Care sunt produsele finale ale etapei pregătitoare a metabolismului energetic. Metabolismul energetic - ce este și ce etape are

schimb de energie (catabolism, disimilare) - un set de reacții de scindare a substanțelor organice, însoțite de eliberarea de energie. Energia eliberată în timpul descompunerii substanțelor organice nu este utilizată imediat de celulă, ci este stocată sub formă de ATP și alți compuși cu energie înaltă. ATP este sursa universală de energie a celulei. Sinteza ATP are loc în celulele tuturor organismelor în procesul de fosforilare - adăugarea de fosfat anorganic la ADP.

La aerobic organismele (care trăiesc într-un mediu cu oxigen) disting trei etape ale metabolismului energetic: oxidarea pregătitoare, fără oxigen și oxidarea oxigenului; la anaerob organisme (care trăiesc într-un mediu fără oxigen) și organisme aerobe cu lipsă de oxigen - două etape: oxidare pregătitoare, fără oxigen.

Etapa pregătitoare

Constă în descompunerea enzimatică a substanțelor organice complexe în cele simple: molecule de proteine ​​- la aminoacizi, grăsimi - la glicerol și acizi carboxilici, carbohidrați - la glucoză, acizi nucleici la nucleotide. Defalcarea macromoleculară compusi organici efectuate fie de enzime tract gastrointestinal sau enzime lizozomale. Toată energia eliberată este disipată sub formă de căldură. Moleculele organice mici rezultate pot fi folosite ca " material de construcții' sau poate suferi o scindare suplimentară.

Oxidare anoxică sau glicoliză

Această etapă constă în scindarea în continuare a substanțelor organice formate în timpul faza pregătitoare, apare în citoplasma celulei și nu necesită prezența oxigenului. Principala sursă de energie din celulă este glucoza. Procesul de descompunere incompletă fără oxigen a glucozei - glicoliza.

Pierderea de electroni se numește oxidare, achiziția se numește reducere, în timp ce donorul de electroni este oxidat, acceptorul este redus.

Trebuie remarcat faptul că oxidare biologicăîn celule pot apărea atât cu participarea oxigenului:

A + O 2 → AO 2,

și fără participarea lui, datorită transferului atomilor de hidrogen de la o substanță la alta. De exemplu, substanța „A” este oxidată în detrimentul substanței „B”:

AN 2 + B → A + BH 2

sau datorită transferului de electroni, de exemplu, fierul feros este oxidat la trivalent:

Fe 2+ → Fe 3+ + e -.

Glicoliza este un proces complex în mai multe etape care include zece reacții. În timpul acestui proces, are loc dehidrogenarea glucozei, coenzima NAD + (nicotinamidă adenin dinucleotidă) servește ca acceptor de hidrogen. Glucoza ca rezultat al lanțului reacții enzimatice se transformă în două molecule de acid piruvic (PVA), în timp ce se formează un total de 2 molecule de ATP și o formă redusă a purtătorului de hidrogen 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.

Soarta ulterioară a PVC-ului depinde de prezența oxigenului în celulă. Dacă nu există oxigen, drojdia și plantele vor fermentatie alcoolica, la care se formează mai întâi acetaldehida și apoi alcoolul etilic:

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

La animale și la unele bacterii, când există o lipsă de oxigen, fermentatie lactica cu formarea acidului lactic:

C3H4O3 + NADH2 → C3H6O3 + Peste +.

Ca urmare a glicolizei unei molecule de glucoză, se eliberează 200 kJ, dintre care 120 kJ sunt disipați sub formă de căldură și 80% sunt stocați în legături ATP.

Oxidarea oxigenului sau respirația

Constă în descompunerea completă a acidului piruvic, are loc în mitocondrii și cu prezența obligatorie a oxigenului.

Acidul piruvic este transportat în mitocondrii (structura și funcțiile mitocondriilor - cursul nr. 7). Aici au loc dehidrogenarea (eliminarea hidrogenului) și decarboxilarea (eliminarea hidrogenului). dioxid de carbon) PVC cu formarea unei grupări acetil cu doi atomi de carbon, care intră într-un ciclu de reacții numit reacții ale ciclului Krebs. Există o oxidare suplimentară asociată cu dehidrogenarea și decarboxilarea. Ca rezultat, trei molecule de CO 2 sunt îndepărtate din mitocondrie pentru fiecare moleculă de PVC distrusă; se formează cinci perechi de atomi de hidrogen asociate cu purtători (4NAD H 2, FAD H 2), precum și o moleculă de ATP.

Reacția globală a glicolizei și distrugerii PVC-ului din mitocondrii la hidrogen și dioxid de carbon arată ca în felul următor:

C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 4ATP + 12H2.

Ca rezultat al glicolizei se formează două molecule de ATP, două - în ciclul Krebs; ca urmare a glicolizei s-au format două perechi de atomi de hidrogen (2NADHH2), zece perechi - în ciclul Krebs.

Ultimul pas este oxidarea perechilor de hidrogen cu participarea oxigenului la apă cu fosforilarea simultană a ADP la ATP. Hidrogenul este transferat la trei mari complexe enzimatice (flavoproteine, coenzime Q, citocromi) ale lanțului respirator situat în membrana interioară a mitocondriilor. Electronii sunt preluați din hidrogen, care sunt în cele din urmă combinați cu oxigenul în matricea mitocondrială:

O 2 + e - → O 2 -.

Protonii sunt pompați în spațiul intermembranar al mitocondriilor, în „rezervorul de protoni”. Membrana interioară este impermeabilă la ionii de hidrogen, pe de o parte este încărcată negativ (datorită O 2 -), pe de altă parte - pozitiv (datorită H +). Când diferența de potențial prin membrana interioară atinge 200 mV, protonii trec prin canalul enzimei ATP sintetazei, se formează ATP, iar citocrom oxidaza catalizează reducerea oxigenului în apă. Deci, ca urmare a oxidării a douăsprezece perechi de atomi de hidrogen, se formează 34 de molecule de ATP.

Metabolismul este totalitatea reacțiilor chimice care apar în celulele organismelor vii, se mai numește și metabolism. Este împărțit în anabolism și catabolism, adică metabolismul energetic. Primul implică formarea altora mai complexe din compuși chimici simpli. Acest proces se mai numește și schimb plastic. Pentru implementarea sa este nevoie de energie, care este obținută de celulă datorită catabolismului. Prin acest proces, celula sintetizează necesarul de acizi nucleici, proteine, polizaharide și altele asemenea. Toate aceste substanțe pot acționa ca material de construcție pentru celulă și organism în ansamblu, pot îndeplini funcția de enzime, hormoni etc. Ne vom opri asupra celui de-al doilea proces - metabolismul energetic - mai detaliat.

Ce este catabolismul?

Metabolismul energetic este un proces prin care substanțele cu structură complexă sunt descompuse în altele mai simple sau oxidate, în urma căruia organismul primește energia necesară vieții. Catabolismul include mai multe etape în care apar diferite reacții chimice. Se disting prin trei.

Etape ale metabolismului energetic

Enumerând etapele catabolismului, putem distinge pregătitoare, anaerobe (fără oxigen) și aerobe (cu utilizarea oxigenului).

Etapa pregătitoare

În acest moment, moleculele complexe de compuși precum proteinele, carbohidrații și lipidele sunt descompuse în altele mai simple, iar în această etapă, polimerii sunt transformați în monomeri. Acest proces apare în afara celulei, în organe sistem digestiv. Ei sunt implicați în asta suc gastricși diverse enzime. Oxigenul nu este necesar pentru reacții în această etapă. Ca urmare a reacțiilor care au avut loc în acest moment, proteinele sunt denaturate și descompuse în aminoacizi, carbohidrații complecși sunt transformați în monozaharide simple, din lipide se formează glicerol și acizi superiori. O parte din procesele acestei etape au loc și în lizozomii celulei sub influența enzimelor hidrolaze.

A doua etapă este fermentația anaerobă

Metabolismul energetic are o etapă de fermentație, care se mai numește și glicoliză. De asemenea, nu necesită participarea oxigenului la reacțiile chimice. În principiu, foarte multe materie organică dar mai ales carbohidrați. În curs reacții chimice utilizate în această etapă de catabolism, se formează alcooli, dioxid de carbon, acetonă, acizi organici, în unele cazuri hidrogen și alte substanțe. Bacteriile, ciupercile unicelulare și plantele de fermentare sunt utilizate pe scară largă în industrie, de exemplu, pentru extracția alcoolului etilic, producția de brânză și alte produse din acid lactic și în industria de panificație pentru fabricarea aluatului. Fermentarea se mai numește și oxidare incompletă.

Reacțiile care apar în această etapă și utilizările lor

Un exemplu de reacții chimice care au loc în această etapă este cea mai comună - fermentația alcoolică. Acesta este procesul de divizare a glucozei sau fructozei sub influența enzimelor speciale, în care se eliberează dioxid de carbon și alcool etilic și se formează și molecule de ATP. Ecuația acestei reacții chimice arată astfel: C6H12O6 \u003d 2C2H5OH + CO2 + 2ATP. Sunt organismele care folosesc o astfel de reacție pentru a obține energia necesară care sunt utilizate în industrie pentru fabricarea băuturilor alcoolice. Ca rezultat al procesului pe care bacteriile de acid lactic îl folosesc pentru energie, se formează acid lactic. Ecuația arată astfel: С6Н12О6 = С3Н6О3 + 2ATP. În celulele animalelor și ciupercilor, o reacție este obișnuită, în urma căreia acidul piruvic este eliberat. Acest proces arată astfel: C6H12O6 \u003d 2C3H4O3 + (4H) + 2ATP.

A treia și ultima etapă este respirația celulară

Apare în mitocondrii. În această etapă, se realizează oxidarea substanțelor, datorită căreia se eliberează o anumită cantitate de energie. În astfel de procese, după cum probabil ați ghicit, oxigenul ia parte.


Este furnizat diferitelor țesuturi ale organismelor multicelulare cu ajutorul eritrocitelor care conțin hemoglobină pentru a-l transporta. În această etapă, celula descompune substanțele obținute în etapele anterioare la cel mai simplu - dioxid de carbon și apă. Aceste două substanțe se formează în mod necesar ca urmare a arderii normale a oricărei materii organice. Pentru a realiza oxidarea completă a unui compus organic de sute de mii de ori mai repede decât ar putea arde și fără utilizarea temperaturilor ultra-înalte, celula are nevoie de o varietate de enzime care sunt conținute în lizozomi. De asemenea, pentru a obține energie datorită respirație celulară este nevoie de substanța ADP - adenozin difosfat, care este folosit și în multe alte scopuri. Principala reacție chimică care se utilizează în această etapă a metabolismului energetic poate fi scrisă astfel: 2C3H6O3 + 6O2 + 36H3PO4 + 36ADP = 6CO2 + 42H2O + 36ATP. Din ecuație se poate observa că o cantitate considerabilă de energie este eliberată în timpul acestui tip de proces. Tot în această etapă poate avea loc reacția de oxidare completă a acidului piruvic, în urma căreia se eliberează și energie, dar într-o cantitate mai mică.

Cum se formează oxigenul în atmosferă?

Datorită faptului că principalul proces, care este metabolismul energetic la animale, unele bacterii și ciuperci, este tocmai respirația celulară, oxigenul este vital pentru aceste organisme. Și datorăm un conținut atât de mare din atmosfera planetei noastre plantelor - plămânilor Pământului.

Ele ne oferă oxigen și iau dioxid de carbon din aer prin procesul de fotosinteză, prin care sunt simpli substanțe anorganice obțineți necesarul pentru ei organic (cel mai adesea glucoză sau fructoză). Procesul de fotosinteză are loc datorită energiei solare, care servește drept accelerator pentru acest tip de reacții chimice. Ecuația fotosintezei se poate scrie astfel: 6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2. Procesele discutate în acest articol dovedesc încă o dată că totul în natură este interconectat: fotosinteza are loc folosind dioxid de carbon, care este inutil pentru animale, iar metabolismul energetic în acesta din urmă este imposibil fără oxigen, care este eliberat de plante ca produs secundar fotosinteză.

Ce organele celulare sunt implicate în metabolismul energetic?

În primul rând, acestea sunt mitocondriile, în ele are loc întregul proces de respirație celulară. Substanțele care au fost obținute în procesul de fermentație anaerobă, adică în a doua etapă a metabolismului energetic, sunt oxidate pe cresta lor. De asemenea, aceștia sunt lizozomi, care au fost deja menționați în mod repetat în text. Conțin în cavitatea lor, limitată de o membrană, o serie de enzime necesare tuturor reacțiilor. In citoplasma celulei, cu ajutorul acestor organite, are loc procesul de oxidare incompleta (glicoliza) a compusilor organici. Produsele formate în această etapă cu participarea enzimelor conținute în lizozomi servesc drept materii prime pentru respirația celulară ulterioară care are loc în mitocondrii. În plus, microtubulii sunt implicați în aceste procese, care transportă substanțe în întreaga celulă, precum și membrană plasmatică, care conține proteine ​​speciale care se transferă din mediu inconjuratorîn citoplasmă anumiţi compuşi chimici necesari metabolismului energetic.

schimb de energie(catabolism, disimilare) - un set de reacții de scindare a substanțelor organice, însoțite de eliberarea de energie. Energia eliberată în timpul descompunerii substanțelor organice nu este utilizată imediat de celulă, ci este stocată sub formă de ATP și alți compuși cu energie înaltă. ATP este o sursă universală de alimentare cu energie celulară. Sinteza ATP are loc în celulele tuturor organismelor în procesul de fosforilare - adăugarea de fosfat anorganic la ADP

ADP + H 3 RO 4 + energie = ATP + H 2 O.

Etapa pregătitoare

Constă în descompunerea enzimatică a substanțelor organice complexe în cele simple: molecule de proteine ​​- la aminoacizi, grăsimi - la glicerol și acizi carboxilici, carbohidrați - la glucoză, acizi nucleici - la nucleotide. Descompunerea compușilor organici cu molecul înalt este efectuată fie de enzime ale tractului gastrointestinal, fie de enzime de lizozomi. Toată energia eliberată este disipată sub formă de căldură. Moleculele organice mici rezultate pot fi folosite ca „material de construcție” sau pot fi descompuse în continuare.

Oxidare anoxică sau glicoliză

Această etapă constă în scindarea în continuare a substanțelor organice formate în timpul etapei pregătitoare, are loc în citoplasma celulei și nu necesită prezența oxigenului. Principala sursă de energie din celulă este glucoza. Procesul de descompunere incompletă fără oxigen a glucozei - glicoliza.

Glicoliza este un proces complex în mai multe etape care include zece reacții. În timpul acestui proces, are loc dehidrogenarea glucozei, coenzima NAD + (nicotinamidă adenin dinucleotidă) servește ca acceptor de hidrogen. Ca rezultat al unui lanț de reacții enzimatice, glucoza este transformată în două molecule de acid piruvic (PVA), în timp ce se formează un total de 2 molecule de ATP și o formă redusă de purtător de hidrogen 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.

Soarta ulterioară a PVC-ului depinde de prezența oxigenului în celulă. Dacă nu există oxigen, drojdia și plantele sunt supuse unei fermentații alcoolice, în care se formează mai întâi acetaldehida și apoi alcoolul etilic:

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

La animale și unele bacterii, cu lipsă de oxigen, fermentația acidului lactic are loc cu formarea acidului lactic:

C3H4O3 + NADH2 → C3H6O3 + Peste +.

Ca rezultat al glicolizei unei molecule de glucoză, se eliberează 200 kJ, dintre care 120 kJ sunt disipați sub formă de căldură și 80% sunt stocați în legături ATP.

Etape ale metabolismului energetic

	Etapa pregătitoare	Stadiul anoxic glicoliza	stadiul de oxigen
Unde are loc scindarea?	În organele digestive, în celule sub acțiunea enzimelor	În interiorul celulei	în mitocondrii
Ce activează divizarea?	Enzimele sucurilor digestive	enzime ale membranei celulare	Enzimele mitocondriale
În ce substanțe se descompun compușii celulari?	Proteinele sunt aminoacizi Grăsimi - glicerol și acizi grași Carbohidrați - glucoză	Glucoză (С6Н12О6) 2 molecule de acid piruvic (С3Н4О3) + energie	Acid piruvic la CO2 și H2O
Câtă energie se eliberează?	Puțin se risipește sub formă de căldură.	În detrimentul a 40% ATP este sintetizat, 60% este disipat sub formă de căldură	Peste 60% din energie este stocată sub formă de ATP
Câtă energie este sintetizată sub formă de ATP?	____________	2 molecule de ATP	36 de molecule de ATP

Oxidarea oxigenului sau respirația

Constă în descompunerea completă a acidului piruvic, are loc în mitocondrii și cu prezența obligatorie a oxigenului. Această etapă se numește respirație aerobă (oxigen) sau hidroliză. Se desfășoară în „stațiile energetice” ale celulei - mitocondrii și este asociat cu matricea mitocondrială și membranele sale interne.

Substanțele organice formate în procesul de glicoliză intră în „conveiorul” inel enzimatic, care se numește ciclul Krebs în onoarea omului de știință care l-a descris. Toate enzimele care catalizează reacțiile acestui ciclu sunt localizate în mitocondrii. În toate etapele acest proces, oxigenul este absorbit și dioxidul de carbon și apa sunt eliberate și energia stocată în moleculele de ATP. Mai mult, formarea moleculelor de ATP este asociată cu enzime care se află pe membrana interioară a mitocondriilor, care asigură eliberarea de energie în porțiuni mici. , ceea ce îi permite să fie stocat în legături chimice ATP.

Procesul de descompunere a oxigenului acidului lactic poate fi exprimat prin ecuația:

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

Reacția generală pentru descompunerea glucozei în dioxid de carbon și apă este următoarea:

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

unde Q t - energie termică