гормонов, а также белков, липидов и других веществ, участвующих в построении клеток, межклеточного пространства и других составляющих организма. Так же, как и энергетический обмен, он является сложным и протекает во многих организмах. Далее будут приведены примеры и процессы пластического обмена.

• Фотосинтез, который свойственен растениям, а также некоторым бактериям. Они называются автотрофами, поскольку способны самостоятельно синтезировать необходимые для жизни органические вещества из неорганических соединений.
• Хемосинтез протекает у бактерий, называемых хемотрофами. И они также могут обеспечивать себя необходимыми органическими соединениями. Для их жизнедеятельности не нужен кислород, они используют диоксид углерода.
• Биосинтез белков осуществляется в живых организмах. К ним относятся и гетеротрофы, которые, в отличие от двух предыдущих упоминаемых форм, неспособны самостоятельно обеспечивать себя органическими веществами, а поэтому получают их с помощью других организмов.

Остановимся на этих процессах более подробно.

Фотосинтез

Процесс, без которого не была бы возможна жизнь на Земле. Многим формам жизни для дыхания нужен кислород взамен выдыхаемого ими в воздух углекислого газа. Этим важным веществом нас обеспечивают растения, в зелёных листьях которых содержатся хлоропласты.

Их окружает пара мембран, поскольку внутри хлоропласта в цитоплазме содержатся ценные граны с собственными защитными оболочками.

В этих стопках тилакоидов, в свою очередь, присутствует хлорофилл, отвечающий за цвет растения, но главное — делающий процесс фотосинтеза возможным.

Осуществляется он посредством соединения шести молекул углекислого газа с водой, в результате чего образуется глюкоза. Побочным продуктом реакции является жизненно необходимый кислород. Процесс возможен только на свету, при использовании солнечной энергии.

Хемосинтез

Хемосинтез протекает у микроорганизмов, также способных к самостоятельному преобразованию неорганических соединений в органические. К ним относятся:

• железобактерии (окисляют соли железа);
• водородные (молекулы водорода);
• серные (сернистый водород);
• нитрифицирующие (аммиак из гниющих остатков растений);
• тионовые (молекулы серы, а также её соединения в виде солей).

Окисление углекислого газа происходит без участия кислорода, с использованием запасённой ранее энергии. Из диоксида углерода синтезируются органические вещества, необходимые для жизнедеятельности.

Биосинтез белков

Сложный процесс, направленный на разложение попадающих в организм белков на составляющие, из которых впоследствии синтезируются собственные уникальные белки. Состоит из двух стадий.

Транскрипция — процесс, состоящий из трёх этапов (образование транскрипта, процессинг, сплайсинг), которые происходят в ядре клетки. Они направлены на создание информационной РНК (иРНК) из ДНК. В результате новый полимер полностью копирует небольшой участок нити ДНК с той разницей, что тимину в нём эквивалентен урацил.

Трансляция — перенос информации с синтезированной на предыдущем этапе молекулы РНК на строящийся полипептид с указаниями о его будущей структуре. Процесс происходит на рибосомах, расположенных в цитоплазме клетки. Они имеют овальную форму и состоят из частей, которые могут соединяться только при наличии иРНК. Сам перенос информации осуществляется в несколько этапов.

1. Под действием ферментов и при участии АТФ аминокислоты проходят активацию с образованием аминоациладенилата.
2. Аминоксилота связывается с транспортной РНК (тРНК) с выделением аденозинмонофосфата (АМФ).
3. Образованный на предыдущем этапе комплекс объединяется с рибосомой.
4. Аминокислоты подставляются в структуры пептида и освобождают тРНК.

Итак, все вещества, поступающие в живой организм, распределяются в нём так, чтобы приносить ему пользу.

Сложные распадаются с выделением энергии, необходимой для дальнейшей жизнедеятельности (например, выполнение физической или умственной работы человеком), запасаемой в АТФ.

А из простых веществ организм синтезирует новые соединения с использованием энергии, накопившейся в универсальном источнике — молекуле той самой АТФ. При этом энергия не расходуется безвозвратно — она запасается в новых соединениях.

Диссимиляция и ассимиляция в корне отличаются друг от друга, но при этом они неразрывно связаны. Ведь именно катаболизм даёт энергию, без которой невозможен анаболизм, то есть синтез необходимых организму веществ. Вот почему эти два процесса являются очень важными.

Источник: https://obrazovanie.guru/nauka/biologiya/protsessy-plasticheskogo-i-energeticheskogo-obmena-v-kletke.html

Энергетический обмен

Энергию, необходимую для жизнедеятельности, большинство организмов получает в результате процессов окисления органических веществ, т.е. в результате катаболических реакций. Важнейшим соединением, выступающим в роли «топлива», является глюкоза.

Группы организмов по отношению к свободному кислороду

Организмы делятся на три группы:

1. аэробы (облигатные аэробы) — организмы, способные жить только в кислородной среде (животные, растения, некоторые бактерии и грибы);
2. анаэробы (облигатные анаэробы) — организмы, неспособные жить в кислородной среде (некоторые бактерии);
3. факультативные формы (факультативные анаэробы) — организмы, способные жить как в присутствии кислорода, так и без него (некоторые бактерии и грибы).

У облигатных аэробов и факультативных анаэробов в присутствии кислорода катаболизм протекает в три этапа: подготовительный; бескислородный; кислородный.

В результате органические вещества распадаются до неорганических соединений. У облигатных и факультативных анаэробов при недостатке кислорода катаболизм протекает в два первых этапа: подготовительный и бескислородный.

В результате образуются промежуточные органические соединения, еще богатые энергией.

Этапы катаболизма

Первый этап — подготовительный — заключается в ферментативном расщеплении сложных органических соединений на более простые:

• белки расщепляются до аминокислот;
• жиры — до глицерина и жирных кислот;
• полисахариды — до моносахаридов;
• нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов.

У многоклеточных организмов это происходит в желудочно-кишечном тракте, у одноклеточных — в лизосомах под действием гидролитических ферментов. Высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде теплоты. Образовавшиеся органические соединения либо подвергаются дальнейшему окислению, либо используются клеткой для синтеза собственных органических соединений.

Второй этап — неполное окисление (бескислородный) — заключается в дальнейшем расщеплении органических веществ, осуществляется в цитоплазме клетки без участия кислорода.

Главный источник энергии в клетке — глюкоза. Бескислородное, неполное окисление глюкозы называют гликолизом. В результате гликолиза одной молекулы глюкозы образуется по две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК, пируват) CH3COCOOH, АТФ и воды, а также атомы водорода, которые связываются молекулой-переносчиком НАД+ и запасаются в виде НАД • H.

Суммарная формула гликолиза имеет следующий вид:

C6H12O6 + 2H3PO4 + 2АДФ + 2НАД+ → 2C3H4O3 + 2H2O + 2АТФ + 2НАД • H

Далее при отсутствии в среде кислорода продукты гликолиза (ПВК и НАД • H) перерабатываются либо в этиловый спирт (спиртовое брожение наблюдается в клетках дрожжей и растений при недостатке кислорода)

CH3COCOOH → CO2 + CH3COH
CH3COH + 2НАД • H → C2H5OH + 2НАД+,

либо в молочную кислоту (молочнокислое брожение наблюдается в клетках животных при недостатке кислорода)

CH3COCOOH + 2НАД • H → C3H6O3 + 2НАД+

При наличии в среде кислорода продукты гликолиза претерпевают дальнейшее расщепление до конечных продуктов.

Третий этап — полное окисление (дыхание) — заключается в окислении ПВК до углекислого газа и воды, осуществляется в митохондриях при обязательном участии кислорода. Этот этап состоит из трех стадий:

1. образования ацетилкоэнзима A;
2. окисления ацетилкоэнзима A в цикле Кребса;
3. окислительного фосфорилирования в электронотранспортной цепи.

На первой стадии ПВК переносится из цитоплазмы в митохондрии, где взаимодействует с ферментами матрикса и образует: диоксид углерода, который выводится из клетки; атомы водорода, которые молекулами-переносчиками доставляются к внутренней мембране митохондрии; ацетилкофермент A (ацетил-KoА).

На второй стадии происходит окисление ацетилкоэнзима A в цикле Кребса. Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты) — это цепь последовательных реакций, в ходе которых из одной молекулы ацетил-KoA образуются: две молекулы диоксид углерода; молекула АТФ; четыре пары атомов водорода, передаваемые на молекулы-переносчики — НАД и ФАД.

Таким образом, в результате гликолиза и цикла Кребса молекула глюкозы расщепляется до CO2, а высвободившаяся при этом энергия расходуется на синтез четырех АТФ и накапливается в десяти НАД • H и четырех ФАД • H2.

На третьей стадии атомы водорода с НАД • H и ФАД • H2 окисляются молекулярным кислородом O2 с образованием воды. Один НАД • H способен образовывать три АТФ, а один ФАД • H2 — две АТФ. Таким образом, выделяющаяся при этом энергия запасается в виде еще 34АТФ.

Этот процесс протекает следующим образом. Атомы водорода концентрируются около наружной стороны внутренней мембраны митохондрии. Они теряют электроны, которые по цепи молекул-переносчиков (цитохромов) электронотранспортной цепи (ЭТЦ) переносятся на внутреннюю сторону внутренней мембраны, где соединяются с молекулами кислорода:

O2 + e— → O2—

В результате деятельности ферментов цепи переноса электронов внутренняя мембрана митохондрий изнутри заряжается отрицательно (за счет O2—), а снаружи — положительно (за счет H+). Таким образом между ее поверхностями создается разность потенциалов.

Во внутреннюю мембрану митохондрий встроены молекулы фермента АТФ-синтетазы, обладающие ионным каналом.

Когда разность потенциалов на мембране достигает критического уровня, положительно заряженные частицы H+ силой электрического поля начинают проталкиваться через канал АТФазы и, оказавшись на внутренней поверхности мембраны, взаимодействуют с кислородом, образуя воду:

½O2— + 2H+ → H2O

Энергия ионов водорода H+, транспортирующихся через ионный канал внутренней мембраны митохондрии, используется для фосфорилирования АДФ в АТФ:

АДФ + Ф → АТФ

Такое образование АТФ в митохондриях при участии кислорода называют окислительным фосфорилированием.

Суммарное уравнение расщепления глюкозы в процессе клеточного дыхания:

C6H12O6 + 6O2 + З8H3PO4 + 38АДФ → 6CO2 + 44H2O + 38АТФ

Таким образом, в ходе гликолиза образуются две молекулы АТФ, в ходе клеточного дыхания — еще 36АТФ, в целом при полном окислении глюкозы — 38АТФ.

Источник: http://jbio.ru/energeticheskij-obmen

Энергетический обмен. Дыхание

Здравствуйте, уважаемые читатели блога репетитора  биологии по Скайпу biorepet-ufa.ru.

В этой статье, посвященной теме энергетического обмена в клетках, будут рассматриваться процессы расщепления  углеводов как основных органических веществ, служащих для энергетических нужд организмов.

Большинство живых существ на Земном шаре являются аэробными организмами. То есть для жизни им необходим кислород воздуха.

Но на вопрос  для чего мы дышим,

большинство ответит: «для того, чтобы кровь, а посредством нее и все ткани организма насытить кислородом». И всё!

А для чего надо ткани насыщать кислородом? Этот вопрос уже   ставит в затруднительное положение многих.  

Как репетитор биологии по Скайпу,  должен подчеркнуть, что  потребляемый аэробными организмами КИСЛОРОД необходим лишь для того, чтобы попасть в МИТОХОНДРИИ  и осуществить окисление органических веществ для выработки энергии АТФ.

Отсюда и двойное название у  митохондрий. Их  называют и    дыхательным центром и энергетическими станциямиклетки.  Выходит,  кислород больше ни для чего  и не нужен.

Меньшая часть организмов на Земле получают энергию не используя кислород для расщепления органических веществ (анаэробные организмы), но их энергетический обмен протекает с гораздо меньшей эффективностью, чем у аэробов.

 Разберем вкратце все три этапа энергетического обмена у аэробных организмов

Первый этап энергетического обмена, называется подготовительным. Он заключается в расщеплении крупных молекул органических веществ  до более мелких составных частей при участии воды (реакции гидролиза):

а) если расщеплению подвергаются чужеродные органические вещества пищи, то этот процесс протекает в желудочно-кишечном тракте;
б) если расщеплению подвергаются собственные органические вещества клеток, то этот процесс происходит за счет ферментов клеточных лизосом.  При этом вся энергия расщепления выделяется в виде тепла и молекулы АТФ не образуются.

Второй этап, называется гликолизом. Рассмотрим  его на примере расщепления самого распространенного источника энергии в клетке — молекулы глюкозы, являющейся гексозой, то есть С6 соединением.

Одна молекула глюкозы, подвергаясь бескислородному окислению (расщеплению) в цитоплазме клеток, дает 2 молекулы пировиноградной кислоты ПВК (С3 соединение). Выход энергии при этом незначительный, за счет субстратного фосфорилирования запасается всего 2 молекулы АТФ.

Для анаэробных организмов, собственно, таким запасанием энергии расщепления глюкозы в 2 молекулы АТФ, энергетический обмен и ограничивается.

В зависимости от вида микроорганизмов конечными продуктами брожения (бескислородного расщепления) у них являются  крупные органические молекулы молочной кислоты  — С3 соединение (молочно-кислые бактерии), уксусной кислоты — С2 соединение (уксусно-кислые бактерии), этилового спирта — С2  соединение (дрожжи) и т.д.

А вот аэробные организмы «научились» извлекать максимум энергии. У них в специализированных   клеточных органеллах — митохондриях, осуществляется процесс окислительного фосфорилирования (создается большой запас энергии в виде еще 36 молекул АТФ).

Итак, мы помним, что второй бескислородный этап у аэробов закончился образованием из одной молекулы глюкозы двух молекул ПВК (пировиноградная кислота — лишь при недостатке поступления в организм молекулярного кислорода при беге, интенсивной работе, ПВК переходит в молочную кислоту, которая, временно накапливаясь, может вызвать  усталость мышечной ткани).

При достаточном обеспечении митохондрий клеток кислородом,  ПВК в матриксе митохондрий поступает в цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, открытый Кребсом и поэтому названный его именем), где расщепляясь на многих стадиях до  СО2 и воды, образует на каждом этапе молекулы НАДН.

Молекулы НАДН «питают» своей энергией цепь переноса электронов (ЦПЭ), которая находится на кристах митохондрий и служит окислительному фосфорилированию (образованию из АДФ  —> АТФ). Причем без молекулярного кислорода ЦПЭ вообще не будет работать. Кислород, как сильный окислитель, являясь конечным акцептором электронов в цепи переноса электронов,  обеспечивает её бесперебойную работу. 

Такое тесное «сотрудничество» цепи переноса электронов с циклом Кребса в митохондриях обеспечивает осуществление процесса образования АТФ путем окислительного фосфорилирования с высокой эффективностью.

***************************************

У кого естьвопросыпо  статье к репетитору биологии по Скайпу,  замечания, пожелания — прошу в комментарии.

Источник: https://www.biorepet-ufa.ru/biology/energeticheskij-obmen-dyxanie.html

Обмен веществ в клетке:

Во всех клетках живых организмов непрерывно идут процессы обмена веществ и энергии.

Это называется метаболизм.

Если рассмотреть этот процесс более детально, то это постоянные процессы образования и распада веществ и поглощения и выделения энергии.

Процесс синтеза веществ = пластический обмен = ассимиляция = анаболизм

Чтобы что-то построить, надо затратить энергию — этот процесс идет с поглощением энергии.

 Процесс расщепления = энергетический обмен = диссимиляция = катаболизм

Это процесс, при котором сложные вещества разлагаются на простые. “Ломать — не строить”, так что энергия при этом выделяется.

В основном, это реакции окисления, происходят они в митохондриях, самый простой пример — дыхание. При дыхании сложные органические вещества расщепляются до простых, выделяется углекислый газ и энергия.

Вообще, эти два процесса взаимосвязаны и переходят один в другой. Суммарно уравнение метаболизма — обмена веществ в клетке —  можно записать так:

катаболизм + анаболизм = обмен веществ в клетке = метаболизм

Рассмотрим эти процессы  подробнее.

Энергетический обмен = Диссимиляция = Катаболизм

Этот процесс идет в несколько этапов  и нам нужно рассмотреть как он проходит а различных организмах.

Организмов будет всего 2 —  многоклеточный (человек, например) и одноклеточный (растительный и животный).

И запомните,  сочетание букв АТФ (аденинтрифосфорная кислота) — означает “энергию”. Просто эта энергия заключена в молекуле.

 Обмен веществ в клетке

Этапы диссимиляции:

1 этап   —  подготовительный

Давайте проследим путь пищи от начала и до конца… Итак, пища поступила в организм. А что у нас за пища? Точнее, из чего она состоит? Из белков, жиров и углеводов.

Пища начинает перевариваться.

В чем суть пищеварения? Очень просто: полимеры: белки, жиры и углеводы расщепляются до мономеров:

• жиры → до глицерина и жирных кислот

• углеводы (полисахариды) →  до моносахаридов

 Такое расщепление возможно с помощью ферментов (био-катализаторов)

• У  многоклеточных организмов это происходит в желудочно-кишечном тракте;

• у одноклеточных — в их “мини-желудочках” — лизосомах

2 этап — бескислородный — гликолиз

Глюкоза, полученная в предыдущем этапе, превращается в пировиноградную кислоту и накапливается энергия (“+” — это выделение энергии, “-” — поглощение).

С6H12O6 → C3H4O3 + 2 АТФ

Происходит этот процесс уже в цитоплазме клеток (как много-, так и одноклеточных организмов).

У растений этот процесс проходит немного по-другому. Наверняка слышали про “спиртовое брожение” — основу производства алкогольной продукции:

С6H12O6 =  2C2H5OH + 2CO2

А вы знаете, почему после тренировок мышцы болят?

Если организм испытывает серьезные физические нагрузки и при этом потребляет для дыхания кислород, то энергии, которая образуется при гликолиза, становится мало и происходит другой процесс — образование молочной кислоты:

С6H12O6  = 2C3H6O3

Вот как раз из-за нее и болят мышцы!

3 этап — кислородный  = Цикл Кребса + окислительное фосфорилирование

Здесь мы не будем детально разбирать цикл Кребса и фосфорилирование — это будет отдельная подробная тема, которая и не очень-то нужна в формате ЕГЭ…

Сама суть этого процесса в том, что в митохондриях (на кристах) кислота превращается  уже до конца: до CO2 (то, что мы выдыхаем) и H2O:

в цикле Кребса:  C3H4O3→CO2 + H2O + 34 АТФ

и еще + 2 АТФ в процессе фосфорилирования

Общее уравнение  диссимиляции:

С6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 38 АТФ

 

•  в ЕГЭ это вопрос А3 — метаболизм клетки 
• А16 — метаболизм человека
• эти же вопросы есть в части В

 
   

Обсуждение: “Обмен веществ в клетке”

(Правила комментирования)

Источник: https://distant-lessons.ru/obmen-veshhestv-v-kletke.html

Пластический и энергетический обмен в клетке: при окислении каких веществ освобождается больше энергии

Совокупность химических превращений в организме называют метаболизмом. Различают пластический и энергетический обмен. Синтез сложных веществ из простых называют анаболизмом. Иначе— пластический обмен. Расщепление компонентов питания — это катаболизм. Другое название — энергетический обмен.

Пластический обмен

Пластический обмен именуют ассимиляцией. Из низкомолекулярных веществ — мономеров собираются необходимые для жизнедеятельности сложные соединения. Почему ассимиляция называется пластическим способом обмена? Потому что синтезированные соединения служат строительными материалами для формирования тканей.

Важно! Ассимиляция (пластический) выполняет функцию производства строительного материала для формирования тканей.

Ассимиляцией управляет генетический аппарат, поэтому каждая клетка синтезирует практически такие же соединения из которых состоит сама. Химические реакции проходят с потреблением энергии. Главными веществами, необходимыми для протекания реакций, являются протеины, углеводы, а также липиды.

У разных типов организмов обмен веществ и энергии происходит неодинаково. Зеленые растения осуществляют фотосинтез, при котором, на свету из H2O, а также оксида углерода получают моносахариды.

Примитивные организмы, лишенные хлорофилла, способны синтезировать строительный материал во тьме. Такой процесс получил название «хемосинтез».

Животные получают готовые питательные вещества, которые расщепляют для последующей переработки.

Важно!Процессы ассимиляции протекают при помощи фотосинтеза, хемосинтеза или биосинтеза.

 Фотосинтез

Что характеризует энергетический обмен в растительной клетке? Присутствие хлорофилла с помощью которого осуществляется фотосинтез по следующей схеме:

 

При постоянном освещении фотосинтез невозможен. Фотоны активирует воду, удаляя из нее кислород, который препятствует процессу. Во тьме происходит реакция синтеза с участием энергоносителя — АТФ по следующей схеме:

 

Из простых сахаров, а также неорганических соединений азота синтезируются аминокислоты. Избыток низкомолекулярных углеводов аккумулируется тканями в форме крахмала и жиров.

Важно! Для осуществления фотосинтеза необходимо чередование светлого и темного периодов.

Хемосинтез

Бактерии приспособились добывать энергию, активируя ионы водорода посредством химических реакций с неорганическим веществами. Нитрифицирующие организмы делают азотоводород азотной кислотой:

 

Железобактерии переводят Fe2+ в Fe3+.

Сульфурбактерии синтезируют серную кислоту из сероводорода:

 

Дальнейшие превращения углекислоты в моносахариды происходит по схеме темной стадии фотосинтеза.

Синтез белков

Процесс характерен для животных и грибов, получающих готовую пищу, подвергающуюся катаболизму, о котором будет подробнее сказано ниже. Они расщепляют поступающие протеины до аминокислот. Попадая в клетку, мономеры соединяются так, как диктует генетический кодировка ДНК клеточного ядра. Эта сложная процедура — трансляция, протекает в рибосомах при участии РНК.

Важно! Синтез белков осуществляется клеточным ядром при участии ДНК и РНК.

 Энергетический обмен в клетке

Катаболизм или диссимиляция — это процесс расщепления сложных соединений на простые с участием кислорода или без него. В обоих случаях высвобождается энергия, которая аккумулируется макроэргическими молекулами — АТФ, содержащими три фосфорнокислых остатка.

Где происходит энергетический способ обмена? Он протекает внутри клеток, а также вне их, проходя следующие этапы:

1. Предварительный;
2. Анаэробное брожение;
3. Клеточное дыхание.

Предварительный этап

Эта фаза протекает в алиментарном тракте. Посредством пищеварительных ферментов сложные вещества дробятся на простые, способные всосаться из кишечной трубки. Протеины распадаются до аминокислот. Углеводы становятся моносахаридами.

Главным источником энергии является глюкоза. Жиры расщепляются до карбоновых кислот, а также многоатомного спирта — глицерина. При распаде каждой разновидности питательных веществ образуется неодинаковое количество энергии. (таблица)

Транснациональная система мер определяет энергоемкость компонентов питания Джоулями. Одна Ккал равна 4,2 КДж.

При окислении каких веществ освобождается больше энергии? Самыми калорийными компонентами пищи являются жиры, потому что состоят, преимущественно из высокомолекулярных карбоновых кислот. Так, Пальмитат (C16 H32 O2) содержит 12,5% кислорода, а глюкоза — 53,3.

Материала для окисления у жирной кислоты больше, следовательно, энергоемкость выше. Поэтому калорийность липидов превышает питательность белков и углеводов в 2,25 раза.

Калорийность углеводов и протеина в 2,25 раза ниже, чем у жиров.

 Анаэробное брожение

Невыгодная, с точки зрения извлечения энергии, процедура, которую именуют гликолизом. Альтернативное название — биологическое или неполное окисление. Оно протекает без использования O2. Выделяются богатые энергией водород, и метан, которые не окисляются. У разных организмов процессы протекают неодинаково.

Дрожжевые грибки, некоторые бактерии, а также растения образуют спирты, ацетон, карбоновые кислоты. Это свойство используют при производстве алкоголя, сыров и заквашивании теста. Химическая реакция протекает, преимущественно, по следующему сценарию:

Молочнокислые микроорганизмы сбраживают углеводы до лактата. Это свойство бактерий применяют для изготовления кефира, йогурта, сыров, прочих изделий. Химическая реакция протекает по следующему сценарию:

У грибов, человека, других млекопитающих, энергетический обмен в клетке представляется сбраживанием углеводов до пировиноградной кислоты:

Все разновидности гликолиза, независимо от конечного продукта, сопровождаются выделением двух АТФ на молекулу глюкозы.

Клеточное дыхание

Что характеризует энергетический обмен в живой клетке? Под воздействием тканевых ферментов кислород высвобождается из эритроцита, проникает через мембрану, поступает в биологическую печь — митохондрию.

Там он поддерживает низкотемпературное горение с образованием воды, а также окисла углерода. Последний ферменты удаляют из клетки, присоединяя к молекуле гемоглобина.

Эритроциты доставляют отработанный шлак легким, где при помощи выдоха отработанный газ покидает организм.

Для осуществления биологического горения необходимы энзимы, которые вырабатываются лизосомами, а также АДФ — макроэнергические молекулы, содержащие не три, а два фосфорнокислых радикала.

Для извлечения энергии глюкоза и алкоголь предварительно превращаются в лактат. Дальнейшие преобразования представляются приведенным ниже уравнением:

 

Митохондрии умеют извлекать энергию из пирувата при менее эффективном выходе молекул АТФ.

Взаимосвязь анаболизма и катаболизма

Метаболизм представляется сочетанием процессов синтеза и расщепления. В организме такое преобразование происходит при температуре тела посредством биокатализаторов — ферментов.

Функция пластического обмена заключается в синтезе необходимых организму соединений — протеинов, карбогидратов, липидов, АТФ, ферментов, прочих биологически деятельных веществ.

Ассимиляция происходит с потреблением энергии, которая высвобождается органеллами.

Важно! Обмен веществ и энергии осуществляется при единовременном протекании процессов ассимиляции, а также диссимиляции.

Пластический и энергетический обмен. Биология 8 класс.

Метаболизм. Энергетический обмен. Для чего мы дышим?

Вывод

Метаболизм является сочетанием одномоментно происходящих процессов — это пластический и энергетический обмен. Практически все превращения происходят в цитоплазме или специальных органеллах клетки. Оба процесса взаимосвязаны, являются необходимыми для осуществления жизнедеятельности любого организма.

Источник: https://uchim.guru/biologiya/plasticheskij-i-energeticheskij-obmen.html