Конспект урока: Обмен веществ и энергии: энергетический обмен

Этапы энергетического обмена

Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме АТФ и других высокоэнергетических соединений.

Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования — присоединения неорганического фосфата к АДФ.

У аэробных организмов (живущих в кислородной среде) выделяют три этапа энергетического обмена: подготовительный, бескислородный окисление и кислородное окисление. У анаэробных организмов (живущих в бескислородной среде) и аэробных при недостатке кислорода — два этапа: подготовительный, бескислородное окисление.

Подготовительный этап 

Заключается в ферментативном расщеплении сложных органических веществ до простых: белковые молекулы — до пептидов (короткие цепочки белков) или аминокислот, жиры — до глицерина и карбоновых кислот, углеводы — до глюкозы, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. Распад высокомолекулярных органических соединений осуществляется или ферментами желудочно-кишечного тракта или ферментами лизосом. Вся высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла. Образовавшиеся небольшие органические молекулы могут быть использованы в качестве «строительного материала» или могут подвергаться дальнейшему расщеплению. 

Бескислородное окисление, или гликолиз 

Этот этап заключается в дальнейшем расщеплении органических веществ, образовавшихся во время подготовительного этапа, происходит в цитоплазме клетки и в присутствии кислорода не нуждается. Главным источником энергии в клетке является глюкоза.

Гликолиз — сложный многоступенчатый процесс. Одна молекула глюкозы в результате цепочки ферментативных реакций превращается в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), при этом суммарно образуются 2 молекулы АТФ и восстановленная форма переносчика водорода НАД · 2Н. 

Дальнейшая судьба ПВК зависит от присутствия кислорода в клетке. Если кислорода нет, у дрожжей и растений происходит спиртовое брожение, при котором сначала происходит образование уксусного альдегида, а затем этилового спирта. 

У животных и некоторых бактерий при недостатке кислорода происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты. В результате гликолиза одной молекулы глюкозы высвобождается 200 кДж, из которых 120 кДж рассеивается в виде тепла, а 80% запасается в связях АТФ.

Кислородное окисление, или дыхание

Рис. 1. Этапы энергетического обмена

В третьем этапе энергетического обмена участвуют продукты, которые образовались
на втором этапе и которые ещё можно окислить для получения энергии. На этом этапе роль окислителя выполняет кислород воздуха, получаемый в результате внешнего дыхания, а окисление молочной кислоты или этилового спирта происходит до конечных продуктов: СО₂ и Н₂О. АТФ на этом этапе образуется гораздо больше, чем на предыдущем. В результате полного окисления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. 2 молекулы АТФ в ходе гликолиза и 36 молекул АТФ в ходе кислородного этапа в митохондриях. Эффективность полного окисления глюкозы до углекислого газа и воды очень высока: около 55% освобождающейся энергии запасается в виде макроэргических связей в молекулах АТФ, а 45% рассеивается в виде тепла. Таким образом, коэффициент полезного действия этого процесса составляет 55%.

Третий этап энергетического обмена называют также клеточным дыханием, поскольку в нём активно используется кислород воздуха. Реакции клеточного дыхания проходят в митохондриях. Для получения энергии в клетках, кроме глюкозы, могут быть использованы и другие вещества: липиды, белки. Однако ведущая роль в энергетическом обмене у большинства организмов принадлежит сахарам. 

Итак, главным продуктом реакций энергетического обмена является АТФ —соединение, содержащее в своём составе две макроэргические связи. Энергия, запасённая в этих связях, необходима для обеспечения всех процессов жизнедеятельности клеток и организма в целом. Она тратится на процессы синтеза самых разных органических веществ, на осуществление различных видов движения, переноса через биологические мембраны ионов и других веществ, на процессы секреции и т. д. Таким образом, АТФ является «универсальной энергетической валютой» клеток—веществом, обеспечивающим связь между процессами диссимиляции (энергетического обмена) и ассимиляции (пластического обмена).

Итоги 

Энергетический обмен в клетке происходит в три этапа: подготовительный, ферментативный и клеточное дыхание. В результате в клетках запасается универсальный источник энергии — АТФ.