Биология (Зоовет-ДО) ...

Лекция 5. Обеспечение клеток энергией

1. Составные части обмена веществ и энергии. Метаболизм

2. Классификация по типу ассимиляции.

3. Энергетический обмен в клетке

Обмен веществ и энергии осуществляется на всех уровнях организма: клеточном, тканевом и организменном. Он обеспечивает постоянство внутренней среды организма - гомеостаз - в непрерывно меняющихся условиях существования.

Значение обмена веществ: он позволяет сохранять состав клеток организма постоянным; обновлять, по мере необходимости, клеточные структуры; поддерживать энергетический баланс клеток и организма.

Все реакции, происходящие в клетке, направлены на поддержание гомеостаза. Для этого необходимы вещества и энергия. В клетке осуществляются сложные реакции синтеза необходимых веществ, распад ненужных и реакции превращения энергии. Таким образом, в клетке происходит одновременно два процесса - это пластический и энергетический обмен. Пластический обмен - это совокупность реакций биосинтеза, или создание сложных молекул из простых. Все процессы синтеза в организме называются ассимиляцией, или анаболизмом. В клетке постоянно синтезируются белки из аминокислот, жиры из глицерина и жирных кислот, углеводы из моносахаридов, нуклеотиды из азотистых оснований и сахаров. Особенно интенсивно эти реакции идут в растущих клетках молодого организма. Эти реакции идут с затратами энергии. Используемая энергия освобождается в ходе энергетического обмена. Энергетический обмен - это совокупность реакций расщепления сложных органических соединений до более простых молекул. Совокупность реакций распада, сопровождается выделением энергии. Процессы распада веществ в организме называются диссимиляцией или катаболизмом. В процессе

катаболизма сложные органические вещества распадаются до более простых.

Метаболизм (от греч. «метаболе» — превращение) – это сумма процессов анаболизма и катаболизма. Это противоположные процессы: при ассимиляции происходит образование веществ с затратой энергии, при диссимиляции – распад веществ с выделение энергии. Все эти процессы связаны между собой и невозможны друг без друга.

Часть высвобождаемой энергии идет на синтез молекул АТФ . Таким образом, реакции катаболизма идут с выделением энергии АТФ, а реакции анаболизма идут с использованием энергии АТФ.

Расщепление органических веществ осуществляется в цитоплазме и митохондриях с участием кислорода. Реакции ассимиляции и диссимиляции тесно связаны с внешней средой. Из внешней среды организм получает питательные вещества. Во внешнюю среду выделяются отработанные вещества. Реакции метаболизма протекают при умеренных температурах, нормальном давлении и незначительных колебаниях кислотности. В живых организмах реакции происходят быстро, что обусловлено участием ферментов. Для осуществления реакций катаболизма необходим постоянный биосинтез ферментов и структур органоидов, которые в процессе жизнедеятельности постепенно разрушаются. Ферменты - это специфические белки, биологические катализаторы, ускоряющие реакции обмена в клетке. Все процессы в живом организме прямо или косвенно осуществляются с участием ферментов. Фермент катализирует только одну реакцию или действует только на один тип связи. Этим обеспечивается тонкая регуляция всех жизненно важных процессов протекающих в клетке или организме. В молекуле каждого фермента имеется участок, осуществляющий контакт между молекулами фермента и специфического вещества (субстрата). Активным центром фермента выступает функциональная группа или отдельная аминокислота.

Классификация по типу ассимиляции

По типу ассимиляции организмы могут быть автотрофными, гетеротрофными и миксотрофными. Основным источником энергии для всех живых существ, которые населяют нашу планету, служит энергия солнечного света. Однако непосредственно ее используют только клетки зеленых растений, одноклеточных водорослей, зеленых и пурпурных бактерий. Эти клетки за счет энергии солнечного света способны синтезировать органические вещества — углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты. 

Биосинтез, происходящий при использовании световой энергии, называют фотосинтезом. Организмы, способные к фотосинтезу, называют фотоавтотрофными. 

К автотрофам относят фототрофов, которые получают необходимую энергию от Солнца и хемотрофов – от химических реакций неорганических соединений. 

К синтезу органических веществ из неорганических, кроме фото- автотрофов, способны и некоторые бактерии (водородные, нитрифицирующие, серобактерии и др.). Они осуществляют этот синтез за счет энергии, выделяющейся при окислении неорганических веществ. Их называют хемоавтотрофами. Процесс хемосинтеза был открыт в 1887 г. русским микробиологом С. Н. Виноградским. Все живые существа нашей планеты, неспособные синтезировать органические вещества из неорганических соединений, называют гетеротрофами. Все животные и человек живут за счет запасенной растениями энергии Солнца, превращенной в энергию химических связей вновь синтезированных органических соединений.

Миксотрофы (от греч. миксо- смешение и трофы- пища, питание) - организмы со смешанным или переменным способом питания. Существа, способные одновременно или поочередно использовать авто- и гетеротрофный способ питания (эвглена зеленая, хлорарахниум, хризопиксис).

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.

Этапы энергетического обмена:

Подготовительный - происходит в цитоплазме клеток. Под действием ферментов лизосом на первом этапе происходит расщепление белков до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, полисахаридов до моносахаридов, нуклеиновых кислот до нуклеотидов. При этом выделяется небольшое количество энергии, которое рассеивается в виде тепла. Образовавшиеся соединения могут использоваться в реакциях пластического обмена, а также длядальнейшего расщепления с целью получения энергии.

Бескислородный (анаэробное дыхание или гликолиз) — многоступенчатое расщепление органических веществ, полученных в ходе подготовительного этапа. Реакции происходят без участия кислорода. Наиболее доступным источником энергии является глюкоза, полученная в подготовительный этап из полисахаридов. Бескислородное расщепление глюкозы называют анаэробным гликолизом. Он состоит из ряда последовательных реакций по превращению глюкозы. Глюкоза (С6Н12О6) расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты (С3Н4О3). В ходе гликолиза образуется большое количество энергии – 200 кДж, часть (60 %) которой рассеивается в виде тепла, а часть используется на синтез двух молекул АТФ.

С₆Н₁₂О₆ + 2Н₃РО₄ + 2АDФ -> 2С₃Н₆О₃ + 2АТФ + 2Н₂О

Пировиноградная кислота в клетках животных, грибов и микроорганизмов превращается в молочную кислоту (С3Н6О3). В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ.

У дрожжевых грибков и большинстве растительных клеток, молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение).

С₆Н₁₂О₆ + 2Н₃РО₄ + 2АDФ -> 2С₂Н₅ОН + 2АТФ + 2Н₂О+2СО2

У других микроорганизмов гликолиз может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и др., но при распаде одной молекулы глюкозы, всегда образуется две молекулы АТФ, в связях которой сохраняется 40% энергии.

Кислородный этап, клеточное дыхание, полное кислородное расщепление – завершающий этап энергетического обмена. Имеет место только у аэробных организмов Все реакции этой стадии катализируются ферментами и проходят при участии кислорода в митохондриях. Вещества, образовавшиеся в предыдущем этапе, окисляются до конечных продуктов - СО₂ и Н₂О. На первых стадиях кислородного этапа от молочной кислоты постепенно отщепляются протоны и электроны, накапливающиеся по разные стороны внутренней мембраны митохондрии и создающие разность потенциалов. Когда она достигает критического значения, протоны, проходи по специальным каналам мембраны, в которых находятся ферменты, синтезирующие АТФ, отдают свою энергию для присоединения остатка фосфорной кислоты к АМФ или АДФ. Этот процесс сопровождается выделением энергии, достаточной для синтеза 36 молекул АТФ (1440 кДж).  

2С3Н6О3 + 6О2 + 36АДФ + З6Н3РО4 → 36АТФ + 6СО2 + 42Н2О

Еще две молекулы АТФ запасаются в ходе бескислородного этапа

Таким образом, суммарно энергетический обмен клетки можно представить следующим образом:

С6Н12О6 + 6О2 + 38 АДФ+ 38 Н3РО → 6 СО2+ 44Н2О + 38АТФ

 Таким образом, в ходе второго и третьего этапов энергетического обмена при расщеплении одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. На это расходуется 1520 кДж (40 кДжХ38), а всего выделяется 2800 кДж энергии. Следовательно, 55 % энергии, высвобождаемой при расщепления глюкозы, аккумулируется клеткой в молекулах АТФ, а 45% рассеивается в виде тепла. Основную роль в обеспечении клеток энергией играет кислородный этап. Аналогичным образом в энергетический обмен могут вступать белки и жиры. При расщеплении аминокислот, помимо диоксида углерода и воды, образуются азотсодержащие продукты (аммиак, мочевина), выводящиеся через выделительную систему.