Koji su krajnji proizvodi pripremne faze energetskog metabolizma. Energetski metabolizam - šta je to i koje faze ima?

Energetski metabolizam (katabolizam, disimilacija) - skup reakcija razgradnje organskih tvari, praćenih oslobađanjem energije. Energija koja se oslobađa prilikom razgradnje organskih supstanci ćelija ne koristi odmah, već se pohranjuje u obliku ATP-a i drugih visokoenergetskih jedinjenja. ATP je univerzalni izvor ćelijske energije. Sinteza ATP-a odvija se u ćelijama svih organizama kroz proces fosforilacije – dodavanje neorganskog fosfata u ADP.

U aerobna organizmi (koji žive u okruženju kiseonika) razlikuju tri faze energetskog metabolizma: pripremnu, oksidaciju bez kiseonika i oksidaciju kiseonika; at anaerobni organizmi (koji žive u okruženju bez kisika) i aerobni s nedostatkom kisika - dvije faze: pripremna, oksidacija bez kisika.

Pripremna faza

Sastoji se od enzimske razgradnje složenih organskih supstanci na jednostavne: molekule proteina - na aminokiseline, masti - na glicerol i karboksilne kiseline, ugljikohidrate - na glukozu, nukleinske kiseline- do nukleotida. Dezintegracija visoke molekularne težine organska jedinjenja obavljaju enzimi gastrointestinalnog trakta ili lizozomski enzimi. Sva energija oslobođena u ovom slučaju se raspršuje u obliku topline. Nastale male organske molekule mogu se koristiti kao " građevinski materijal» ili može podvrgnuti daljnjoj degradaciji.

Anoksična oksidacija ili glikoliza

Ova faza se sastoji od daljeg razlaganja organskih materija koje nastaju tokom pripremna faza, javlja se u citoplazmi ćelije i ne zahteva prisustvo kiseonika. Glavni izvor energije u ćeliji je glukoza. Proces nepotpune razgradnje glukoze bez kiseonika - glikoliza.

Gubitak elektrona naziva se oksidacija, dobitak se naziva redukcija, dok se donor elektrona oksidira, a akceptor reducira.

Treba napomenuti da biološka oksidacija u ćelijama se može pojaviti i uz učešće kiseonika:

A + O 2 → AO 2,

i bez njegovog učešća, zbog prelaska atoma vodika iz jedne supstance u drugu. Na primjer, tvar "A" je oksidirana zbog supstance "B":

AN 2 + B → A + VN 2

ili zbog prijenosa elektrona, na primjer, dvovalentno željezo se oksidira u feri:

Fe 2+ → Fe 3+ + e - .

Glikoliza je složen višestepeni proces koji uključuje deset reakcija. Tokom ovog procesa, glukoza se dehidrogenira, a koenzim NAD+ (nikotinamid adenin dinukleotid) služi kao akceptor vodonika. Glukoza kao rezultat lanca enzimske reakcije pretvara se u dva molekula pirogrožđane kiseline (PVA), pri čemu se formiraju ukupno 2 molekula ATP-a i redukovani oblik nosača vodika NADH 2:

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

Dalja sudbina PVC-a zavisi od prisustva kiseonika u ćeliji. Ako nema kiseonika, kvasac i biljke doživljavaju alkoholna fermentacija, u kojem prvo dolazi do stvaranja acetaldehida, a zatim etil alkohola:

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

Kod životinja i nekih bakterija, kada postoji nedostatak kiseonika, fermentacija mliječne kiseline sa stvaranjem mliječne kiseline:

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

Kao rezultat glikolize jednog molekula glukoze, oslobađa se 200 kJ, od čega se 120 kJ raspršuje kao toplina, a 80% se pohranjuje u ATP vezama.

Oksidacija kiseonika ili disanje

Sastoji se u potpunom razgradnji pirogrožđane kiseline, javlja se u mitohondrijima i uz obavezno prisustvo kiseonika.

Pirogrožđana kiselina se transportuje do mitohondrija (struktura i funkcije mitohondrija - predavanje br. 7). Ovdje dehidrogenacija (eliminacija vodonika) i dekarboksilacija (eliminacija ugljen-dioksid) PVC sa formiranjem dvougljične acetil grupe, koja ulazi u ciklus reakcija zvan Krebsov ciklus. Događa se dalja oksidacija, povezana sa dehidrogenacijom i dekarboksilacijom. Kao rezultat, za svaki uništeni molekul PVC-a, tri molekula CO 2 se uklanjaju iz mitohondrija; Formira se pet parova atoma vodonika povezanih sa nosačima (4NAD·H 2, FAD·H 2), kao i jedan ATP molekul.

Ukupna reakcija glikolize i uništavanja PVC-a u mitohondrijima na vodik i ugljični dioksid izgleda kao na sledeći način:

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

Dva ATP molekula nastaju kao rezultat glikolize, dva - u Krebsovom ciklusu; dva para atoma vodika (2NADH2) nastala su kao rezultat glikolize, deset parova - u Krebsovom ciklusu.

Posljednji korak je oksidacija parova atoma vodika uz sudjelovanje kisika u vodu uz istovremenu fosforilaciju ADP-a u ATP. Vodonik se prenosi u tri velika enzimska kompleksa (flavoproteini, koenzimi Q, citohromi) respiratornog lanca koji se nalazi u unutrašnjoj membrani mitohondrija. Elektroni se uzimaju iz vodika, koji se na kraju kombinuju sa kiseonikom u mitohondrijskom matriksu:

O 2 + e - → O 2 - .

Protoni se pumpaju u intermembranski prostor mitohondrija, u „rezervoar protona“. Unutrašnja membrana je nepropusna za vodikove ione, s jedne strane je naelektrisana negativno (zbog O 2 -), s druge - pozitivno (zbog H+). Kada razlika potencijala preko unutrašnje membrane dostigne 200 mV, protoni prolaze kroz kanal enzima ATP sintetaze, formira se ATP, a citokrom oksidaza katalizira redukciju kisika u vodu. Tako, kao rezultat oksidacije dvanaest parova atoma vodika, nastaju 34 molekula ATP-a.

Metabolizam su sve hemijske reakcije koje se dešavaju u ćelijama živih organizama; naziva se i metabolizam. Dijeli se na anabolizam i katabolizam, odnosno energetski metabolizam. Prvi uključuje stvaranje složenijih kemijskih spojeva od jednostavnih. Ovaj proces se još naziva plastična razmjena. Za njegovu provedbu potrebna je energija koju stanica dobiva katabolizmom. Kroz ovaj proces, stanica sintetizira potrebne nukleinske kiseline, proteine, polisaharide i slično. Sve ove tvari mogu djelovati kao građevinski materijali za ćeliju i organizam u cjelini, obavljati funkciju enzima, hormona itd. Na drugom procesu – energetskom metabolizmu – ćemo se detaljnije zadržati.

Šta je katabolizam?

Energetski metabolizam je proces u kojem se tvari složene strukture razgrađuju na jednostavnije ili oksidiraju, uslijed čega tijelo dobiva energiju potrebnu za život. Katabolizam uključuje nekoliko faza tokom kojih se odvijaju različite hemijske reakcije. Ima ih tri.

Faze energetskog metabolizma

Nabrajajući faze katabolizma, možemo razlikovati pripremne, anaerobne (bez učešća kiseonika) i aerobne (sa upotrebom kiseonika).

Pripremna faza

U ovom trenutku, složeni molekuli spojeva kao što su proteini, ugljikohidrati i lipidi se razlažu na jednostavnije, a u ovoj fazi polimeri se pretvaraju u monomere. Ovaj proces javlja se izvan ćelije, u organima probavni sustav. Učestvovanje u ovome želudačni sok i razni enzimi. Za reakcije u ovoj fazi nije potreban kiseonik. Kao rezultat reakcija koje su se dogodile u to vrijeme, proteini se denaturiraju i razlažu u aminokiseline, složeni ugljikohidrati se pretvaraju u jednostavne monosaharide, a iz lipida nastaju glicerol i više kiseline. Neki od procesa u ovoj fazi nastaju i u lizosomima ćelije pod uticajem enzima hidrolaze.

Druga faza je anaerobna fermentacija

Energetski metabolizam ima fazu fermentacije, koja se još naziva i glikoliza. Takođe ne zahteva učešće kiseonika u hemijskim reakcijama. U principu, vrlo mnogo stvari se može fermentirati. organska materija, ali uglavnom ugljikohidrati. U toku hemijske reakcije, koji se koristi u ovoj fazi katabolizma, stvaraju se alkoholi, ugljični dioksid, aceton, organske kiseline, u nekim slučajevima vodonik i druge tvari. Bakterije, jednostanične gljive i biljke koje aktivno vrše fermentaciju imaju široku primjenu u industriji, na primjer, za ekstrakciju etilnog alkohola, proizvodnju sireva i drugih proizvoda mliječne kiseline, te u pekarskoj industriji za proizvodnju tijesta. Fermentacija se naziva i nepotpuna oksidacija.

Reakcije koje se javljaju u ovoj fazi i njihova upotreba

Primjer kemijskih reakcija koje se odvijaju u ovoj fazi je najčešća – alkoholna fermentacija. To je proces razgradnje glukoze ili fruktoze pod utjecajem posebnih enzima, pri čemu se oslobađaju ugljični dioksid i etil alkohol te nastaju ATP molekuli. Jednačina za ovu hemijsku reakciju izgleda ovako: C6H12O6 = 2C2H5OH + CO2 + 2ATP. Upravo se organizmi koji koriste ovu reakciju za dobivanje potrebne energije koji se industrijski koriste za proizvodnju alkoholnih pića. Proces koji bakterije mliječne kiseline koriste za proizvodnju energije proizvodi mliječnu kiselinu. Jednačina izgleda ovako: C6H12O6 = C3H6O3 + 2ATP. Uobičajena reakcija u životinjskim i gljivičnim stanicama je oslobađanje pirogrožđane kiseline. Ovaj proces izgleda ovako: C6H12O6 = 2C3H4O3 + (4H) + 2ATP.

Treća i poslednja faza je ćelijsko disanje

Javlja se u mitohondrijima. U ovoj fazi, tvari se oksidiraju, što rezultira oslobađanjem određene količine energije. U ovakvom procesu, kao što ste mogli pretpostaviti, učestvuje kiseonik.


Isporučuje se u različita tkiva višećelijskih organizama koristeći crvena krvna zrnca koja sadrže hemoglobin za svoj transport. U ovoj fazi ćelija razlaže tvari dobivene u prethodnim fazama na najjednostavnije - ugljični dioksid i vodu. Ove dvije tvari nužno nastaju zbog normalnog sagorijevanja bilo koje organske tvari. Da bi se kompletna oksidacija organskog jedinjenja završila stotinama hiljada puta brže nego što bi moglo da izgori, a bez upotrebe ultravisokih temperatura, ćeliji su potrebni različiti enzimi, koji se nalaze u lizosomima. Također za dobijanje energije zbog ćelijskog disanja potrebna supstanca je ADP - adenozin difosfat, koji se koristi i u mnoge druge svrhe. Glavna hemijska reakcija koja se koristi u ovoj fazi energetskog metabolizma može se napisati na sledeći način: 2C3H6O3 + 6O2 + 36H3PO4 + 36ADP = 6CO2 + 42H2O + 36ATP. Iz jednačine je jasno da ovakav proces oslobađa znatnu količinu energije. Također u ovoj fazi može doći do reakcije potpune oksidacije pirogrožđane kiseline, uslijed čega se također oslobađa energija, ali u manjim količinama.

Kako nastaje kiseonik u atmosferi?

Zbog činjenice da je glavni proces u kojem se odvija energetski metabolizam kod životinja, nekih bakterija i gljivica stanično disanje, kisik je vitalan za ove organizme. A tako visok sadržaj istog u atmosferi naše planete dugujemo biljkama - plućima Zemlje.

Oni nam daju kisik i uzimaju ugljični dioksid iz zraka kroz proces fotosinteze, kroz koji oni neorganske supstance primaju organske tvari koje su im potrebne (najčešće glukozu ili fruktozu). Proces fotosinteze nastaje zahvaljujući sunčevoj energiji, koja služi kao akcelerator za ovu vrstu hemijskih reakcija. Jednačina fotosinteze se može napisati na sljedeći način: 6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2. Procesi o kojima se govori u ovom članku još jednom dokazuju da je u prirodi sve međusobno povezano: fotosinteza se odvija korištenjem ugljičnog dioksida, koji je nepotreban životinjama, a energetski metabolizam u potonjima nemoguć je bez kisika, koji biljke oslobađaju kao nusproizvod fotosinteza.

Koje ćelijske organele učestvuju u energetskom metabolizmu?

Prije svega, to su mitohondrije, u njima se odvija cijeli proces ćelijskog disanja. Na njihovim kristama oksidiraju se tvari koje su dobivene tijekom anaerobne fermentacije, odnosno u drugoj fazi energetskog metabolizma. To su također lizozomi, već nekoliko puta spomenuti u tekstu. Oni sadrže u svojoj šupljini, omeđenoj membranom, niz enzima neophodnih za sve reakcije. U citoplazmi ćelije, uz pomoć ovih organela, dolazi do procesa nepotpune oksidacije (glikolize) organskih jedinjenja. Proizvodi formirani u ovoj fazi uz sudjelovanje enzima sadržanih u lizosomima služe kao sirovine za naknadno ćelijsko disanje koje se javlja u mitohondrijima. Osim toga, u ovim procesima učestvuju i mikrotubule koje transportuju supstance kroz ćeliju plazma membrana, koji sadrži posebne proteine ​​koji se transportuju iz okruženje u citoplazmu određena hemijska jedinjenja neophodna za energetski metabolizam.

Energetski metabolizam(katabolizam, disimilacija) - skup reakcija razgradnje organskih tvari, praćenih oslobađanjem energije. Energija koja se oslobađa prilikom razgradnje organskih supstanci ćelija ne koristi odmah, već se pohranjuje u obliku ATP-a i drugih visokoenergetskih jedinjenja. ATP je univerzalni izvor snabdijevanja ćelijske energije. Sinteza ATP-a se dešava u ćelijama svih organizama tokom procesa fosforilacije – dodavanja anorganskog fosfata u ADP

ADP + H 3 PO 4 + energija = ATP + H 2 O.

Pripremna faza

Sastoji se od enzimskog razlaganja složenih organskih supstanci na jednostavne: molekule proteina - na aminokiseline, masti - na glicerol i karboksilne kiseline, ugljikohidrate - na glukozu, nukleinske kiseline - na nukleotide. Razgradnju organskih spojeva visoke molekularne težine vrše ili enzimi gastrointestinalnog trakta ili enzimi lizosoma. Sva energija oslobođena u ovom slučaju se raspršuje u obliku topline. Nastali mali organski molekuli mogu se koristiti kao "građevinski materijali" ili se mogu dalje razgraditi.

Anoksična oksidacija ili glikoliza

Ova faza se sastoji od daljeg razlaganja organskih supstanci nastalih tokom pripremne faze, dešava se u citoplazmi ćelije i ne zahteva prisustvo kiseonika. Glavni izvor energije u ćeliji je glukoza. Proces nepotpune razgradnje glukoze bez kiseonika - glikoliza.

Glikoliza je složen višestepeni proces koji uključuje deset reakcija. Tokom ovog procesa, glukoza se dehidrogenira, a koenzim NAD+ (nikotinamid adenin dinukleotid) služi kao akceptor vodonika. Kao rezultat lanca enzimskih reakcija, glukoza se pretvara u dva molekula pirogrožđane kiseline (PVA), pri čemu se formiraju ukupno 2 molekule ATP-a i redukovani oblik nosača vodika NADH 2:

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

Dalja sudbina PVC-a zavisi od prisustva kiseonika u ćeliji. Ako nema kiseonika, u kvascima i biljkama dolazi do alkoholne fermentacije, tokom koje se prvo formira acetaldehid, a zatim etil alkohol:

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

Kod životinja i nekih bakterija, kada postoji nedostatak kisika, dolazi do fermentacije mliječne kiseline sa stvaranjem mliječne kiseline:

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

Kao rezultat glikolize jednog molekula glukoze, oslobađa se 200 kJ, od čega se 120 kJ raspršuje kao toplina, a 80% se pohranjuje u ATP vezama.

Faze energetskog metabolizma

	Pripremna faza	Faza bez kiseonika Glikoliza	Faza kiseonika
Gdje dolazi do cijepanja?	U organima za varenje, u ćelijama pod dejstvom enzima	Unutar ćelije	U mitohondrijama
Šta aktivira razdvajanje?	Enzimi probavnih sokova	Enzimi ćelijske membrane	Enzimi mitohondrija
Na koje se supstance razlažu ćelijska jedinjenja?	Proteini - aminokiseline Masti – glicerol i masne kiseline Ugljikohidrati - glukoza	glukoza (C6H12O6) 2 molekula pirogrožđane kiseline (C3H4O3) + energija	Pirogrožđana kiselina u CO2 i H2O
Koliko energije se oslobađa?	Mala, raspršena kao toplota.	Na račun 40% ATP se sintetiše, 60% se rasipa kao toplota	Više od 60% energije pohranjeno je u obliku ATP-a
Koliko energije se sintetiše u obliku ATP-a?	____________	2 ATP molekula	36 ATP molekula

Oksidacija kiseonika ili disanje

Sastoji se u potpunom razgradnji pirogrožđane kiseline, javlja se u mitohondrijima i uz obavezno prisustvo kiseonika. Ova faza se naziva aerobno (kiseonično) disanje ili hidroliza. Obavlja se u “energetskim stanicama” ćelije – mitohondrijama i povezuje se sa mitohondrijalnim matriksom i njegovim unutrašnjim membranama.

Organske supstance nastale tokom procesa glikolize ulaze u enzimski prstenasti „transporter“, koji se po naučniku koji ga je opisao naziva Krebsov ciklus.Svi enzimi koji katalizuju reakcije ovog ciklusa lokalizovani su u mitohondrijima.U svim fazama ovog procesa, kisik se apsorbira, a ugljični dioksid i voda oslobađaju i energija pohranjuje u molekulima ATP-a. Štaviše, stvaranje ATP molekula je povezano s enzimima koji se nalaze na unutrašnjoj membrani mitohondrija, osiguravajući oslobađanje energije u malim porcijama, što omogućava biti pohranjen u hemijske veze ATP.

Proces razgradnje kisika mliječne kiseline može se izraziti jednadžbom:

2C 3 H 4 O 3 + 6O 2 + 36 ADP + 36 H 3 PO 4 –> 36 ATP + 6CO 2 + 42H 2 O.

Ukupna reakcija razgradnje glukoze na ugljični dioksid i vodu je sljedeća:

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

gde je Q t - toplotna energija