Катаболизм. Обеспечение клеток энергией. Обеспечение

Катаболизм. Обеспечение клеток энергией.

Обеспечение клеток энергией. • Автотрофы способны преобразовывать солнечную энергию в энергию химических связей органических молекул. • В темное время суток этот способ получения энергии растениям не доступен, поэтому они вынуждены, как и гетеротрофы, получать энергию другим способом – путем окисления органических соединений.

Обеспечение клеток энергией. • Часть электронов в составе молекул органических соединений находятся на высоких энергетических уровнях. При перемещении электронов на низкие энергетические уровни своих или иных атомов или молекул они отдают свою энергию. • Соединения, способные отдавать высокоэнергетические электроны, называются донорами электронов, соединения, принимающие электроны, называются акцепторами. • Донором электронов может стать любое окисляемое органическое соединение. Широко распространенным акцептором электронов служит кислород, в этом и состоит его главная биологическая роль.

Обеспечение клеток энергией. • Процесс отдачи электронов называется окислением, присоединение электронов – восстановлением. • Реакция окисления сопровождается выделением энергии. • Реакции окисления органических соединений в клетке, протекающих при участии кислорода, называются биологическим окислением, или клеточным дыханием.

Обеспечение клеток энергией. • Окончательными продуктами биологического окисления являются вода и углекислый газ. • Если при окислении органических веществ в процессе горения вся энергия выделяется в виде теплоты, то при биологическом окислении около 50% энергии превращается в энергию химических связей АТФ. • Остальные 50% энергии превращаются в теплоту, которая теплокровным животным необходима для поддержания постоянной температуры тела.

Обеспечение клеток энергией. • Наиболее часто окисляемым с целью получения энергии веществом в клетке является глюкоза. • В молекуле глюкозы количество потенциальной энергии, заключенной в связях между ее атомами, составляет 2847 к. Дж на 1 моль (т. е. на 180 г глюкозы). В живой клетке это огромное количество энергии, но оно не освобождается одномоментно, как при горении в пламени, а идет в виде ступенчатого процесса, управляемого целым рядом окислительных ферментов.

Обеспечение клеток энергией. • Энергетический обмен обычно делят на три этапа. • 1 этап – подготовительный. На этом этапе сложные молекулы органических веществ распадаются на мономеры: полисахариды – до глюкозы, жиры до жирных кислот и глицерина, белки до аминокислот, нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов. • Этот этап проходит в цитоплазме клеток, а у животных еще и в кишечнике. • На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая не запасается, а рассеивается в виде теплоты.

Обеспечение клеток энергией. • 2 этап - анаэробный, или гликолиз. • Он происходит в цитоплазме без участия кислорода. Молекула глюкозы при участии ферментов ступенчато распадается на 2 трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты. • Т. о. гликолиз – анаэробный метаболический путь превращения глюкозы в пировиноградную кислоту (или молочную кислоту) с параллельным запасанием выделенной при этом энергии.

Обеспечение клеток энергией. • В ходе гликолиза образуется 2 молекулы АТФ. С 6 Н 12 О 6 + 2 АДФ + НАД+ + 2 Фн 2 С 3 Н 4 О 3 +2 АТФ + НАД • Н • Молекула глюкозы не только расщепляется на две молекулы трехуглеродной пировиноградной кислоты, но и теряет при этом 4 атома водорода. Акцептором водорода (и электронов) в этих реакциях является НАД+ - аналог НАДФ в катаболических реакциях.

Обеспечение клеток энергией. • При недостатке кислорода или полном его отсутствии ПВК восстанавливается до молочной кислоты. Например, при беге даже на короткие дистанции в организме человека окисление глюкозы идет только до молочной кислоты, которая накапливается в мышцах и головном мозге и вызывает ощущение усталости, одышки, что заставляет нас часто дышать, чтобы восполнить запасы кислорода: • С 3 Н 4 О 3 + НАД • Н → С 3 Н 6 О 3 + НАД+

Обеспечение клеток энергией. • У анаэробных организмов молочная кислота – конечный продукт гликолиза. Анаэробный гликолиз – универсальный способ получения энергии у всех живых организмов. • У человека белые (быстрые) мышечные волокна, эритроциты работают исключительно за счет гликолиза. • Гликолиз – малоэффективный способ получения энергии, т. к. в его ходе образуется только 2 молекулы АТФ, что составляет менее 10% энергии, заключенной в связях 1 моля глюкозы.

Обеспечение клеток энергией. • Существует еще один способ бескислородного получения энергии – брожение. Конечными продуктами брожения может быть молочная кислота, масляная кислота, ацетон, этиловый спирт и др. Энергетический эффект брожения также невелик. • Гликолиз, как и брожение – древние, первичные способы получения энергии, характерные для гетеротрофных организмов, сформировавшихся в условиях бескислородной атмосферы.

Обеспечение клеток энергией. • У большинства эукариотических клеток процесс биологического окисления не останавливается на гликолизе, а пировиноградная кислота вовлекается в дальнейшее окисление – 3 -й этап, происходящий уже с участием кислорода в матриксе митохондрий. • Третий этап биологического окисления является мембранозависимым, так как цепь переносчиков электронов (а вместе с ними и энергии) – это комплексы ферментов, встроенных в мембраны митохондриальных крист.

Обеспечение клеток энергией. • 3 этап – аэробное окисление. • Он происходит в митохондриях, у прокариот, не имеющих этого органоида, он осуществляется на мезосомах (впячивания плазмалеммы) в цитоплазме. • Этот этап протекает с участием кислорода, который принимает на себя электроны и водород, и образуется молекула воды.

Обеспечение клеток энергией. • Пировиноградная кислота переносится в митохондрии, где подвергается полному окислению до СО 2 и Н 2 О. • Процессы, происходящие в митохондриях, можно разделить на 2 этапа: • А). Цикл Кребса; • Б). Окислительное фосфорилирование.

Обеспечение клеток энергией. • А). Процесс окисления ПВК называется циклом трикарбоновых кислот, или циклом Кребса в честь английского ученого Ганса Кребса (1937 г. ), описавшего этот процесс. Нобелевская премия (1953 г. ). • В поэтапном расщеплении молекулы ПВК (8 реакций) выделяется три молекулы углекислого газа и энергия, которая фиксируется в связях молекул-переносчиков водорода и электронов – НАД·Н. В самом цикле Кребса АТФ не образуется. Кислород в цикле Кребса непосредственного участия не принимает, но его присутствие является обязательным условием протекания реакций. • Т. о. , от молекулы глюкозы ничего не остается, а для следующего круга цикла необходимо окислить НАД·Н.

Обеспечение клеток энергией. • Б). Окислительное фосфорилирование происходит на внутренних мембранах митохондрий в дыхательной цепи. • Назначение этого этапа: • 1. окисление НАД·Н, чтобы он снова мог быть использован в цикле Кребса; • 2. синтез АТФ за счет энергии электронов, захваченных НАД·Н.

Обеспечение клеток энергией. • Транспорт электронов идет по дыхательной цепи от одного переносчика к другому. В конце этого пути – самый сильный акцептор электронов – кислород. Он забирает и водород, и электроны, и образуется вода. Окисление глюкозы закончено. • Часть энергии электронов расходуется на синтез АТФ. • Синтез АТФ в митохондриях идет аналогично процессу, происходящему в хлоропластах, и катализируется тем же ферментом – АТФ- синтетазой, встроенной во внутреннюю мембрану митохондрий.

Обеспечение клеток энергией. • АТФ-синтетаза работает как помпа для протонов водорода. Дело в том, что электроны, отобранные у НАД·Н, скапливаются в матриксе митохондрий, в то время как протоны транспортируются в межмембранное пространство (на это уходит часть энергии электронов). В результате между наружной и внутренней поверхностью мембраны возникает разность потенциалов. Когда он достигает определенной величины (200 м. В), белковый комплекс АТФ-синтетазы начинает транспортировать протоны обратно в матрикс, при этом за счет энергии электронов происходит фосфорилирование АДФ и образуются молекулы АТФ. • В ходе окислительного фосфорилирования образуется 36 молекул АТФ.

Межмембранное пространство Матрикс митохондрии 1 – внутренняя мембрана митохондрии; 2, 3, 4, 5, 6 – дыхательная цепь переносчиков электронов от НАДН к кислороду; 7 – АТФ – синтетаза. Красные стрелки – поток электронов, синие – поток протонов.

Этапы энергетического обмена Этап Условия Превращения протекания веществ энергии 1. Идет в Сложные молекулы Выделяется Подго- цитоплазме органических небольшое тови- клеток, а у веществ распадаются количество тельный животных еще на мономеры. энергии, которая и в кишечнике рассеивается в виде теплоты 2. в цитоплазме Молекула глюкозы 2 АТФ и НАД • Н Анаэроб- без участия ступенчато ный, кислорода распадается на 2 гликолиз молекулы пировиноградной кислоты

Этапы энергетического обмена 3. Идет в митохондриях в ПВК Образуется Аэробный присутствии или с полностью 36 молекул непосредственным окисляется до АТФ участием О 2 СО 2 и Н 2 О А) Идет в матриксе Поэтапное (в 8 Энергия Цикл митохондрий без реакций) электронов Кребса непосредственного окисление запасается участия О 2, но в его ПВК до СО 2 только в виде присутствии НАД • Н Б) На внутренних мембранах Окисление Образуется Окисли- митохондрий в НАД • Н с 36 молекул тельное «дыхательной» цепи образованием АТФ фосфори- переносчиков воды и НАД+ лирование (акцепторов) электронов. Последний акцептор в этой цепи – О 2. Итого При полном окислении 1 молекулы глюкозы до углекислого газа и воды образуется 38 молекул АТФ.

Преобразования энергии при окислении органических веществ • Энергия химических связей органических молекул → энергия электронов → энергия НАД • Н → макроэргические связи молекул АТФ

• Домашнее задание § 12.