Jakie są produkty końcowe etapu przygotowawczego metabolizmu energetycznego. Metabolizm energetyczny – na czym polega i jakie ma etapy?

Wymiana energii (katabolizm, dysymilacja) - zespół reakcji rozkładu substancji organicznych, któremu towarzyszy wyzwolenie energii. Energia uwolniona podczas rozkładu substancji organicznych nie jest od razu wykorzystywana przez komórkę, lecz magazynowana w postaci ATP i innych związków wysokoenergetycznych. ATP jest uniwersalnym źródłem energii komórkowej. Synteza ATP zachodzi w komórkach wszystkich organizmów poprzez proces fosforylacji – dodania nieorganicznego fosforanu do ADP.

U aerobik organizmy (żyjące w środowisku tlenowym) wyróżniają trzy etapy metabolizmu energetycznego: przygotowawczy, utlenianie beztlenowe i utlenianie tlenowe; Na beztlenowy organizmów (żyjących w środowisku beztlenowym) i tlenowych z niedoborem tlenu – dwa etapy: przygotowawczy, utlenianie beztlenowe.

Etap przygotowawczy

Polega na enzymatycznym rozkładzie złożonych substancji organicznych na proste: cząsteczki białek - na aminokwasy, tłuszcze - na glicerynę i kwasy karboksylowe, węglowodany - na glukozę, kwasy nukleinowe- do nukleotydów. Rozpad o dużej masie cząsteczkowej związki organiczne przeprowadzane albo przez enzymy przewód pokarmowy lub enzymy lizosomalne. Cała energia uwolniona w tym przypadku jest rozpraszana w postaci ciepła. Powstałe małe cząsteczki organiczne można wykorzystać jako „ materiał budowlany» lub może ulec dalszej degradacji.

Utlenianie beztlenowe lub glikoliza

Etap ten polega na dalszym rozkładzie substancji organicznych powstałych w trakcie etap przygotowawczy, zachodzi w cytoplazmie komórki i nie wymaga obecności tlenu. Głównym źródłem energii w komórce jest glukoza. Proces beztlenowego niecałkowitego rozkładu glukozy - glikoliza.

Utratę elektronów nazywa się utlenianiem, wzmocnienie nazywa się redukcją, donor elektronów ulega utlenieniu, a akceptor ulega redukcji.

Należy zauważyć że utlenianie biologiczne w komórkach może zachodzić zarówno przy udziale tlenu:

A + O 2 → AO 2,

i bez jego udziału, w wyniku przeniesienia atomów wodoru z jednej substancji na drugą. Na przykład substancja „A” ulega utlenieniu pod wpływem substancji „B”:

AN 2 + B → A + VN 2

lub na przykład w wyniku przeniesienia elektronów żelazo dwuwartościowe utlenia się do żelaza:

Fe 2+ → Fe 3+ + e - .

Glikoliza to złożony, wieloetapowy proces obejmujący dziesięć reakcji. Podczas tego procesu glukoza ulega odwodornieniu, a koenzym NAD+ (dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy) pełni rolę akceptora wodoru. Glukoza w wyniku łańcucha reakcje enzymatyczne zamienia się w dwie cząsteczki kwasu pirogronowego (PVA), w sumie powstają 2 cząsteczki ATP i zredukowana forma nośnika wodoru 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.

Dalsze losy PVC zależą od obecności tlenu w komórce. Jeśli nie ma tlenu, doświadczają drożdże i rośliny fermentacja alkoholowa, w którym najpierw powstaje aldehyd octowy, a następnie alkohol etylowy:

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

U zwierząt i niektórych bakterii, gdy brakuje tlenu, fermentacja kwasu mlekowego z powstawaniem kwasu mlekowego:

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

W wyniku glikolizy jednej cząsteczki glukozy uwalniane jest 200 kJ, z czego 120 kJ jest rozpraszane w postaci ciepła, a 80% magazynowane jest w wiązaniach ATP.

Utlenianie tlenu lub oddychanie

Polega na całkowitym rozkładzie kwasu pirogronowego, zachodzi w mitochondriach i przy obowiązkowej obecności tlenu.

Kwas pirogronowy transportowany jest do mitochondriów (budowa i funkcje mitochondriów - wykład nr 7). Tutaj odwodornienie (eliminacja wodoru) i dekarboksylacja (eliminacja dwutlenek węgla) PVC z utworzeniem dwuwęglowej grupy acetylowej, która wchodzi w cykl reakcji zwany reakcjami cyklu Krebsa. Następuje dalsze utlenianie, związane z odwodornieniem i dekarboksylacją. W rezultacie na każdą zniszczoną cząsteczkę PVC z mitochondrium usuwane są trzy cząsteczki CO2; Tworzy się pięć par atomów wodoru związanych z nośnikami (4NAD·H 2, FAD·H 2) oraz jedna cząsteczka ATP.

Jak wygląda ogólna reakcja glikolizy i zniszczenia PVC w mitochondriach na wodór i dwutlenek węgla w następujący sposób:

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

W wyniku glikolizy powstają dwie cząsteczki ATP, dwie - w cyklu Krebsa; w wyniku glikolizy powstały dwie pary atomów wodoru (2NADH2), dziesięć par - w cyklu Krebsa.

Ostatnim etapem jest utlenianie par atomów wodoru przy udziale tlenu do wody z jednoczesną fosforylacją ADP do ATP. Wodór jest transportowany do trzech dużych kompleksów enzymatycznych (flawoprotein, koenzymów Q, cytochromów) łańcucha oddechowego zlokalizowanych w wewnętrznej błonie mitochondriów. Elektrony pobierane są z wodoru, który ostatecznie łączy się z tlenem w matrix mitochondrialnej:

O 2 + mi - → O 2 - .

Protony pompowane są do przestrzeni międzybłonowej mitochondriów, do „zbiornika protonów”. Błona wewnętrzna jest nieprzepuszczalna dla jonów wodoru, z jednej strony jest naładowana ujemnie (z powodu O 2 -), z drugiej - dodatnio (z powodu H +). Kiedy różnica potencjałów na błonie wewnętrznej osiąga 200 mV, protony przechodzą przez kanał enzymatyczny syntetazy ATP, powstaje ATP, a oksydaza cytochromowa katalizuje redukcję tlenu do wody. Zatem w wyniku utlenienia dwunastu par atomów wodoru powstają 34 cząsteczki ATP.

Metabolizm to wszystkie reakcje chemiczne zachodzące w komórkach organizmów żywych; nazywany jest także metabolizmem. Dzieli się na anabolizm i katabolizm, czyli metabolizm energetyczny. Pierwsza polega na tworzeniu bardziej złożonych związków chemicznych z prostych. Proces ten nazywany jest również wymianą plastyczną. Do jego realizacji potrzebna jest energia, którą komórka pozyskuje na drodze katabolizmu. Dzięki temu procesowi komórka syntetyzuje niezbędne kwasy nukleinowe, białka, polisacharydy i tym podobne. Wszystkie te substancje mogą pełnić funkcję materiałów budulcowych komórki i organizmu jako całości, pełnić funkcję enzymów, hormonów itp. Zastanowimy się bardziej szczegółowo nad drugim procesem - metabolizmem energetycznym.

Co to jest katabolizm?

Metabolizm energetyczny to proces, podczas którego substancje o złożonej budowie ulegają rozkładowi na prostsze lub utlenianiu, w wyniku czego organizm otrzymuje niezbędną do życia energię. Katabolizm obejmuje kilka etapów, podczas których zachodzą różne reakcje chemiczne. Jest ich trzech.

Etapy metabolizmu energetycznego

Wymieniając etapy katabolizmu, możemy wyróżnić etapy przygotowawcze, beztlenowe (bez udziału tlenu) i tlenowe (z udziałem tlenu).

Etap przygotowawczy

W tym czasie złożone cząsteczki związków takich jak białka, węglowodany i lipidy rozkładane są na prostsze i na tym etapie polimery przekształcane są w monomery. Ten proces zachodzi na zewnątrz komórki, w narządach układ trawienny. Uczestnictwo w tym sok żołądkowy i różne enzymy. Na tym etapie do reakcji nie jest potrzebny tlen. W wyniku reakcji, które w tym czasie zaszły, białka ulegają denaturacji i rozpadowi na aminokwasy, złożone węglowodany przekształcają się w proste monosacharydy, a z lipidów powstają glicerol i wyższe kwasy. Część procesów na tym etapie zachodzi także w lizosomach komórki pod wpływem enzymów hydrolaz.

Drugi etap to fermentacja beztlenowa

Metabolizm energetyczny ma etap fermentacji, zwany także glikolizą. Nie wymaga także udziału tlenu w reakcjach chemicznych. W zasadzie bardzo wiele rzeczy można fermentować. materia organiczna, ale głównie węglowodany. W trakcie reakcje chemiczne, użyte na tym etapie katabolizmu, powstają alkohole, dwutlenek węgla, aceton, kwasy organiczne, w niektórych przypadkach wodór i inne substancje. Bakterie, grzyby jednokomórkowe i rośliny aktywnie prowadzące fermentację znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle m.in. do ekstrakcji alkoholu etylowego, produkcji serów i innych produktów kwasu mlekowego oraz w przemyśle piekarniczym do produkcji ciasta. Fermentację nazywa się także niepełnym utlenianiem.

Reakcje zachodzące na tym etapie i ich zastosowania

Przykładem reakcji chemicznych zachodzących na tym etapie jest najczęstsza – fermentacja alkoholowa. Jest to proces rozkładu glukozy lub fruktozy pod wpływem specjalnych enzymów, podczas którego wydziela się dwutlenek węgla i alkohol etylowy oraz powstają cząsteczki ATP. Równanie tej reakcji chemicznej wygląda następująco: C6H12O6 = 2C2H5OH + CO2 + 2ATP. To właśnie organizmy wykorzystujące tę reakcję do uzyskania niezbędnej energii wykorzystywane są przemysłowo do produkcji napojów alkoholowych. W procesie wykorzystywanym przez bakterie kwasu mlekowego do wytwarzania energii powstaje kwas mlekowy. Równanie wygląda następująco: C6H12O6 = C3H6O3 + 2ATP. Powszechną reakcją zachodzącą w komórkach zwierzęcych i grzybów jest uwolnienie kwasu pirogronowego. Proces ten wygląda następująco: C6H12O6 = 2C3H4O3 + (4H) + 2ATP.

Trzecim i ostatnim etapem jest oddychanie komórkowe

Występuje w mitochondriach. Na tym etapie substancje ulegają utlenieniu, w wyniku czego zostaje uwolniona pewna ilość energii. Jak można się domyślić, w tego rodzaju procesie bierze udział tlen.


Dostarczana jest do różnych tkanek organizmów wielokomórkowych przy wykorzystaniu do transportu czerwonych krwinek zawierających hemoglobinę. Na tym etapie komórka rozkłada substancje otrzymane w poprzednich etapach na najprostsze – dwutlenek węgla i wodę. Te dwie substancje powstają koniecznie w wyniku normalnego spalania dowolnej substancji organicznej. Aby zakończyć całkowite utlenienie związku organicznego setki tysięcy razy szybciej niż mógłby się spalić i bez użycia ultrawysokich temperatur, komórka potrzebuje różnorodnych enzymów, które zawarte są w lizosomach. Również w celu uzyskania energii dzięki oddychania komórkowego potrzebną substancją jest ADP – difosforan adenozyny, który wykorzystuje się także do wielu innych celów. Główną reakcję chemiczną stosowaną na tym etapie metabolizmu energetycznego można zapisać następująco: 2C3H6O3 + 6O2 + 36H3PO4 + 36ADP = 6CO2 + 42H2O + 36ATP. Z równania jasno wynika, że ​​w tego rodzaju procesie uwalniana jest znaczna ilość energii. Również na tym etapie może nastąpić reakcja całkowitego utlenienia kwasu pirogronowego, w wyniku której uwalniana jest również energia, ale w mniejszych ilościach.

Jak powstaje tlen w atmosferze?

Ponieważ głównym procesem zachodzącym w metabolizmie energetycznym u zwierząt, niektórych bakterii i grzybów jest oddychanie komórkowe, tlen jest niezbędny dla tych organizmów. A tak dużą jego zawartość w atmosferze naszej planety zawdzięczamy roślinom – płucom Ziemi.

Dają nam tlen i pobierają z powietrza dwutlenek węgla w procesie fotosyntezy, dzięki któremu substancje nieorganiczne otrzymują potrzebne im substancje organiczne (najczęściej glukozę lub fruktozę). Proces fotosyntezy zachodzi dzięki energii słonecznej, która służy jako akcelerator tego rodzaju reakcji chemicznych. Równanie fotosyntezy można zapisać następująco: 6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2. Omówione w artykule procesy po raz kolejny dowodzą, że w przyrodzie wszystko jest ze sobą powiązane: fotosynteza zachodzi przy wykorzystaniu niepotrzebnego dla zwierząt dwutlenku węgla, a metabolizm energetyczny w tym ostatnim nie jest możliwy bez tlenu wydzielanego przez rośliny jako produkt uboczny fotosynteza.

Jakie organelle komórkowe biorą udział w metabolizmie energetycznym?

Przede wszystkim są to mitochondria, to w nich zachodzi cały proces oddychania komórkowego. Na ich cristae utleniają się substancje otrzymane podczas fermentacji beztlenowej, czyli na drugim etapie metabolizmu energetycznego. Są to także lizosomy, o których wspominaliśmy już kilkakrotnie w tekście. Zawierają w swojej wnęce, ograniczonej błoną, szereg enzymów niezbędnych do wszystkich reakcji. W cytoplazmie komórki za pomocą tych organelli zachodzi proces niepełnego utleniania (glikolizy) związków organicznych. Produkty powstałe na tym etapie przy udziale enzymów zawartych w lizosomach służą jako surowiec do późniejszego oddychania komórkowego zachodzącego w mitochondriach. Ponadto w procesach tych biorą udział mikrotubule, które transportują substancje po całej komórce błona plazmatyczna, który zawiera specjalne białka transportujące z środowisko do cytoplazmy pewne związki chemiczne niezbędne w metabolizmie energetycznym.

Wymiana energii(katabolizm, dysymilacja) - zespół reakcji rozkładu substancji organicznych, któremu towarzyszy wyzwolenie energii. Energia uwolniona podczas rozkładu substancji organicznych nie jest od razu wykorzystywana przez komórkę, lecz magazynowana w postaci ATP i innych związków wysokoenergetycznych. ATP jest uniwersalnym źródłem energii komórkowej. Synteza ATP zachodzi w komórkach wszystkich organizmów w procesie fosforylacji – przyłączania nieorganicznego fosforanu do ADP

ADP + H3PO 4 + energia = ATP + H 2 O.

Etap przygotowawczy

Polega na enzymatycznym rozkładzie złożonych substancji organicznych na proste: cząsteczki białek - na aminokwasy, tłuszcze - na glicerynę i kwasy karboksylowe, węglowodany - na glukozę, kwasy nukleinowe - na nukleotydy. Rozkład związków organicznych o dużej masie cząsteczkowej przeprowadzany jest albo przez enzymy przewodu żołądkowo-jelitowego, albo przez enzymy lizosomalne. Cała energia uwolniona w tym przypadku jest rozpraszana w postaci ciepła. Powstałe małe cząsteczki organiczne można wykorzystać jako „materiały budowlane” lub można je dalej rozkładać.

Utlenianie beztlenowe lub glikoliza

Etap ten polega na dalszym rozkładzie substancji organicznych powstałych w fazie przygotowawczej, zachodzi w cytoplazmie komórki i nie wymaga obecności tlenu. Głównym źródłem energii w komórce jest glukoza. Proces beztlenowego niecałkowitego rozkładu glukozy - glikoliza.

Glikoliza to złożony, wieloetapowy proces obejmujący dziesięć reakcji. Podczas tego procesu glukoza ulega odwodornieniu, a koenzym NAD+ (dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy) pełni rolę akceptora wodoru. W wyniku łańcucha reakcji enzymatycznych glukoza przekształca się w dwie cząsteczki kwasu pirogronowego (PVA), przy czym powstają łącznie 2 cząsteczki ATP i zredukowana forma nośnika wodoru 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.

Dalsze losy PVC zależą od obecności tlenu w komórce. Jeśli nie ma tlenu, w drożdżach i roślinach zachodzi fermentacja alkoholowa, podczas której najpierw powstaje aldehyd octowy, a następnie alkohol etylowy:

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

U zwierząt i niektórych bakterii przy braku tlenu następuje fermentacja kwasu mlekowego z utworzeniem kwasu mlekowego:

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

W wyniku glikolizy jednej cząsteczki glukozy uwalniane jest 200 kJ, z czego 120 kJ jest rozpraszane w postaci ciepła, a 80% magazynowane jest w wiązaniach ATP.

Etapy metabolizmu energetycznego

	Etap przygotowawczy	Etap beztlenowy Glikoliza	Etap tlenowy
Gdzie następuje podział?	W narządach trawiennych, w komórkach pod działaniem enzymów	Wewnątrz komórki	W mitochondriach
Co aktywuje dzielenie?	Enzymy soków trawiennych	Enzymy błony komórkowej	Enzymy mitochondrialne
Na jakie substancje rozkładają się związki komórkowe?	Białka - aminokwasy Tłuszcze – glicerol i kwasy tłuszczowe Węglowodany - glukoza	Glukoza (C6H12O6) 2 cząsteczki kwasu pirogronowego (C3H4O3) + energia	Kwas pirogronowy na CO2 i H2O
Ile energii zostaje uwolnione?	Mały, rozpraszany w postaci ciepła.	Kosztem 40% ATP jest syntetyzowany, 60% jest rozpraszane w postaci ciepła	Ponad 60% energii jest magazynowane w postaci ATP
Ile energii syntetyzuje się w postaci ATP?	____________	2 cząsteczki ATP	36 cząsteczek ATP

Utlenianie tlenu lub oddychanie

Polega na całkowitym rozkładzie kwasu pirogronowego, zachodzi w mitochondriach i przy obowiązkowej obecności tlenu. Ten etap nazywa się oddychaniem tlenowym lub hydrolizą. Zachodzi ona w „stacjach energetycznych” komórki – mitochondriach i jest powiązana z matrix mitochondrialną oraz jej błonami wewnętrznymi.

Substancje organiczne powstałe w procesie glikolizy wchodzą do enzymatycznego „przenośnika” pierścieniowego, który od nazwiska naukowca, który go opisał, nazywany jest cyklem Krebsa. Wszystkie enzymy katalizujące reakcje tego cyklu zlokalizowane są w mitochondriach. Na wszystkich etapach tego procesu, wchłaniany jest tlen, uwalniany jest dwutlenek węgla i woda, a energia magazynowana jest w cząsteczkach ATP.Ponadto powstawanie cząsteczek ATP jest powiązane z enzymami, które znajdują się na wewnętrznej błonie mitochondriów, zapewniając uwalnianie energii w małych porcjach, co pozwala do przechowywania wiązania chemiczne ATP.

Proces tlenowego rozkładu kwasu mlekowego można wyrazić równaniem:

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

Ogólna reakcja rozkładu glukozy na dwutlenek węgla i wodę jest następująca:

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

gdzie Q t - energia cieplna