Энергетический обмен в клетке

Метаболизм.

Любая живая клетка, осуществляя многообразные процессы синтеза и распада веществ, подобна сложнейшему химическому комбинату. Для нормального протекания этих химических процессов необходим постоянный обмен веществами между клеткой и окружающей средой, а также постоянное превращение энергии в клетке. Часть получаемых извне белков, жиров, углеводов, витаминов, микроэлементов – строительный материал, они расходуются клетками на синтез необходимых им соединений, построение клеточных структур. Но большая часть органических веществ пищи является энергетическим материалом, разрушаясь до конечных продуктов, они обеспечивают организм энергией.

Из поступающих в клетку компонентов пищи под действием биологических катализаторов — ферментов синтезируются новые молекулы для замены израсходованных веществ, для построения органоидов. Весь набор реакций биологического синтеза веществ в клетке (биосинтеза) получил название ассимиляции или пластического обмена.

Очевидно, что синтез каких-либо веществ невозможен без затрат энергии. Особенно интенсивно реакции ассимиляции происходят в растущей, развивающейся клетке. Важнейшими из таких реакций являются синтез белка и фотосинтез. Как же клетка получает энергию для реакций биосинтеза? Наряду с процессами синтеза новых веществ в клетках происходит постоянный распад запасенных при ассимиляции сложных органических веществ. При участии ферментов эти молекулы распадаются до более простых соединений; при этом высвобождается энергия. Чаще всего эта энергия запасается в виде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Далее энергия АТФ используется для различных нужд клетки, в том числе и для реакций биосинтеза. Совокупность реакций распада веществ клетки, сопровождающихся выделением энергии, получила название диссимиляции.

Ассимиляция и диссимиляция — противоположные процессы: в первом случае вещества образуются, во втором — разрушаются. Но они тесно взаимосвязаны и друг без друга невозможны. Ведь если в клетке не будут синтезироваться и запасаться сложные вещества, то нечему будет распадаться, когда потребуется энергия. А если вещества не будут распадаться, то где взять энергию для синтеза необходимых веществ?

Таким образом, ассимиляция и диссимиляция — это две стороны единого процесса обмена веществ и энергии, получившего название метаболизма (от греч. metabole — превращение).

АТФ обеспечивает энергией все функции клетки: механическую работу, биосинтез веществ, деление и т. д. В среднем содержание АТФ в клетке составляет около 0,05% ее массы, но в тех клетках, где затраты АТФ велики (например, в клетках печени, поперечно-полосатых мышц), ее содержание может доходить до 0,5%. Синтез АТФ в клетках происходит главным образом в митохондриях. Как вы помните, на синтез 1 моля АТФ из АДФ необходимо затратить 40 кДж.

Энергетический обмен в клетке подразделяют на три этапа. Первый этап — подготовительный. Во время него крупные пищевые полимерные молекулы распадаются на более мелкие фрагменты. 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.

Второй этап — неполное бескислородное расщепление веществ. На этом этапе вещества, образовавшиеся во время подготовительного этапа, разлагаются при помощи ферментов в отсутствие кислорода. Разберем этот этап на примере гликолиза — ферментативного расщепления глюкозы. Гликолиз происходит в животных клетках и у некоторых микроорганизмов. Суммарно этот процесс можно представить в виде следующего уравнения:

Таким образом, при гликолизе из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы трехуглеродной пировиноградной кислоты (С₃Н₄О₃), которая во многих клетках, например в мышечных, превращается в молочную кислоту (С₃Н₆О₃), причем высвободившейся при этом энергии достаточно для превращения двух молекул АДФ в две молекулы АТФ. Несмотря на кажущуюся простоту, гликолиз — процесс многоступенчатый, насчитывающий более десяти стадий, катализируемых разными ферментами. Только 40% выделившейся энергии запасается клеткой в виде АТФ, а остальные 60% — рассеиваются в виде тепла. Благодаря многостадийности гликолиза выделяющиеся небольшие порции тепла не успевают нагреть клетку до опасного уровня. Гликолиз происходит в цитоплазме клеток.

У большинства растительных клеток и некоторых грибов второй этап энергетического обмена представлен спиртовым брожением:

Исходные продукты спиртового брожения те же, что и у гликолиза, но в результате образуется этиловый спирт, углекислый газ, вода и две молекулы АТФ. Есть такие микроорганизмы, которые разлагают глюкозу до ацетона, уксусной кислоты и других веществ, но в любом случае «энергетическая прибыль» клетки составляет две молекулы АТФ.

Третий этап энергетического обмена — полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание. При этом вещества, образовавшиеся на втором этапе, разрушаются до конечных продуктов — СО₂ и Н₂О. Этот этап можно представить себе в следующем виде:

Таким образом, окисление двух молекул трехуглеродной кислоты, образовавшихся при ферментативном расщеплении глюкозы, до СО₂ и Н₂О приводит к выделению большого количества энергии, достаточного для образования 36 молекул АТФ. Клеточное дыхание происходит на кристах митохондрий. Коэффициент полезного действия этого процесса выше, чем у гликолиза, и составляет приблизительно 55%. В результате полного расщепления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.

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.

Карточка у доски:

1. Что такое ассимиляция, пластический обмен?

2. Что такое диссимиляция, энергетический обмен?

3. Что такое метаболизм?

4. Что происходит на первом этапе энергетического обмена?

5. Что происходит на втором этапе энергетического обмена?

6. Запишите формулы гликолиза и спиртового брожения.

7. Какой процент энергии запасается в форме АТФ при гликолизе?

8. Где происходят реакции гликолиза?

9. Запишите формулу кислородного окисления двух молекул трехуглеродной кислоты.

10. Где происходят реакции третьего этапа энергообмена, кислородного окисления?

Карточки для письменной работы:

1. Определение или сущность термина: 1. Ассимиляция. 2. Диссимиляция. 3. Метаболизм. 4. Гликолиз. 5. Кислородное окисление. 6. КПД гликолиза и кислородного окисления.

1. Что происходит с энергией в реакциях ассимиляции? Диссимиляции?
2. Первый и второй этапы энергообмена.
3. Характеристика третьего этапа энергообмена.

Компьютерное тестирование

Тест 1. Совокупность реакций биосинтеза в клетке:

1. Ассимиляция.

2. Диссимиляция.

3. Метаболизм.

4. Гликолиз.

Тест 2. Совокупность реакций распада и окисления в клетке:

1. Ассимиляция.

2. Диссимиляция.

3. Метаболизм.

4. Гликолиз.

Тест 3. Совокупность реакций обмена веществ в клетке:

1. Ассимиляция.

2. Диссимиляция.

3. Метаболизм.

4. Гликолиз.

Тест 4. Распад полисахаридов до моносахаридов, белков — до аминокислот, жиров — до глицерина и жирных кислот:

1. Первый этап энергообмена, подготовительный.

2. Второй этап энергообмена, неполное бескислородное расщепление веществ.

3. Третий этап энергообмена, полное кислородное окисление, или клеточное дыхание.

4. Гликолиз.

Тест 5. Разрушение глюкозы до 2 молекул трехуглеродной молочной кислоты:

1. Первый этап энергообмена, подготовительный.

2. Второй этап энергообмена, неполное бескислородное расщепление веществ.

3. Третий этап энергообмена, полное кислородное окисление, или клеточное дыхание.

4. Гликолиз.

Тест 6. Разрушение глюкозы до 2 молекул этилового спирта:

1. Первый этап энергообмена, подготовительный.

2. Гликолиз в некоторых животных клетках при недостатке кислорода.

3. Третий этап энергообмена, полное кислородное окисление, или клеточное дыхание.

4. Гликолиз в некоторых растительных клетках и клетках грибов при недостатке кислорода.

Тест 7. Разрушение промежуточных продуктов энергообмена до конечных продуктов – СО₂ и Н₂О:

1. Первый этап энергообмена, подготовительный.

2. Второй этап энергообмена, неполное бескислородное расщепление веществ.

3. Третий этап энергообмена, полное кислородное окисление, или клеточное дыхание.

4. Гликолиз.

Тест 8. На первом этапе энергообмена энергия:

1. Вся энергия выделяется в форме тепла.

2. 40% запасается в форме АТФ, 60% выделяется в форме тепла.

3. 55% запасется в форме АТФ, 45% выделяется в форме тепла.

4. 60% запасается в форме АТФ, 40% выделяется в форме тепла.

Тест 9. На втором этапе энергообмена энергия:

1. Вся энергия выделяется в форме тепла.

2. 40% запасается в форме АТФ, 60% выделяется в форме тепла.

3. 55% запасется в форме АТФ, 45% выделяется в форме тепла.

4. 60% запасается в форме АТФ, 40% выделяется в форме тепла.

Тест 10. На третьем этапе при разрушении продуктов реакции:

1. Образуется глюкоза, энергия рассеивается в форме тепла.

2. Образуется 2 молекулы АТФ, 2 молекулы Н₂О, 2 молекулы молочной кислоты.

3. Образуется 2 молекулы АТФ, 2 молекулы Н₂О, 2 молекулы этилового спирта.

4. Образуется 36 молекулы АТФ, 42 молекулы Н₂О, 6 молекул СО₂.

Дата добавления: 2015-07-13