Обмен веществ и энергии в клетке: синтез АТФ, метаболические процессы и этапы

Обмен веществ и энергии в клетке: синтез АТФ, метаболические процессы и этапы

Обмен веществ и энергии. Питание. Анаболизм. Катаболизм.

Обмен веществ и энергии лежит в основе всех проявлений жизнедеятельности и представляет собой совокупность процессов превращения веществ и энергии в живом организме и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой.

Для поддержания жизнедеятельности в процессе обмена веществ и энергии обеспечиваются пластические и энергетические потребности организма. Пластические потребности удовлетворяются за счет веществ, используемых для построения биологических структур, а энергетические — путем преобразования химической энергии поступающих в организм питательных веществ в энергию макроэргических (АТФ и другие молекулы) и восстановленных (НАДФ • Н — никотин-амид-адениндинуклеотидфосфат) соединений. Их энергия используется организмом для синтеза белков, нуклеиновых кислот, липидов, а также компонентов клеточных мембран и органелл клетки, для выполнения деятельности клеток, связанной с использованием химической, электрической и механической энергии.

Обмен веществ и энергии (метаболизм) в организме человека — совокупность взаимосвязанных, но разнонаправленных процессов: анаболизма (ассимиляции) и катаболизма (диссимиляции).

Обмен веществ и энергии. Питание. Анаболизм. Катаболизм.

Анаболизм — это совокупность процессов биосинтеза органических веществ, компонентов клетки и других структур органов и тканей. Анаболизм обеспечивает рост, развитие, обновление биологических структур, а также непрерывный ресинтез макроэргических соединений и их накопление.

Катаболизм — это совокупность процессов расщепления сложных молекул, компонентов клеток, органов и тканей до простых веществ (с использованием части из них в качестве предшественников биосинтеза) и до конечных продуктов метаболизма (с образованием макроэргических и восстановленных соединений).

Взаимосвязь процессов катаболизма и анаболизма основывается на единстве биохимических превращений, обеспечивающих энергией все процессы жизнедеятельности и постоянное обновление тканей организма. Сопряжение анаболических и катаболических процессов в организме могут осуществлять различные вещества, но главную роль в этом сопряжении играют АТФ, НАДФ • Н. В отличие от других посредников метаболических превращений АТФ циклически рефосфорилируется, а НАДФ • Н — восстанавливается, что обеспечивает непрерывность процессов катаболизма и анаболизма.

Обеспечение энергией процессов жизнедеятельности осуществляется за счет анаэробного (бескислородного) и аэробного (с использованием кислорода) катаболизма поступающих в организм с пищей белков, жиров и углеводов. В ходе анаэробного расщепления глюкозы (гликолиза) или ее резервного субстрата гликогена (гликогенолиза) превращение 1 моля глюкозы в 2 моля лактата приводит к образованию 2 молей АТФ. Лактат — промежуточный продукт обмена. В химических связях его молекулы аккумулировано значительное количество энергии. Энергии, образующейся в ходе анаэробного обмена, недостаточно для осуществления процессов жизнедеятельности животных организмов. За счет анаэробного гликолиза могут удовлетворяться лишь относительно кратковременные энергетические потребности клетки.

Обмен веществ и энергии. Питание. Анаболизм. Катаболизм.

В организме животных и человека в процессе аэробного обмена органические вещества, в том числе продукты анаэробного обмена, окисляются до конечных продуктов — С02 и Н20. Общее количество молекул АТФ, образующихся при окислении 1 моля глюкозы до С02 и Н20, составляет 25,5 моля. При окислении молекулы жиров образуется большее количество молей АТФ, чем при окислении молекулы углеводов. Так, при окислении 1 моля пальмитиновой кислоты образуется 91,8 моля АТФ. Количество молей АТФ, образующихся при полном окислении аминокислот и углеводов, примерно одинаково. АТФ играет в организме роль внутренней «энергетической валюты» и аккумулятора химической энергии клеток.

Основным источником энергии восстановления для реакции биосинтеза жирных кислот, холестерина, аминокислот, стероидных гормонов, предшественников синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот является НАДФ • Н. Образование этого вещества осуществляется в цитоплазме клетки в процессе фосфоглюконатного пути катаболизма глюкозы. При таком расщеплении из 1 моля глюкозы образуется 12 молей НАДФ • Н.

Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия или временного превалирования одного из них. Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а катаболических — к частичному разрушению тканевых структур, выделению энергии. Состояние равновесного или неравновесного соотношения анаболизма и катаболизма зависит от возраста. В детском возрасте преобладают процессы анаболизма, а в старческом — катаболизма. У взрослых людей эти процессы находятся в равновесии. Их соотношение зависит также от состояния здоровья, выполняемой человеком физической или психоэмоциональной деятельности.

АТФ – главный энергетический спонсор клетки. Или где взять энергию? Митохондриальные дисфункции.

Мурзаева Ирина Юрьевна

Сегодня внедряемся в научные изыскания. Статья будет сложной для прочтения. Я максимально упрощала материал, но проще – некуда. На написание меня как всегда “вдохновила” всеобщая бесконечная жалоба – “слабость, ничего не помогает, ваших капельниц, таблеток хватило на 2 недели. “. Сегодня рассмотрим самый сложный случай дефицита Энергии – дисфункция Митохондрий. Это еще малоизученная и сложная часть медицинской науки. Дисфункция митохондрий может быть врожденная и в нашем (рассматриваемом случае) – приобретенная.

Читайте также:
Как выглядит тайга - природная зона России: какие есть животные, интересные факты

Энергия в нашем организме представлена в следующем виде – молекула АТФ.

АТФ-аденозинтрифосфат, является основным источником энергии для клеток в частности и организма в целом. Представляет собой – эфир аденозина (пурин). Кроме того, является источником синтеза нуклеиновых кислот, для образования структуры ДНК!(наш генетический код)и посредником передачи в клетку гормонально сигнала! Вывод: нехватка АТФ – чревата извращение/недостатком гормонального ответа и не только. АТФ образуется в митохондриях (это маленькие структурные компоненты любой клетки, митохондрия имеет собственную ДНК!, как и ядро клетки. это высокоорганизованная структура ). Вот почему заболевания с нарушением синтеза АТФ – называются митохондриальные дисфункции.

В сутки в организме образуется 40 кг АТФ. Органы с максимальной выработкой АТФ: мозг 22%, печень 22%, мышцы 22 %, сердце 9%, жировая ткань всего – 4%, заметьте – ЩЖ с в этот перечень даже не вошла. Мозг и печень лидеры !

Теперь о самом процессе образования энергии. Смотрим на картинку.

Процесс образования энергии можно разделить на 3 этапа.

1 этап – это получение более простых молекул( в цикл образования энергии) из углеводов(У), жиров(Ж) и белков пищи(Б). Углеводы расщепляются до моносахаров(глюкоза,фруктоза), жиры до жирных кислот, белки до аминокислот. “Расщепление” Б,Ж,У происходит как к кислородной среде(аэробной), так и в бескислородной(анаэробной) среде. Это крайне важно! Так как из анаэробного гликолиза 1 молекулы глюкозы образуется – 2 молекулы АТФ, из аэробного (кислородного) гликолиза 1 молекулы глюкозы – образуются 36 молекул АТФ, из аэробного окисления 1 молекулы жирной кислоты – 146 молекул АТФ, ( жиры и белки в бескислородной среде вообще не расщепляются!, вывод – например, при нелеченной анемии(дефицитО2) снижение веса почти невозможно). Так, и усвоение 1 молекулы глюкозы требует 6 молекул О2, а 1 молекулы жирных кислот -23 молекулы О2. Выводжиры основной источник энергии, и всем нужен О2.

2 этапом – образуется из всех молекул У, Ж, Б – АцетилКоА – промежуточный метаболит. Суть этого этапа, что кол-во выработанного АцетилКоА зависит от уровня многих витаминов и микроэлементов (витамина С, группы В, цинка, меди, железа и др). Почему так важно для образования энергии – восполнение дефицита этих элементов!

3 этап – этот самый АцетилКоА поступает в 2 основных биохимических пути выработки АТФ – это цикл Кребса( лимонной кислоты) и цикл окислительного фосфорилирования ( передачи электронов, “дыхательная цепь”;), происходит образование НАД- и НАДН+. Связь между этими двумя б/х циклами – и “есть узкое горлышко”, “слабое место” в образовании АТФ. И зависит от рН среды клетки – при развитии в/клеточной гипоксии = в/клеточного ацидоза и ухудшается процесс образования АТФ – организм захлебывается в избытке НАДН, а НАДН сопряжен с “утечкой кислорода из клетки”( механизм не буду расшифровывать) и образованием активных(агрессивных) форм кислорода ( свободных радикалов) – а это повреждающие агенты для клетки при образовании в избыточном количестве.

Метаболический ацидоз – это следствие первичного дефицита О2 в организме (сам ацидоз становится причиной вторичного дефицита О2-утечки кислорода). Ацидоз выражается накоплением промежуточного продукта обмена – лактата, избытком Н+(иона водорода), митохондрии “начинают задыхаться и стареть и гибнуть”! А в месте со старением митохондрий – стареет организм, вот почему так молодеют некоторые заболевания – раньше развиваются атеросклероз, б-нь Альцгеймера, сахарный диабет (да-да , это митохондриальное заболевание), рак, артериальная гипертензия, АИТ, синдром хр усталости, даже НЯК и болезнь Крона (как одна из теорий) и др.

Как цикл лимонной кислоты (цикл Кребса) , например, связан с ожирением? – активное поступления с пищей жирных кислот- приводят к истощению транспортных карнитиновых (всем известен для сравнения Карнитин для спорт -питания) систем( переносчиков жирных кислот, их и так немного) и снижения активности работы “дыхательной цепи” , снижается чувствительность тканей к инсулину- развивается многим известная инсулинорезистентость! Исход – метаболическая печалька – метаболический синдром.

Читайте также:
Список стран Южной Америки: политическая карта, столицы и города, кто открыл материк

Соответственно: причинами снижения синтеза АТФ прежде всего являются дефицит О2!(как бывает в больших городах, где мало зелени. загазованность – продукт сгорания бензина это не О2-а СО2 . люди не выходят из помещений, мало двигаются – “мелкие сосуды закрыты для доступа О2”, причинами могут быть болезни органов дыхания и сердечно-сосудистые патологии), ацидоз = “закисление организма” (накопление лактата, избыток Н+), полидефицит витаминов и микроэлементов для улучшения усвоения Ж, Б, У. Для лечение дефицита О2 даже был придуман аппарат – в основе которого интервальная гипоксическая тренировка. Это новая эра в лечении многих патологий.

Как же заподозрить митохондриальные проблемы? Они сложны как для понятия, так и для диагностики.

Из “простых анализов”, которые можно набрать любой лаборатории – снижение рН крови, О2, повышение: лактата, СРБ, фибриногена, холестерина, ЛПНП, триглицеридов, гомоцистеина, мочевой кислоты, (клинически – повышение Ад, учащение ЧСС в покое, одышка в покое), снижение ферритина, из редких – снижение глутатиона, витаминов крови, снижение Q10, нарушение в системе антиоксидантов (по крови).

Из более редких , но все же доступных анализов (более специфических) – органические кислоты мочи ( благодаря этому анализу можно определить примерно на каком уровне идет нарушение и чем его скорректировать).
Если патология так сложно выявляемая – “как это лечить?”,- спросите вы

Прежде всего меняем образ жизни – улучшаем доставку О2!, бросаем курить! чаще дышим в парке и не только.. Лечим и приводим в ремиссию хронические дыхательные заболевания , восполняем дефицит витаминов и минералов!, добавляем антиоксиданты, сосудистые препараты(!) очень важно улучшить коровок(слабость всегда сопровождается рассеянностью, снижением памяти и внимания, – правильно, максимальная сосудистая сеть в головном мозге!!), реже добавляем “энергетики” – янтарная кислота, Q10, карнитин, НАДН и др. Я не говорю здесь про врожденные митохондриальные дисфункции – это следствие генетической поломки,а мы говорим сейчас больше о приобретенных причинах. Будем ждать новых научных материалов по этой теме.

Основные закономерности метаболических процессов в организме человека. Часть 1.

Метаболизм – обмен веществ и энергии представляет собой по классическим определениям, с одной стороны, обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой, а, с другой стороны, совокупность процессов превращения веществ и трансформации энергии, происходящих непосредственно в самих живых организмах. Как известно, обмен веществ и энергии является основой жизнедеятельности организмов и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи. В обмене веществ, контролируемом многоуровневыми регуляторными системами, участвует множество ферментных каскадов, обеспечивающих совокупность химических реакций, упорядоченных во времени и пространстве. Данные биохимические реакции, детерминированные генетически, протекают последовательно в строго определенных участках клеток, что, в свою очередь обеспечивается принципом компартментации клетки. В конечном итоге в процессе обмена поступившие в организм вещества превращаются в собственные специфические вещества тканей и в конечные продукты, выводящиеся из организма. В процессе любых биохимических трансформаций освобождается и поглощается энергия.

Клеточный метаболизм выполняет четыре основные специфические функции, а именно: извлечение энергии из окружающей среды и преобразование ее в энергию макроэргических (высокоэнергетических) химических соединений в количестве, достаточном для обеспечения всех энергетических потребностей клетки; образование из экзогенных веществ промежуточных соединений, являющихся предшественниками высокомолекулярных компонентов клетки; синтез из этих предшественников белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и других клеточных компонентов; синтез и разрушение специальных биомолекул, образование и распад которых связаны с выполнением специфических функций данной клетки.

Поскольку первоначальные представления об обмене веществ возникли в связи с изучением процессов обмена между организмом и внешней средой и лишь впоследствии эти представления расширились до понимания путей трансформации веществ и энергии внутри организма, до настоящего времени принято выделять соответственно внешний, или общий, обмен веществ и внутренний или промежуточный, обмен веществ. В свою очередь как во внутреннем, так и во внешнем обмене веществ различают структурный (пластический) и энергетический обмен. Под структурным обменом понимают взаимные превращения различных высоко- и низкомолекулярных соединений в организме, а также их перенос (транспорт) внутри организма и между организмом и внешней средой. Под энергетическим обменом понимают высвобождение энергии химических связей молекул, образующейся в ходе реакций и ее превращение в тепло (большая часть), а также использование энергии на синтез новых молекул, активный транспорт, мышечную работу (меньшая часть). В процессе обмена веществ часть конечных продуктов химических реакций выводится во внешнюю среду, другая часть используется организмом. В этом случае конечные продукты органического обмена накапливаются или расходуются в зависимости от условий существования организма, называясь запасными или резервными веществами.

Читайте также:
Понятие фототрофа в биологии, примеры микроорганизмов, тип питания бактерий

Как указывалось выше совокупность химических превращений веществ, которые происходят непосредственно в организме, начиная с момента их поступления в кровь и до момента выделения конечных продуктов обмена из организма, называют промежуточным обменом (промежуточным метаболизмом). Промежуточный обмен может быть разделен на два процесса: катаболизм (диссимиляция) и анаболизм (ассимиляция). Катаболизмом называют ферментативное расщепление крупных органических молекул, осуществляемое у всех высших организмов, как правило, окислительным путем. Катаболизм сопровождается освобождением энергии, заключенной в химических связях органических молекул, и резервированием ее в форме энергии фосфатных связей молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Анаболизм, напротив, представляет собой ферментативный синтез крупномолекулярных клеточных компонентов, таких, как полисахариды, нуклеиновые кислоты, белки, липиды, а также некоторых их биосинтетических предшественников из более простых соединений. Анаболические процессы происходят с потреблением энергии. Процессы катаболизма и анаболизма происходят в клетках одновременно, неразрывно связаны друг с другом и являются обязательными компонентами одного общего процесса — метаболизма, в котором превращения веществ теснейшим образом переплетены с превращениями энергии. Катаболические и анаболические реакции различаются, как правило, локализацией в клетке. Например, окисление жирных кислот до углекислого газа и воды осуществляется с помощью набора митохондриальных ферментов, тогда как синтез жирных кислот катализирует другая система ферментов, находящихся в цитозоле. Именно благодаря разной локализации катаболические и анаболические процессы в клетке могут протекать одновременно. При этом все превращения органических веществ, процессы синтеза и распада взаимосвязаны, координированы и регулируются нейрогормональными механизмами, придающими химическим процессам нужное направление. В организме человека не существует самостоятельного обмена белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Все превращения объединены в целостный процесс метаболизма, допускающий также взаимопревращения между отдельными классами органических веществ. Подобные взаимопревращения диктуются физиологическими потребностями организма, а также целесообразностью замены одних классов органических веществ другими в условиях блокирования какого-либо процесса при патологии.

Согласно современным представлениям расщепление основных пищевых веществ в клетке представляет собой ряд последовательных ферментативных реакций, составляющих три главные стадии катаболизма. На первой стадии полимерные органические молекулы распадаются на составляющие их специфические структурные блоки – мономеры. Так, полисахариды расщепляются до гексоз или пентоз, белки — до аминокислот, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов и нуклеозидов, липиды — до жирных кислот и глицерина. Эти реакции протекают в основном гидролитическим путем и количество энергии, освобождающейся на этой стадии, не превышает 1% от всей выделяемой в ходе катаболизма энергии, и почти целиком используется организмом в качестве тепла.

На второй стадии катаболизма продуктами химических реакций становятся еще более простые молекулы, унифицированные для углеводного, белкового и липидного обмена. по своему типу (гликолиз, катаболизм аминокислот, β-окисление жирных кислот соответственно). Принципиальным является то, что на второй стадии катаболизма образуются продукты, которые являются общими для обмена исходно разных групп веществ. Эти продукты представляют собой ключевые химические соединения, соединяющие разные пути метаболизма. К таким соединениям относятся, например, пируват (пировиноградная кислота), образующийся при распаде углеводов, липидов и многих аминокислот, ацетил-КоА, объединяющий катаболизм жирных кислот, углеводов и аминокислот, a-кетоглутаровая кислота, оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота), фумарат (фумаровая кислота) и сукцинат (янтарная кислота), образующиеся при трансформации аминокислот. Продукты, полученные на второй стадии катаболизма, вступают в третью стадию, которая известна как цикл трикарбоновых кислот (терминальное окисление, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса). На третьем этапе ацетил-КоА и некоторые другие метаболиты, например α-кетоглутарат, оксалоацетат, подвергаются окислению в цикле ди- и трикарбоновых кислот Кребса. Окисление сопровождается образованием восстановленных форм НАДН + Н+ и ФАДН2. Именно в ходе второй и третьей стадий катаболизма освобождается и аккумулируется в виде АТФ практически вся энергия химических связей подвергнутых диссимиляции веществ. При этом осуществляется перенос электронов от восстановленных нуклеотидов на кислород через дыхательную цепь, сопровождающийся образованием конечного продукта – молекулы воды. Транспорт электронов в дыхательной цепи сопряжен с синтезом АТФ в процессе окислительного фосфорилирования.

Читайте также:
Растения Африки: где находятся необычные цветы тропических саванн, редкие виды

Главным катаболическим процессом в обмене веществ принято считать биологическое окисление – совокупность реакций окисления, протекающих во всех живых клетках, – а именно дыхание и окислительное фосфорилирование. Интегральной характеристикой биологического окисления служит так называемый дыхательный коэффициент (RQ), который представляет собой отношение объема выделенного организмом углекислого газа к объему одновременно поглощенного кислорода. При окислении углеводов объем расходуемого кислорода соответствует объему образующегося углекислого газа и поэтому дыхательный коэффициент в этих случаях равен единице. При окислении жиров и белков такое соответствие отсутствует, поскольку кроме окисления углерода до углекислого газа часть кислорода расходуется на окисление водорода с образованием воды. Вследствие этого величины дыхательного коэффициента в случае окисления жиров и белков составляют соответственно около 0, 7 и 0, 8. Подавляющая часть белкового азота при окислении белка в организме переходит в мочевину. Поэтому по дыхательному коэффициенту и данным о количестве выделяемой мочевины можно определять соотношение участвующих в биологическом окислении углеводов, жиров и белков.

В процессе обмена веществ постоянно происходит превращение энергии: потенциальная энергия сложных органических соединений, поступивших с пищей, превращается в тепловую, механическую и электрическую. Энергия расходуется не только на поддержание температуры тела и выполнение работы, но и на воссоздание структурных элементов клеток, обеспечение их жизнедеятельности, роста и развития организма. Тем не менее, только часть получаемой при окислении белков, жиров и углеводов энергии используется для синтеза АТФ, другая, значительно большая, превращается в теплоту. Так, при окислении углеводов 22, 7% энергии химических связей глюкозы в процессе окисления используется на синтез АТФ, а 77, 3% в виде тепла рассеивается в тканях. Аккумулированная в АТФ энергия используемая в дальнейшем для механической работы, химических, транспортных, электрических процессов в конечном счете тоже превращается в теплоту. Следовательно, количество тепла, образовавшегося в организме, становится мерой суммарной энергии химических связей, подвергшихся биологическому окислению. Поэтому вся энергия, образовавшаяся в организме, может быть выражена в единицах тепла — калориях или джоулях.

Общий баланс энергии организма определяют на основании калорийности вводимых пищевых веществ и количества выделенного тепла, которое может быть измерено или рассчитано. При этом надо учитывать, что величина калорийности, получаемая при лабораторной калориметрии, может отличаться от величины физиологической калорической ценности, поскольку некоторые вещества в организме не сгорают полностью, а образуют конечные продукты обмена, способные к дальнейшему окислению. В первую очередь это относится к белкам, азот которых выделяется из организма главным образом в виде мочевины, сохраняющей некоторый потенциальный запас калорий. Очевидно, что калорическая ценность, дыхательный коэффициент и величина теплообразования для разных веществ различны. Физиологическая калорическая ценность (в ккал/г) составляет для углеводов — 4, 1; липидов — 9, 3; белков — 4, 1; величина теплообразования (в ккал на 1 литр потребленного кислорода) для углеводов составляет 5, 05; липидов — 4, 69; белков — 4, 49.

Процесс анаболизма по аналогии с катаболическими процессами также проходит три стадии. При этом исходными веществами для анаболических процессов служат продукты второй стадии и промежуточные соединения третьей стадии катаболизма. Таким образом вторая и третья стадии катаболизма являются в то же время первой, исходной стадией анаболизма и химические реакции, протекающие в данном месте и в данное время, выполняют по сути двойную функцию. С одной стороны, они являются основой завершающего этапа катаболизма, а с другой — служат инициацией для анаболических процессов, поставляя вещества-предшественники для последующих стадий ассимиляции. Подобным образом, например, начинается синтез белка. Исходными реакциями этого процесса можно считать образование некоторых a-кетокислот. На следующей, второй стадии в ходе реакций аминирования или трансаминирования эти кетокислоты превращаются в аминокислоты, которые на третьей стадии анаболизма объединяются в полипептидные цепи. В результате ряда последовательных реакций происходит также синтез нуклеиновых кислот, липидов и полисахаридов. Тем не менее следует подчеркнуть, что пути анаболизма не являются простым обращением процессов катаболизма. Это связано прежде всего с энергетическими особенностями химических реакций. Некоторые реакции катаболизма практически необратимы, поскольку их протеканию в обратном направлении препятствуют непреодолимые энергетические барьеры. Поэтому в ходе эволюции были выработаны другие, специфические для анаболизма реакции, где синтез олиго- и полимерных соединений сопряжен с затратой энергии макроэргических соединений, прежде всего – АТФ.

Читайте также:
Расстояние от Земли до Луны: сколько километров, среднее расстояние между центрами Земли и спутника, Википедия

Лекция №15 Обмен веществ в клетке

Обмен веществ(метаболизм) – совокупность протекающих в живых организмах химических превращений, обеспечивающих их рост, жизнедеятельность, воспроизведение, постоянный контакт и обмен с окружающей средой. По субстрату, подлежащему обмену, различают белковый жировой , углеводный обмен, обмен воды и минеральных веществ.

В обмене веществ различают две стороны: ассимиляцию и диссимиляцию.

Ассимиляция – (пластический обмен, анаболизм) – эндотермический процесс уподобления веществ, поступающих в клетку, специфическим веществам самой клетки. Идет в цитоплазме клетки.

Диссимиляция – (энергетический обмен, катаболизм – экзотермический процесс распада веществ клетки до простых неспецифических соединений. Начинается в цитоплазме, заканчивается в митохондриях с образованием энергии.

Этапы энергетического обмена:

I. Подготовительный. Крупные полимеры (белки, жиры, углеводы) распадаются на мономеры (глицерин, высшие жирные кислоты, аминокислоты, глюкозу) в реакциях гидролиза. У одноклеточных животных идет в пищеварительных вакуолях, в клетках тканей в – лизосомах. У многоклеточных в желудочно – кишечном тракте выделяется 1% энергии в виде тепла, она рассеивается.

II. Бескислородный – происходит гликолиз или молочно – кислое брожение – расщепление глюкозы в цитоплазме клеток до молочной кислоты. Освободившаяся энергия (30%) расходуется на синтез 2 молекул АТФ. У некоторых микроорганизмов , а так же иногда в клетках животных глюкоза может расщепляться до этанола. Остальная энергия рассеивается в виде тепла.

Аминокислоты, высшие жирные кислоты, глицерин способны расщепляться до молочной кислоты и, иногда, спирта, с освобождением энергии (до 30% суммарной энергии процесса).

III. Кислородный – универсальный этап, он одинаков для распада аминокислот, глюкозы, высших жирных кислот. Расщепление всех типов органических веществ заканчивается образованием CO2 и H2O. В частности при расщепление 2 молекул молочной кислоты высвобождается энергия и синтезируется 36 молекул АТФ. Происходит в митохондриях, где есть ферменты и атомарный кислород. Весь процесс окисления органических соединений в присутствии О2 называется тканевым дыханием (или биологическим окислением). Энергия выделяется дискретно (порциями), идет на синтез АТФ и частично рассеивается в виде тепла. По типу диссимиляции выделяют аэробов (осуществляют дыхание) и анаэробов (осуществляют брожение).

Этапы пластического обмена.

I. Из простых веществ (CO2, H2O, NH3) и множества промежуточных соединений (молочная кислота, глицерин и др.) синтезируется необходимые для организма аминокислоты, высшие жирные кислоты, моносахара, азотные основания.

II. Происходит сборка из мономеров сложных высокомолекурных соединений. белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот. Эти реакции протекают на мембранах ЭПС и комплекса Гольджи в рибосомах.

По типу ассимиляции выделяют 3 группы организмов:

Условия, обеспечивающие более интенсивный обмен веществ.

1.Каждая клетка сама синтезирует себе белки, липиды, полисахариды, нуклеиновые кислоты.

2.Каждая реакция, происходящая в клетке, катализируется отдельным ферментом.

3.Ферментные процессы возможны благодаря особому физическому состоянию цитоплазмы, которая представляет собой коллоидный раствор белков.

Ферменты, их группы. Fermentum – закваска (энзим). Известно около 2 х тысяч ферментов.

Все химические реакции в клетке идут с участием биологических катализаторов – ферментов. Все ферменты – белки, но не все белки – ферменты. В структуре белков – ферментов выделяют активный центр. Это небольшой участок молекулы белка, на котором идет определенная химическая реакция. Ферменты специфичны. Они катализируют определенные химические реакции и преобразуют строго определенные химические вещества в клетке.

Выделяют несколько групп ферментов: липазы, амилазы, нуклеазы, протеазы, трансферазы, оксидоредуктазы и др. (действуют соответственно на жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, белки;катализируют перенос химических групп с одной молекулы на другую; участвуют в окислении одного субстрата и восстановлении другого).

Читайте также:
Неживая природа: определение, какие объекты и явления к ней относится, примеры

Условия для действия ферментов.

2.Определенная температура (до 50 0 С).

4. Оптимальная ионная сила.

5. Гидратная оболочка – поддерживает структуру фермента и его активного центра.

6.Наличие коферментов – веществ небелковой природы (ионы тяжелых металлов, аминокислоты, витамины), входящих в состав активного центра фермента, устойчивы к температуре. Коферменты усиливают активность фермента.

Ферменты действуют на:

1. одно вещество (лактаза только на лактозу)

2. химическую связь (липаза – на жиры)

Нуклеиновые кислоты были открыты в 1870 году швейцарским биохимиком Ф.Мишером. Он выделил из ядра клетки вещество, содержащее азот и фосфор, и назвал его нуклеином (nucleus – ядро). Позже выявили в нём несколько видов нуклеиновых кислот.

Нуклеиновые кислоты – это природные высокомолекулярные соединения, обеспечивающие хранение, передачу и реализацию наследственной информации в живых организмах.

Виды нуклеиновых кислот:

I. ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота

II. РНК – рибонуклеиновая кислота

ДНК: 1) Двуспиральный полимер, состоящий из мономеров – нуклеотидов.

2) Строение нуклеотида:

а) одно из 4 –х азотистых оснований

пуриновые А – аденин

пиримидиновые Т – тимиин

Нуклеотидный состав количественно проанализировал американский биохимик Эдвин Чаргафф (1902 г) и сделал вывод: «число пуриновых оснований всегда равно числу пиримидиновых; количество аденина равно количеству тимина, а гуанина – цитозину (правило Чаргаффа).

Комплиментарные пары азотистых оснований – А =Т, ГºЦ

б) углевод – дезоксирибоза

в) один остаток фосфорной кислоты

3). Локализация в клетке – в хромосомах органеллах цитоплазмы (митохондриях, пластидах, центросоме).

4. Функции: а) хранение наследственной информации

б) передача наследственной информации

в) реализация наследственной информации в ходе биосинтеза белка

РНК. 1. Одно-цепочный полимер, мономером является нуклеотид.

2. Строение нуклеотида:

а) одно из четырех азотистых оснований:

б) углевод – рибоза

в) один остаток фосфорной кислоты

3. Локализация в клетке – ядрышко, рибосомы,цитоплазма.

1. и-РНК (5% от всей РНК клетки) – содержит информацию о строении белка и состоит из 300 – 3000 нуклеотидов.

Существует в 2 х формах:

а) незрелая и-РНК (и-РНК – предшественница, про-и-РНК). Синтезируется на молекуле ДНК. У эукариот включает в себя экзоны (кодирующие участки) и интроны (некодирующие участки). При переходе из ядра в цитоплазму претерпевает процессинг (созревание). У прокариот в процессе созревания происходит укорочение молекулы незрелой и-РНК за счёт «отрезания» её концевых участков. У эукариот созревание происходит за счёт вырезания интронов и «сшивания» оставшихся экзонов. Таким образом, в результате процессинга образуется вторая форма – б) зрелая и-РНК, которая несёт информациюо порядке расположения аминокислот в молекуле белка.

2. т-РНК (10% от всей РНК клетки) – транспортирует аминокислоты к рибосомам. Состоит из 70 – 100 нуклеотидов. Выделяют 61 вид. Синтезируется в ядрышке.

3.р-РНК (85% от всей РНК клетки) – является структурным компонентом рибосом, контролирует начало и окончание синтеза белковой молекулы. Синтезируется в ядрышке, содержит 3 – 5 тысяч нуклеотидов.

Генетический код – это схема расположения трех нуклеотидов, следующих друг за другом в молекуле ДНК и определяющих место аминокислот в молекуле белка. Начал расшифровку генетического кода Ниренберг.

Основные свойства генетического кода.

1.Генетический код триплетен. Каждую аминокислоту в молекуле белка кодируют три нуклеотида молекулы ДНК – триплет, кодон. Есть таблица всех кодонов.

2.Генетический код избыточен (вырожден). Это значит, что для кодирования 20-и аминокислот существует 64 комбинации триплетов (число сочетаний из 4-х по 3). Одну и ту же аминокислоту могут кодировать несколько триплетов (до 6-и). Они отличаются по последнему (3-му) азотистому основанию.

3. Генетический код коллинеарен. Тип и последовательность триплетов нуклеотидов молекулы ДНК строго соответствует типу и последовательности аминокислот в молекуле белка.

4. Код “не имеет запятых” – непрерывен. Между триплетами нуклеотидов в ДНК нет никаких дополнительных знаков, разделяющих их. Если выпадает или вставляется одно азотистое основание, то считывание идет дальше, т.е. включается в кодон следующее азотистое основание.

5. Генетический код не перекрывается. Считывание информации в гене происходит последовательно триплет за триплетом. Одно и то же азотистое основание не может одновременно входить в два кодона.

Читайте также:
Площадь зарубежной Европы: список европейских стран, столицы государств, численность населения

6. Генетический код специфичен. Определенную аминокислоту кодируют строго определенные триплеты (кодоны). Реально кодируют аминокислоты 61 триплет. Существует 3 бессмысленных триплета (УАГ, УАА, УГА). Они не кодируют аминокислоты, но смогут указывать на начало и конец гена, т.е. “точки” генетического кода.

7. Генетический код универсален для всех видов живых организмов на Земле от вирусов и бактерий для человека. Один и тот же триплет нуклеотидов у организмов любого вида кодирует одну и ту же аминокислоту.

Поток информации – перенос информации с ДНК на белок.

Компоненты потока информации:

  1. Ядро (ДНК хромосом)
  2. Все виды РНК.
  3. Аппарат трансляции (рибосомы и полисомы, т-РНК, ферменты активации аминокислот)
  4. Генетический код.

Этапы биосинтеза белка.

I Транскрипция – переписывание генетической информации с ДНК на РНК. При этом образуются две формы и-РНК: про-и-РНК, незрелая и зрелая и-РНК.

II. Трансляция – расшифровка генетической информации и ее перевод с языка нуклеотидов ДНК и и-РНК на язык аминокислот молекулы белка

Поток энергии – у представителей разных групп организмов представлен внутриклеточными механизмами энергообеспечения – брожением, фото – и хемосинтезом, дыханием.

Поток веществ – метаболические пути расщепления и синтеза углеводов, белков, жиров, нуклеиновых кислот.

2. Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция)

В любой клетке главным источником энергии для всех протекающих в ней процессов служит универсальное энергетическое соединение — АТФ.

shutterstock_1509423494 — копия.jpg

АТФ образуется в результате присоединения к АДФ (аденозиндифосфату) одного остатка фосфорной кислоты. Этот процесс называется фосфорилированием :

В молекуле АТФ есть две богатые энергией химические связи. Это связи между остатками фосфорной кислоты. Такие высокоэнергетические связи называют макроэргическими . При разрыве одной макроэргической связи АТФ превращается в АДФ и выделяется около (40) кДж/моль энергии.

Энергетический обмен (диссимиляция, катаболизм) — это реакции расщепления и окисления органических веществ, протекающие с выделением энергии, частично расходующейся на образование АТФ.

В кислородсодержащей среде (у аэробных организмов) диссимиляция протекает в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный. В результате образуются простые неорганические вещества.

углеводыw1930.png

В бескислородной среде (у анаэробных организмов), а также при недостатке кислорода у аэробных организмов, энергетический обмен протекает в два этапа: подготовительный и бескислородный. В этом случае количество запасённой энергии намного меньше, чем в присутствии кислорода.

На подготовительном этапе большие молекулы органических веществ распадаются до более простых: из полисахаридов образуются моносахариды, из жиров — смесь глицерина и жирных кислот, а из белков — смесь аминокислот.

На подготовительном этапе АТФ не образуется, а небольшое количество выделяющейся энергии рассеивается.

На втором этапе происходит расщепление продуктов подготовительного этапа под действием ферментов. Кислород при этом не используется.

Бескислородный этап расщепления глюкозы имеет название гликолиз. Этот процесс протекает в цитоплазме клеток.

При гликолизе происходит несколько реакций, в результате которых из молекулы глюкозы C 6 H 12 O 6 образуется (2) молекулы пировиноградной кислоты (ПВК) C 3 H 4 O 3 , а также (2) молекулы АТФ. В них запасается около (40) % выделившейся энергии, остальные (60) % рассеиваются.

Образовавшаяся пировиноградная кислота в анаэробных условиях превращается в молочную кислоту C 3 H 6 O 3 :

Такой процесс происходит в клетках животных, некоторых грибов и бактерий. Молочная кислота может образоваться и в мышцах человека при длительных нагрузках и недостатке кислорода. Тогда мышцы начинают болеть.

В растительных клетках и клетках дрожжей из пировиноградной кислоты образуется этиловый спирт C 2 H 5 OH и углекислый газ CO 2 , т. к. происходит спиртовое брожение :

C 6 H 12 O 6 + 2 H 3 PO 4 + 2 АДФ = 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 + 2 АТФ + 2 H 2 O .

В кислородной среде после гликолиза протекает третий этап энергетического обмена — кислородный, или клеточное дыхание. Полное кислородное расщепление осуществляется на мембранах митохондрий.

Этот этап тоже является многостадийным. В нём выделяют два процесса — цикл Кребса и окислительное фосфорилирование .

Сущность третьего (кислородного) этап заключается в окислении ПВК до углекислого газа и воды При этом выделившаяся энергия запасается в (36) молекулах АТФ ((2) — в цикле Кребса и (34) — при окислительном фосфорилировании).

Так как (2) молекулы АТФ образуются при гликолизе, то в сумме при полном окислении одной молекулы глюкозы образуется (38) молекул АТФ.

Читайте также:
Антропогенные факторы: деятельность, влияющая на окружающую среду; ее изменения под их влиянием.

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 = 6 CO 2 + 6 H 2 O + 38 АТФ .

В реакциях энергетического обмена используется не только глюкоза, но и липиды, белки. Но главным источником энергии в большинстве клеток являются углеводы.

Обмен веществ и превращение энергии – свойства живых организмов. Энергетический обмен и пластический обмен, их взаимосвязь. Стадии энергетического обмена. Брожение и дыхание

Обмен веществ и превращение энергии – свойства живых организмов

Обмен веществ является комплексом различных химических преобразований, способствующих сохранению и самовоспроизведению биоструктур.

Обмен веществ и превращения энергии

Он заключается в поступлении веществ в организм во время питания и дыхания, метаболизме внутри клетки или обмене веществ, вдобавок, в высвобождении конечных продуктов метаболизма.

Метаболизм неотрывно соединён с процессами преобразований определённых видов энергии в другие. К примеру, в начале процесса фотосинтеза световая энергия скапливается в виде энергии химических связей сложных органических молекул, в процессе же дыхания она освобождается и применяется для синтезирования новых молекул, механические и осмотические работы, рассеянные в виде тепла и т. д.

Поток химических превращений в живых организмах снабжается биологическими катализаторами белковой специфики — ферментами или энзимами. Наряду с остальными катализаторами, энзимы ускоряют течение химических реакций в клетке до нескольких сотен тысяч раз, при этом они не меняют природу или свойства конечных продуктов клетки. Ферменты представляют собой простые или сложные белковые молекулы, которые, помимо части, состоящей из белка, включают небелковый кофактор, по – другому называемый коферментом. Ферментами являются, например: амилаза слюны, которая расщепляет гликаны при длительном жевании и пепсин, который обеспечивает переваривание белков в желудочно-кишечном тракте.

Ферменты различаются с небелковыми катализаторами тем, что имеют высокую специфичность действия, в значительной степени увеличенную скорости реакции, а также возможностью регулирования действия путем смены условий реакции или взаимодействия различных веществ с ними. Кроме того, условия, при которых протекает ферментативный катализ, значительно различаются с теми, при которых происходит неферментативный катализ: оптимальная температура для того, чтобы ферменты могли функционировать в организме человека, составляет 37 ° С, а также необходимо, чтобы давление являлось близким к атмосферному, в то время как кислотность среды может значительно варьироваться. Например, для амилазы необходима щелочная среда, для пепсина же наоборот – кислая.

Механизм действия ферментов заключается в том, чтобы снизить энергию активации веществ (субстратов), которые вступают в реакцию вследствие образования промежуточных фермент-субстратных комплексов.

Механизм действия ферментов

Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь

Метаболизм процессуально слагается из двух частей, происходящих в клетке в одно и то же время: пластического и энергетического обмена.

Пластический метаболизм (анаболизм, ассимиляция) является совокупностью реакций синтеза, сопровождающихся расходом энергии аденозинтрифосфата. Пластический обмен особенно важен тем, что в результате него синтезируются органические вещества, играющие важную роль в жизнедеятельности клетки. Реакциями данного обмена являются, например, процесс фотосинтеза, биологический синтез белковых молекул и репликация молекул ДНК (самодублирование).

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) являет собой сочетание реакций разложения сложных веществ на более простые. Результатом данного обмена является накапливание энергии в форме АТФ. Важнейшими процессами энергетического обмена являются дыхание и брожение.

Пластический и энергетический обмены прочно коррелируют между собой, в связи с тем, что синтез органических веществ происходит в процессе пластического обмена, а для этого нужна именно энергия АТФ; в процессе обмена энергии органические вещества разлагаются, и высвобождается АТФ, а затем используется для синтеза.

Получение энергии организмами осуществляется в процессе питания, затем высвобождают ее и переводят в форму, доступную главным образом в процессе дыхания. По способу питания все организмы подразделяются на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофы способны к самостоятельному синтезу органических веществ из неорганических, а гетеротрофные организмы поглощают уже готовые органические вещества.

Ассимиляция — биосинтез макромолекул, свойственных клеткам организма. Растения и многие бактерии могут создавать молекулы глюкозы из углекислого газа и воды. На этот процесс расходуется и запасается энергия. Животным необходимы готовые молекулы белков, жиров и углеводов (БЖУ). Это важнейший строительный и энергетический материал для клеток.

Ассимиляция — это совокупность процессов создания структур организма с накоплением энергии.

  • Поступление из внешней среды веществ, необходимых для организма;
  • Превращение питательных веществ в соединения, которые могут использоваться клетками и тканями;
  • Синтез структурных элементов клеток, ферментов и т.д., замена устаревшим новыми;
  • Синтез более сложных соединений из более простых;
  • Отложение запасов.
Читайте также:
Что изучает социальная география, экономическая, физическая и основоположник науки

Чтобы организм мог усвоить вещества из пищи, они должны быть сначала разобраны на «кирпичики» или мономеры. Из них в организме «собираются» собственные макромолекулы.

Диссимиляция — распад веществ, противоположный ассимиляции (биосинтезу). Белки гидролизуются до аминокислот. При распаде жиров выделяются жирные кислоты и глицерин. Сложные углеводы разлагаются на простые сахара.

Ассимиляция и диссимиляция происходят согласованно. Распад и окисление веществ с выделением энергии возможны лишь тогда, когда есть субстрат — макромолекулы. Они разлагаются на мономеры, которые участвуют в биосинтезе. Выделяющаяся при диссимиляции энергия затрачивается на образование свойственных организму веществ.

Стадии энергетического обмена

Несмотря на сложность реакций обмена энергии, он разделяется на три фазы:

  1. подготовительная,
  2. анаэробная (без кислорода),
  3. аэробная (кислород).

Стадии энергетического обмена

На подготовительном этапе происходит разложение молекул гликанов, липидов, белков, нуклеиновых кислот на более простые, к примеру, на глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты, нуклеотиды. Эта фаза может осуществляться непосредственно в клетках или в кишечнике, откуда эти вещества переносятся кровотоком.

В анаэробной фазе энергетического катаболизма в дальнейшем происходит расщепление мономеров органических соединений до более простых промежуточных соединений, к примеру, пировиноградной кислоты или пирувата. Он не нуждается в присутствии кислорода, и для организмов, живущих в болотном иле, это единственный способ получить энергию. Анаэробная фаза энергетического обмена проходит в цитоплазме.

Некоторые вещества подвергаются бескислородному расщеплению, при этом глюкоза, чаще всего, остается основным субстратом реакций. Процесс его свободного от кислорода распада принято называть гликолизом. Вследствие гликолиза, молекула глюкозы теряет четыре атома водорода, то есть она окисляется, и образуются две молекулы пировиноградной кислоты, две молекулы АТФ и две молекулы переносчика водорода, восстановленного НАДH + H + :

Образование АТФ из АДФ осуществляется за счет прямого переноса фосфат-аниона из предварительно фосфорилированного сахара и называется субстратным фосфорилированием.

Аэробная фаза энергетического катаболизма может происходить только в присутствии кислорода, тогда как промежуточные продукты, образующиеся при бескислородном разложении, окисляются до конечных продуктов (углекислого газа и воды), и большая часть энергии, хранящейся в химических связях органических соединений, высвобождается. В молекулу АТФ входит 36 макроэргических связей. Эта стадия имеет такое название, как тканевое дыхание. Когда кислород отсутствует, происходит преобразование промежуточных продуктов обмена веществ в определённые органические вещества, данный процесс принято называть ферментацией или брожением.

Брожение и дыхание

Брожение и дыхание это две различные формы диссимиляции — разложения веществ в организме для получения энергии.

Брожение

Примеры процессов брожения известны из повседневной жизни, производственной деятельности.

  1. Спиртовое брожение заключается в метаболическом превращении углеводов микроорганизмами, преимущественно дрожжами. В результате образуется этиловый спирт, АТФ и вода, выделяется углекислый газ. Энергию микроорганизмы используют для жизнедеятельности, деления клеток. Спиртовое брожение используется в производстве алкогольных напитков. Пекарские дрожжи в хлебопечении тоже перерабатывают углеводы на этанол и углекислый газ, разрыхляющий тесто.
  2. Молочнокислое брожение завершается образованием молекул молочной кислоты, АТФ, водорода и воды. Так скисает молоко, получается пахта, йогурт, сметана, творог. (Рисунок 1). Этот же тип брожения происходит при квашении капусты. Молочнокислые бактерии уменьшают рН субстрата, создают кислую среду. Они не нуждаются в кислороде, но выживают и в кислородной среде.
  3. Уксуснокислое брожение приводит к изменениям сока, вина. Сначала, в результате спиртового брожения, вырабатывается этанол. Затем, уксуснокислые бактерии перерабатывают спирт на органические кислоты, в основном яблочную, лимонную, молочную. Так получают натуральный уксус из плодово-ягодного сырья.

Во всех случаях брожения микроорганизмы изменяют углеводы и производят макроэнергетическое вещество — АТФ. Для этого процесса не требуется кислород, что является важнейшим отличием от дыхания. Общий признак — химическая энергия связей в молекуле глюкозы преобразуется в энергию в форме АТФ, которая используется для жизненных процессов.

Брожение — древнейший и не самый совершенный способ выработки энергии. Из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ. Кислородный процесс более эффективен в плане получения энергии.

Читайте также:
Понятие фототрофа в биологии, примеры микроорганизмов, тип питания бактерий

Организмы, которым необходим кислород для дыхания, являются аэробами (в переводе с греческого «аэр» — воздух). Внешняя сторона процесса заключается в поглощении кислорода из воздуха и выделении диоксида углерода.

Молекулы О2 попадают в организм насекомых через трахеи. Для рыб характерно жаберное дыхание, для млекопитающих — легочное. Переносят кислород к органам и транспортируют диоксид углерода красные кровяные клетки, содержащие гемоглобин.

При отсутствии кислорода начинает происходить ферментация. Ферментация является эволюционно более ранним способом генерирования энергии, чем дыхание, но она менее энергетически выгодна, потому что ферментация производит органическое вещество, которое все еще богато энергией. Различают несколько основных видов брожения: уксусно – кислое, спиртовое, маслянокислое, молочнокислое, метановое и др.

Стало быть, в скелетных мышцах в отсутствие кислорода во время ферментации пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты, тогда как ранее образованные восстановительные эквиваленты расходуются, и остаются только две молекулы АТФ:

При ферментации с дрожжами пировиноградная кислота в присутствии кислорода преобразуется в этиловый спирт и окись углерода (IV):

Во время ферментации с использованием микроорганизмов пируват также может образовывать уксусную, масляную, муравьиную кислоты и так далее.

Энергия АТФ, которая образуется вследствие энергетического обмена, используется клеткой на различные виды работ:

  • Химическая работа включает в себя биосинтез белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и других важных соединений.
  • Осмотическая работа включает процессы поглощения и удаления веществ из клетки, находящиеся во внеклеточном пространстве в более высоких концентрациях, чем в самой клетке.
  • Электрическая работа неразрывно связана с осмотической, ведь именно из – за перемещения заряженных частиц через мембраны формируется заряд мембраны и приобретаются свойства возбудимости и проводимости.
  • Механическая работа связана с передвижением веществ и структур во внутриклеточном пространстве и непосредственно клетки в целом.
  • К регуляторной работе относят все процессы, которые направлены на координировании процессуальных действий в клетке.

Дыхание

Кислородное дыхание производится в митохондриях, где пировиноградная кислота вначале теряет один атом углерода, что сопровождается синтезом одного восстанавливающего эквивалента молекул НАДН + Н + и ацетилкофермента A (ацетил-КоА):

С3Н4О3 + НАД + Н ~ КоАСН3СО ~ КоА + НАДН + Н + + СО2.

Ацетил-КоА в митохондриальном матриксе участвует в цепочке химических превращений, которые в совокупности называются циклом Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты). Во время этих превращений образуются две молекулы АТФ, ацетил-КоА полностью окисляется до диоксида углерода, а его ионы водорода и электроны присоединяются к водородным векторам НАДН + Н + и НАДH2. Носители переносят протоны и электроны водорода во внутренние митохондриальные мембраны, которые образуют гребни. При помощи белков-носителей протоны водорода вводятся в межмембранное пространство, а электроны переносятся через, так называемую, дыхательную цепь энзимов, которые расположены во внутренней митохондриальной мембране, и разряжаются в атомы кислорода:

O2 + 2 e−O 2− .

Важно то, что в дыхательной цепи имеются белки, содержащие железо и серу.

Протоны водорода переносятся из межмембранного пространства в митохондриальный матрикс благодаря специальным ферментам, АТФ-синтетаз, а энергия, выделенная в результате этого процесса, используется для синтеза 34 молекул АТФ из каждой молекулы глюкозы. Этот процесс называется окислительным фосфорилированием. В митохондриальной матрице протоны водорода, прореагировавшие с радикалами кислорода с образованием воды:

4H + + O 2−2H2O.

Набор кислородных дыхательных реакций можно выразить таким уравнением:

Общее уравнение дыхания выглядит следующим образом:

Таким образом, клеточное дыхание в организме человека происходит поэтапно. Гликолиз сопровождается образованием 8 молекул АТФ (2 из них расходуются). Окислительное декарбоксилирование «дает» 6 АТФ, цикл Кребса — 24 АТФ. Итого, разложение молекулы глюкозы приводит к созданию 38 молекул АТФ. Аэробное дыхание — более совершенный способ получения и накопления энергии.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: