Какви са крайните продукти на подготвителния етап на енергийния метаболизъм. Енергиен метаболизъм - какво е това и какви етапи има

енергиен обмен (катаболизъм, дисимилация) - набор от реакции на разделяне на органични вещества, придружени от освобождаване на енергия. Енергията, освободена при разграждането на органичните вещества, не се използва веднага от клетката, а се съхранява под формата на АТФ и други високоенергийни съединения. АТФ е универсалният енергиен източник на клетката. Синтезът на АТФ се осъществява в клетките на всички организми в процеса на фосфорилиране - добавянето на неорганичен фосфат към АДФ.

При аеробикаорганизмите (живеещи в кислородна среда) разграничават три етапа на енергийния метаболизъм: подготвително, безкислородно окисление и кислородно окисление; при анаеробниорганизми (живеещи в безкислородна среда) и аеробни организми с липса на кислород - два етапа: подготвително, безкислородно окисление.

Подготвителен етап

Състои се в ензимно разграждане на сложни органични вещества до прости: протеинови молекули - до аминокиселини, мазнини - до глицерин и карбоксилни киселини, въглехидрати - до глюкоза, нуклеинова киселинакъм нуклеотиди. Разграждането на макромолекулите органични съединенияизвършва се или от ензими стомашно-чревния трактили лизозомни ензими. Цялата освободена енергия се разсейва под формата на топлина. Получените малки органични молекули могат да се използват като " строителен материал“ или може да претърпи допълнително разделяне.

Аноксично окисление или гликолиза

Този етап се състои в по-нататъшното разцепване на органичните вещества, образувани по време на подготвителна фаза, се среща в цитоплазмата на клетката и не изисква наличието на кислород. Основният източник на енергия в клетката е глюкозата. Процесът на безкислородно непълно разграждане на глюкозата - гликолиза.

Загубата на електрони се нарича окисление, придобиването се нарича редукция, докато донорът на електрони се окислява, акцепторът се редуцира.

трябва да бъде отбелязано че биологично окислениев клетките може да се случи както с участието на кислород:

A + O 2 → AO 2,

и без негово участие, поради прехвърлянето на водородни атоми от едно вещество в друго. Например вещество "А" се окислява за сметка на вещество "В":

AN 2 + B → A + BH 2

или поради трансфер на електрони, например, двувалентното желязо се окислява до тривалентен:

Fe 2+ → Fe 3+ + e -.

Гликолизата е сложен многоетапен процес, който включва десет реакции. По време на този процес настъпва дехидрогениране на глюкоза, коензимът NAD + (никотинамид аденин динуклеотид) служи като акцептор на водород. Глюкозата като резултат от веригата ензимни реакциисе превръща в две молекули пирогроздена киселина (PVA), докато се образуват общо 2 ATP молекули и редуцирана форма на водородния носител NAD H 2:

C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2H 3 RO 4 + 2NAD + → 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP + 2H 2 O + 2NAD H 2.

По-нататъшната съдба на PVC зависи от наличието на кислород в клетката. Ако няма кислород, дрождите и растенията ще го направят алкохолна ферментация, при което първо се образува ацеталдехид, а след това етилов алкохол:

1. C 3 H 4 O 3 → CO 2 + CH 3 SON,
2. CH 3 SON + NAD H 2 → C 2 H 5 OH + OVER +.

При животните и някои бактерии, когато има недостиг на кислород, млечнокисела ферментацияс образуването на млечна киселина:

C 3 H 4 O 3 + NAD H 2 → C 3 H 6 O 3 + НАД +.

В резултат на гликолизата на една глюкозна молекула се отделят 200 kJ, от които 120 kJ се разсейват под формата на топлина, а 80% се съхраняват в АТФ връзки.

Кислородно окисление или дишане

Състои се в пълното разграждане на пирогроздената киселина, възниква в митохондриите и със задължителното присъствие на кислород.

Пирувиновата киселина се транспортира до митохондриите (устройство и функции на митохондриите – лекция No7). Тук протича дехидрогениране (елиминиране на водород) и декарбоксилиране (елиминиране на водород). въглероден двуокис) PVC с образуването на двувъглеродна ацетилова група, която влиза в цикъл от реакции, наречени реакции на цикъла на Кребс. Има допълнително окисление, свързано с дехидрогениране и декарбоксилиране. В резултат на това три молекули CO 2 се отстраняват от митохондриите за всяка разрушена PVC молекула; образуват се пет двойки водородни атоми, свързани с носители (4NAD H 2, FAD H 2), както и една ATP молекула.

Цялостната реакция на гликолиза и разрушаване на PVC в митохондриите към водород и въглероден диоксид изглежда така по следния начин:

C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O → 6CO 2 + 4ATP + 12H 2.

Две молекули АТФ се образуват в резултат на гликолиза, две - в цикъла на Кребс; две двойки водородни атоми (2NADHH2) се образуват в резултат на гликолиза, десет двойки - в цикъла на Кребс.

Последният етап е окислението на водородни двойки с участието на кислород до вода с едновременно фосфорилиране на ADP до ATP. Водородът се прехвърля към три големи ензимни комплекса (флавопротеини, коензими Q, цитохроми) на дихателната верига, разположени във вътрешната мембрана на митохондриите. Електроните се вземат от водорода, който в крайна сметка се комбинира с кислорода в митохондриалната матрица:

O 2 + e - → O 2 -.

Протоните се изпомпват в междумембранното пространство на митохондриите, в "протонния резервоар". Вътрешната мембрана е непропусклива за водородни йони, от една страна е заредена отрицателно (поради O 2 -), от друга - положително (поради Н +). Когато потенциалната разлика във вътрешната мембрана достигне 200 mV, протоните преминават през канала на ензима АТФ синтетаза, образува се АТФ и цитохромоксидазата катализира редукцията на кислорода до вода. И така, в резултат на окисляването на дванадесет двойки водородни атоми се образуват 34 ATP молекули.

Метаболизмът е всички химични реакции, които протичат в клетките на живите организми, нарича се още метаболизъм. Разделя се на анаболизъм и катаболизъм, тоест енергиен метаболизъм. Първият включва образуването на по-сложни от прости химични съединения. Този процес се нарича още пластичен обмен. За неговото изпълнение е необходима енергия, която се получава от клетката поради катаболизма. Чрез този процес клетката синтезира необходимите нуклеинови киселини, протеини, полизахариди и други подобни. Всички тези вещества могат да действат като строителен материал за клетката и организма като цяло, да изпълняват функцията на ензими, хормони и др. Ще се спрем по-подробно на втория процес - енергийния метаболизъм.

Какво е катаболизъм?

Енергийният метаболизъм е процес, при който вещества със сложна структура се разграждат на по-прости или окисляват, в резултат на което тялото получава необходимата за живота енергия. Катаболизмът включва няколко етапа, по време на които протичат различни химични реакции. Те се отличават с три.

Етапи на енергийния метаболизъм

Изброявайки етапите на катаболизма, можем да различим подготвителен, анаеробен (без кислород) и аеробен (с използване на кислород).

Подготвителен етап

По това време сложни молекули на съединения като протеини, въглехидрати и липиди се разграждат на по-прости и на този етап полимерите се превръщат в мономери. Този процесвъзниква извън клетката, в органите храносмилателната система. Те участват в това стомашен соки различни ензими. Кислородът не е необходим за реакциите на този етап. В резултат на реакциите, протичащи по това време, протеините се денатурират и разлагат на аминокиселини, сложните въглехидрати се превръщат в прости монозахариди, глицеролът и висшите киселини се образуват от липидите. Част от процесите на този етап протичат и в лизозомите на клетката под въздействието на хидролазни ензими.

Вторият етап е анаеробна ферментация

Енергийният метаболизъм има етап на ферментация, който също се нарича гликолиза. Освен това не изисква участието на кислород в химичните реакции. По принцип много много органична материяно предимно въглехидрати. В ход химична реакцияизползвани на този етап от катаболизма, се образуват алкохоли, въглероден диоксид, ацетон, органични киселини, в някои случаи водород и други вещества. Бактериите, едноклетъчните гъби и ферментиращите растения се използват широко в промишлеността, например за извличане на етилов алкохол, производство на сирене и други млечнокисели продукти, както и в хлебната промишленост за приготвяне на тесто. Ферментацията се нарича още непълно окисление.

Реакции, които възникват в тази стъпка и техните употреби

Пример за химичните реакции, протичащи на този етап, е най-разпространената – алкохолната ферментация. Това е процес на разделяне на глюкоза или фруктоза под въздействието на специални ензими, при които се отделят въглероден диоксид и етилов алкохол, а също така се образуват молекули на АТФ. Уравнението за тази химическа реакция изглежда така: C6H12O6 \u003d 2C2H5OH + CO2 + 2ATP. Организмите, които използват такава реакция, за да получат необходимата енергия, се използват в промишлеността за производството на алкохолни напитки. В резултат на процеса, който млечнокиселите бактерии използват за енергия, се образува млечна киселина. Уравнението изглежда така: С6Н12О6 = С3Н6О3 + 2ATP. В клетките на животни и гъби е често срещана реакция, в резултат на която се освобождава пирогроздена киселина. Този процес изглежда така: C6H12O6 \u003d 2C3H4O3 + (4H) + 2ATP.

Третият и последен етап е клетъчното дишане

Това се случва в митохондриите. На този етап се извършва окисление на веществата, поради което се освобождава определено количество енергия. В такива процеси, както може би се досещате, участва кислородът.


Той се доставя до различни тъкани на многоклетъчни организми с помощта на еритроцити, съдържащи хемоглобин, за да го пренасят. На този етап клетката разгражда веществата, получени в предишните етапи, до най-простите - въглероден диоксид и вода. Тези две вещества задължително се образуват в резултат на нормалното изгаряне на всяка органична материя. За да се извърши пълното окисляване на органично съединение стотици хиляди пъти по-бързо, отколкото би могло да изгори, и без използването на свръхвисоки температури, клетката се нуждае от различни ензими, които се съдържат в лизозомите. Също така, за получаване на енергия поради клетъчно дишаненеобходимо е веществото АДФ – аденозин дифосфат, което се използва и за много други цели. Основната химическа реакция, която се използва на този етап от енергийния метаболизъм, може да бъде записана по следния начин: 2C3H6O3 + 6O2 + 36H3PO4 + 36ADP = 6CO2 + 42H2O + 36ATP. От уравнението може да се види, че по време на този вид процес се освобождава значително количество енергия. Също така на този етап може да възникне реакцията на пълно окисление на пирогроздена киселина, в резултат на което също се освобождава енергия, но в по-малко количество.

Как се образува кислородът в атмосферата?

Поради факта, че основният процес, който е енергийният метаболизъм при животни, някои бактерии и гъби, е именно клетъчното дишане, кислородът е жизненоважен за тези организми. А такова високо съдържание в атмосферата на нашата планета дължим на растенията – белите дробове на Земята.

Те ни дават кислород и отнемат въглероден двуокис от въздуха чрез процеса на фотосинтеза, чрез който са прости неорганични веществанабавят необходимите за тях органични (най-често глюкоза или фруктоза). Процесът на фотосинтеза се осъществява благодарение на слънчевата енергия, която служи като ускорител за този вид химични реакции. Уравнението на фотосинтезата може да бъде написано по следния начин: 6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2. Процесите, разгледани в тази статия, още веднъж доказват, че всичко в природата е взаимосвързано: фотосинтезата се извършва с помощта на въглероден диоксид, който е ненужен за животните, а енергийният метаболизъм в последните е невъзможен без кислород, който се отделя от растенията като страничен продуктфотосинтеза.

Кои клетъчни органели участват в енергийния метаболизъм?

На първо място, това са митохондриите, именно в тях протича целият процес на клетъчно дишане. Веществата, получени в процеса на анаеробна ферментация, тоест на втория етап от енергийния метаболизъм, се окисляват върху техните кристали. Също така, това са лизозоми, които вече са многократно споменати в текста. Те съдържат в своята кухина, ограничена от мембрана, редица ензими, необходими за всички реакции. В цитоплазмата на клетката, с помощта на тези органели, протича процесът на непълно окисление (гликолиза) на органични съединения. Продуктите, образувани на този етап с участието на ензими, съдържащи се в лизозомите, служат като суровина за последващо клетъчно дишане, което се случва в митохондриите. Освен това в тези процеси участват микротубули, които транспортират вещества в клетката, както и плазмената мембрана, който съдържа специални протеини, които прехвърлят от заобикаляща средав цитоплазмата определени химически съединения, необходими за енергийния метаболизъм.

енергиен обмен(катаболизъм, дисимилация) - набор от реакции на разделяне на органични вещества, придружени от освобождаване на енергия. Енергията, освободена при разграждането на органичните вещества, не се използва веднага от клетката, а се съхранява под формата на АТФ и други високоенергийни съединения. АТФ е универсален източник на енергия за клетките. Синтезът на АТФ се осъществява в клетките на всички организми в процеса на фосфорилиране - добавянето на неорганичен фосфат към АДФ

ADP + H 3 RO 4 + енергия = ATP + H 2 О.

Подготвителен етап

Състои се в ензимно разграждане на сложни органични вещества до прости: протеинови молекули - до аминокиселини, мазнини - до глицерин и карбоксилни киселини, въглехидрати - до глюкоза, нуклеинови киселини - до нуклеотиди. Разграждането на високомолекулни органични съединения се извършва или от ензими на стомашно-чревния тракт, или от ензими на лизозоми. Цялата освободена енергия се разсейва под формата на топлина. Получените малки органични молекули могат да се използват като "строителен материал" или могат да бъдат допълнително разградени.

Аноксично окисление или гликолиза

Този етап се състои в по-нататъшното разцепване на органичните вещества, образувани по време на подготвителния етап, протича в цитоплазмата на клетката и не се нуждае от присъствието на кислород. Основният източник на енергия в клетката е глюкозата. Процесът на безкислородно непълно разграждане на глюкозата - гликолиза.

Гликолизата е сложен многоетапен процес, който включва десет реакции. По време на този процес настъпва дехидрогениране на глюкоза, коензимът NAD + (никотинамид аденин динуклеотид) служи като акцептор на водород. В резултат на верига от ензимни реакции глюкозата се превръща в две молекули пирогроздена киселина (PVA), докато се образуват общо 2 ATP молекули и редуцирана форма на водородния носител NAD H 2:

C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2H 3 RO 4 + 2NAD + → 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP + 2H 2 O + 2NAD H 2.

По-нататъшната съдба на PVC зависи от наличието на кислород в клетката. Ако няма кислород, дрождите и растенията преминават през алкохолна ферментация, при която първо се образува ацеталдехид, а след това етилов алкохол:

1. C 3 H 4 O 3 → CO 2 + CH 3 SON,
2. CH 3 SON + NAD H 2 → C 2 H 5 OH + OVER +.

При животни и някои бактерии при липса на кислород протича млечнокисела ферментация с образуването на млечна киселина:

C 3 H 4 O 3 + NAD H 2 → C 3 H 6 O 3 + НАД +.

В резултат на гликолизата на една глюкозна молекула се отделят 200 kJ, от които 120 kJ се разсейват под формата на топлина, а 80% се съхраняват в АТФ връзки.

Етапи на енергийния метаболизъм

	Подготвителен етап	Аноксичен стадий гликолиза	кислороден етап
Къде се извършва разделянето?	В храносмилателните органи, в клетките под действието на ензими	Вътре в клетката	в митохондриите
Какво активира разделянето?	Ензими на храносмилателни сокове	ензими на клетъчната мембрана	Митохондриални ензими
До какви вещества се разграждат клетъчните съединения?	Протеините са аминокиселини Мазнини - глицерин и мастни киселини Въглехидрати - глюкоза	Глюкоза (С6Н12О6) 2 молекули пирогроздена киселина (С3Н4О3) + енергия	Пирогроздена киселина до CO2 и H2O
Колко енергия се освобождава?	Малко се разсейва като топлина.	За сметка на 40% се синтезира АТФ, 60% се разсейва под формата на топлина	Над 60% от енергията се съхранява като АТФ
Колко енергия се синтезира под формата на АТФ?	____________	2 ATP молекули	36 ATP молекули

Кислородно окисление или дишане

Състои се в пълното разграждане на пирогроздената киселина, възниква в митохондриите и със задължителното присъствие на кислород. Този етап се нарича аеробно (кислородно) дишане или хидролиза. Осъществява се в „енергийните станции” на клетката – митохондриите и е свързана с митохондриалния матрикс и неговите вътрешни мембрани.

Органичните вещества, образувани в процеса на гликолиза, влизат в ензимния пръстен "конвейер", който се нарича цикъл на Кребс в чест на учения, който го е описал. Всички ензими, които катализират реакциите на този цикъл, са локализирани в митохондриите. На всички етапи на този процес, кислородът се абсорбира и въглеродният диоксид и водата се освобождават и енергията се съхранява в ATP молекулите. Освен това, образуването на ATP молекули е свързано с ензими, които се намират на вътрешната мембрана на митохондриите, които осигуряват освобождаването на енергия на малки порции , което позволява да се съхранява в химически връзкиАТФ.

Процесът на кислородно разграждане на млечната киселина може да се изрази с уравнението:

2C 3 H 4 O 3 + 6O 2 + 36 ADP + 36 H 3 RO 4 -\u003e 36 ATP + 6CO 2 + 42H 2 O.

Общата реакция на разграждането на глюкозата до въглероден диоксид и вода е както следва:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O + 38ATP + Q t,

където Q t - топлинна енергия