Обеспечение клеток энергией

Вспомните

  какое значение имеют продукты реакций световой фазы фотосинтеза;

  в каких условиях происходит синтез органических веществ.

   Биологическая роль энергетического обмена. Живым клеткам постоянно требуется энергия, которая используется для обеспечения их жизнедеятельности. Одни организмы используют энергию солнечного света, другие — энергию, заключённую в химических связях органических веществ (углеводов, белков, жиров и др.), поступающих с пищей. Извлечение энергии из сложных молекул органических веществ в клетке осуществляется путём их расщепления (окисления) до более простых веществ и разрушения химических связей. Вы уже знаете, что этот процесс называют энергетическим обменом, (или диссимиляцией)

   Процессы энергетического обмена осуществляются многоступенчато. При этом в клетке происходит накопление энергии в виде молекул АТФ и других энергоёмких (так называемых макроэргических) соединений. Молекулы АТФ, перемещаясь по клетке, обеспечивают энергией все происходящие в ней процессы.

   Стадии энергетического обмена. У аэробных организмов, живущих в кислородной среде, выделяют три последовательно идущие стадии энергетического обмена: подготовительную, бескислородное расщепление и кислородное расщепление. У анаэробных организмов, живущих в бескислородной среде, и аэробных в случае недостатка кислорода — две стадии: подготовительную и бескислородное расщепление.

     Первая и вторая стадии энергетического обмена происходят в цитоплазме клетки, а третья — в митохондриях.

   На подготовительной (первой) стадии поступившие с пищей или созданные путём фотосинтеза биополимеры — молекулы органических веществ распадаются на мономеры. У многоклеточных животных это происходит в желудочно-кишечном тракте под действием пищеварительных ферментов, а на клеточном уровне — в лизосомах. Образовавшиеся небольшие органические молекулы поступают в кровь, разносятся по телу, доставляются клеткам и проникают в цитоплазму. Например, полисахариды распадаются на молекулы глюкозы, белки — на молекулы аминокислот, жиры — на глицерин и жирные кислоты, нуклеиновые кислоты — на нуклеотиды. У простейших распад биополимеров происходит в пищеварительных вакуолях. Образовавшиеся низкомолекулярные вещества могут быть использованы в качестве «строительного материала» или могут подвергаться дальнейшему расщеплению. Выделяющееся при этом небольшое количество энергии рассеивается в виде тепла.

   На второй стадии образовавшиеся мономеры распадаются на ещё более простые молекулы. Например, один из главных видов биологического «топлива» — молекула глюкозы (шестиуглеродное соединение) в итоге распадается на две трёхуглеродные молекулы гтровииоградмой кислоты (пирувата, ПВК). Весь процесс идёт под действием ферментов, но без участия кислорода, поэтому данную стадию называют бескислородным расщеплением.

   Ферментативный бескислородный (анаэробный) процесс расщепления глюкозы называют гликолизом (греч. gjykys — «сладкий» и lysis — «разложение», «распад»). В процессе гликолиза при расщеплении одной молекулы глюкозы образуются две молекулы АТФ из АДФ и фосфорной кислоты:

   Общий выход энергии составляет 200 кДж. Часть этой энергии (60 %) выделяется в виде тепла, а 40 % запасается в макроэргических связях АТФ.

    Если кислород в клетке отсутствует или его недостаточно, пировино- градная кислота (пируват) может превратиться в молочную кислоту (лактат). Этот процесс происходит, например, в клетках поперечнополосатых мышц человека и животных при интенсивной нагрузке, когда кровь не успевает доставлять в мышцы кислород.

    Гликолиз — наиболее древний способ расщепления глюкозы, широко распространённый в природе. Он играет важную роль в обмене веществ живых организмов. По механизму, аналогичному гликолизу, протекает процесс брожения, обеспечивающий энергией клетки различных микроорганизмов.

Последовательность реакций гликолиза одинакова у всех живых клеток без исключения.

    У высших организмов в условиях достаточного снабжения клеток кислородом гликолиз выступает промежуточной стадией, предшествующей окислительному распаду углеводов до конечных продуктов — углекислого газа и воды. Для полного расщепления органических веществ в процессе энергетического обмена необходим кислород.

    На третьей стадии энергетического обмена в митохондриях происходит дальнейшее окисление образовавшихся на второй стадии молекул ПВК до конечных продуктов — углекислого газа и воды. Поскольку эта стадия идёт с участием кислорода, её называют кислородным расщеплением или клеточным (тканевым) дыханием.

      Многие реакции кислородного расщепления сопровождаются освобождением энергии, суммарный выход которой составляет 2600 кДж на каждые две молекулы ПВК при полном их окислении. 45 % этой энергии рассеивается в виде тепла, а 55 % сберегается в виде АТФ. Всего на этом этапе образуется 36 молекул АТФ.

       В итоге в процессе энергетического обмена при окислении одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ: 2 молекулы АТФ в процессе гликолиза (в анаэробных условиях) и 36 молекул АТФ в процессах клеточного дыхания (в аэробных условиях).

Часть молекул расходуется на сами реакции окисления, а другая часть транспортируется в цитоплазму для обеспечения работы других клеточных структур.

Энергетический выход кислородного расщепления органических веществ, выраженный в молекулах АТФ, примерно в 20 раз выше, чем при анаэробном гликолизе.

    В процессах клеточного дыхания помимо глюкозы могут расщепляться все органические вещества — другие углеводы, белки, жиры.

    Кислород, необходимый для процессов окисления, поступает в организм во время дыхания. Процесс дыхания нередко сравнивают с горением: в обоих случаях происходят поглощение кислорода, выделение энергии и образование продуктов окисления — углекислого газа и воды. Но при сгорании органических веществ почти вся энергия выделяется в виде тепла.

    В отличие от горения дыхание представляет собой высокоупорядоченный процесс последовательно идущих реакций биологического окисления, осуществляемых с помощью ферментов. Поскольку ферментативные процессы окисления идут ступенчато, тепловая энергия выделяется не сразу, а постепенно и успевает рассеяться в окружающей среде. По этой причине не повреждаются чувствительные к нагреванию белки и другие вещества клетки.

    В процессе дыхания С02 возникает как конечный продукт реакций биологического окисления. При этом образуются молекулы АТФ и других макроэргических соединений, в химических связях которых запасается энергия, идущая на обеспечение жизнедеятельности клетки. В этом состоит главное отличие процессов биологического окисления, протекающих в клетках живых организмов, от горения.

1. В чём состоит различие процессов дыхания и фотосинтеза?

2. По какой причине считают, что гликолиз появился в живой природе раньше кислородного расщепления?

3. Замените одним словом выделенную часть каждого утверждения.

  Ферментативный бескислородный процесс распада глюкозы в клетке является необходимой стадией подготовки сахаров для их полного расщепления.

  Совокупность процессов расщепления молекул органических веществ — свойство клеток высших растений, большинства животных и аэробных прокариот.