Метаболизм - это совокупность химических реакций, происходящих в организме для поддержания жизнедеятельности. Эти процессы делятся на два основных типа: энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) и пластический обмен (анаболизм, ассимиляция).
Взаимосвязь: Пластический обмен обеспечивает клетку сложными органическими веществами (белки, липиды, углеводы), в том числе белками - ферментами для реакций диссимиляции. Энергетический обмен обеспечивает клетку энергией, без которой невозможны реакции биосинтеза.
Энергетический обмен
Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — совокупность реакций расщепления органических веществ. сопровождающихся выделением энергии.
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 (Ф) к АДФ.
Этапы энергетического обмена
У АЭРОБОВ в кислородной среде:
- Подготовительный этап
- Анаэробный этап (гликолиз)
- Аэробный этап
У АНАЭРОБОВ в бескислородно среде и АЭРОБОВ при недостатке кислорода:
- Подготовительный этап
- Анаэробный этап (гликолиз + брожение)
ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП
- Где происходит: в пищеварительной системе, а на уровне клетки - в лизосомах, в пищеварительных вакуолях простейших.
- Что происходит: гидролитические ферменты (гидролаза) расщепляют сложные компоненты пищи до простых (полимеры - до мономеров)
- Исходные продукты: белки, липиды, сложные углеводы, нуклеиновые кислоты.
- Конечные продукты: глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты и глицерин, нуклеотиды.
- Энергия распада: вся энергия рассеивается в виде тепла (энергетический выход - 0 молекул АТФ)
АНАЭРОБНЫЙ ЭТАП - ГЛИКОЛИЗ
- Где происходит: в цитоплазме (гиалоплазма) клетки
- Что происходит: ферментативный неполный распад глюкозы протекающий без участия кислорода.
- Исходный продукт: глюкоза, НАД+, АДФ + Ф
- Конечный продукт: при распаде одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы пирувата (пировиноградной кислоты или ПВК).
- Энергия распада: запасается энергия в форме 2 молекул АТФ, происходит образование 2 молекул переносчика электронов НАДН (оторванные от глюкозы протоны водорода идут на восстановление окисленной формы переносчика - НАД+) + 60% тепловая энергия.
- Промежуточными продуктами гликолиза являются триозы (углеводы с тремя атомами С в молекуле).
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ГЛИКОЛИЗА
- Изначально на активацию глюкозы затрачивается 2 АТФ, затем образуется 4 АТФ (суммарно с учетом затрат получаем 2 АТФ)
- Синтез АТФ идет путем субстратного фосфорилирования, то есть фосфатная группа переносится на АДФ с определенного органического вещества - субстрата.
Далее ПВК идёт по одному из двух путей (в зависимости от наличия или отсутствия кислорода)
- Если кислород имеется, то протекают реакции аэробного дыхания.
- Реакции брожения протекают в цитоплазме. Они необходимы для того, чтобы окислить восстановленный НАДН. Тогда он может снова расходоваться в реакции гликолиза
Аэробный этап
Аэробное дыхание, или кислородное расщепление.
У прокариот идет на мембране клетки, у эукариот - в митохондриях.
Включает в себя:
- Цикл Кребса.
- Окислительное фосфорилирование.
ЦИКЛ КРЕБСА
ПВК, попадая в митохондрию, преобразуется в Ац-КоА (ацетил-коэнзимА), который вступает в циклические реакции превращения карбоновых кислот (ЦТК- цикл трикарбоновых кислот, цикл Кребса).
- Процесс происходит в матриксе митохондрий и сопровождается образованием одного из конечных продуктов - углекислого газа.
- Здесь же происходит образование восстановленных форм переносчиков водорода - НАД*2Н и ФАД*Н2.
- В цикле Кребса происходит образование 2АТФ.
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОЛИРИРОВАНИЕ
- Протекает на кристах, содержащих дыхательные ферменты , образующие элентронтранспортные цепи - переносчики электронов и АТФ-синтазу.
- Переносчики водорода НАД*2Н и ФАД*Н2 доставляют атомы водорода на дыхательную цепь, где от них отрываются электроны. В результате образуются протоны и электроны.
- Протоны поступают в межмембранное пространство и накапливаются там (протонный резервуар), внешняя поверхность мембраны кристы, обращённая в сторону межмембранного пространства, эаряжается знаком +.
- Электроны, оторванные от атомов Н по ЭТЦ переносятся на внутреннюю поверхность мембраны кристы, заряжая её знаком -.
- Между наружной и внутренней сторонами мембраны крист возникает разность потенциалов, когда она достигает критической величины - 200мВ, открываются протонные каналы в АТФ-синтазе и протоны с силой устремляются в матрикс митохондрии.
- Энергия протонов тратится на образование 34 АТФ.
- Водород, попадая на внутреннюю поверхность мембраны крист, восстанавливает кислород до молекул воды - ещё одного конечного продукта энергетического обмена.
ОБОБЩЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА
Глюкоза главный источник энергии.Конечными продуктами окисления углеводов и липидов являются углекислый газ и вода.
Конечным продуктом окисления белков является углекислый газ, вода и аммиак.
Дополнительная информация
✔️При недостатке кислорода у аэробов также не происходит кислородного этапа - их метаболизм завершается на бескислородной стадии. Интересно, что некоторые клетки организма "живут" исключительно на гликолизе - например, эритроциты (клетки крови, у которых нет митохондрий) и раковые клетки. При этом в раковых клетках присутствуют все оргоноиды, но даже в условиях избытка кислорода предпочтительным всё равно остаётся очень быстрый гликолиз - его активность в 100-200 раз выше, чем в здоровых клетках.
✔️Липиды (жиры) не относятся к полимерам, поскольку в их составе нет мономеровповторяющихся частей. Они являются эфирами глицерина и жирных кислот.
✔️Но самом деле, ацетил-КоА можно получить и из белков, и из жиров, и из углеводов просто клетка расставляет свои "приоритеты", что ей надо использовать для получения энергии. Углеводы и жиры - основной источник. Если же клетка вдруг начинает использовать белки - это знак, что организму не хватает других энергетических ресурсов.
✔️Важно понимать, что все расчеты даны "в вакууме", у «идеальной» клетки, в которой все восстановительные эквиваленты идут в ЭТЦ митохондрий. В реальных условиях это, конечно же, не так, всё зависит от конкретных нужд клетки (НАДН, к примеру, может пройти в другие компортменты, для нужд других ферментов).
В старых заданиях ЕГЭ традиционно было принято, что в расчете но 1 молекулу глюкозы при гликолизе образуется 2 АТФ, в аэробном этапе - 36 АТФ (из которых в цикле Кребса - 2 АТФ, в окислительном фосфорилировании - 34 АТФ). Таким образом, в сумме из 1 молекулы глюкозы можно синтезировать 38 молекул АТФ.
Задания в формате ЕГЭ
1. Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. Реакции подготовительного этапа энергетического обмена происходят в
1) хлоропластах растений
2) каналах эндоплазматической сети
3) лизосомах клеток животных
4) органах пищеварения человека
5) аппарате Гольджи эукариот
6) пищеварительных вакуолях простейших
2. Укажите номер, обозначающий на схеме этап, на котором происходит выделение наибольшего количества АТФ.
Установите соответствие между характеристиками и веществами, участвующими в клеточном дыхании, обозначенными цифрами 1, 2, 3, 4 на схеме ниже: к каждой позиции, данной в первом столбце, подберите соответствующую позицию из второго столбца.
3. Каким номером на рисунке обозначена молочная кислота?
Установите соответствие между процессами и этапами клеточного дыхания. обозначенными цифрами 1, 2, 3: к каждой позиции, данной в первом столбце. подберите соответствующую позицию из второго столбца.
4. В процессе гликолиза было окислено 20 молекул глюкозы. Определите количество молекул пирувата, которые при этом образовались. В ответ запишите только соответствующее число.
5. Определите количество молекул АТФ, образующихся при бескислородном расщеплении фрагмента молекулы крахмала, содержащего 1000 мономеров. В ответ запишите только полученное число.
6. В эксперименте испытуемый исследовал некоторые характеристики среды во время приготовления кефира в лабораторных условиях при температуре 14°С. Как в напитке при этом изменятся насыщение спиртом и количество дрожжей? Для каждой величины определите соответствующий характер ее изменения:
1) увеличится
2) уменьшится
3) не изменится
Запишите выбранные цифры для каждой величины. Цифры в ответе могут повторяться.
Насыщение спиртом -
Количество дрожжей -
7. Установите последовательность процессов, происходящих при клеточном дыхании аэробной клетки. Запишите соответствующую последовательность цифр.
1) образование ацетил-кофермента А
2) образование АТФ путём окислительного фосфорилирования
3) поступление глюкозы в цитоплазму
4) образование молекул пировиноградной кислоты
5) реакции цикла Кребса
8. Установите последовательность процессов, происходящих при бескислородном окислении глюкозы у бактерий. Запишите соответствующую последовательность цифр.
1) восстановление ПВК до молочной кислоты
2) расщепление фруктозы на два углевода
3) образование пировиноградной кислоты
4)окисление углеводов и синтез АТФ
5) активация глюкозы с помощью АТФ
Скачай рабочий лист https://portalbio.ru/filesbio/13
Энергетический обмен (рисунки) https://portalbio.ru/presentation/32
Презентация https://portalbio.ru/presentation/30