Меню

Энергетический обмен у растений и бактерий

Вопрос 1. Энергетический обмен в клетках растений и животных, его значение

Процессом, противоположным синтезу, является диссимиляция – совокупность реакций расщепления. При расщеплении высокомолекулярных соединений выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Поэтому диссимиляцию называют еще энергетическим обменом клетки или катаболизмом.

Химическая энергия питательных веществ заключена в различных ковалентных связях между атомами в молекулах органических соединений.

Часть энергии, освобождаемой из питательных веществ, рассеивается в виде теплоты, а часть аккумулируется, т. е. накапливается в богатых энергией фосфатных связях АТФ. Именно АТФ обеспечивает энергией все виды клеточных функций: биосинтез, механическую работу (деление клетки, сокращение мышц), активный перенос веществ через мембраны, поддержание мембранного потенциала в процессе проведения нервного импульса, выделение различных секретов.

Благодаря богатым энергией связям в молекулах АТФ клетка может накапливать большое количество энергии в очень небольшом пространстве и расходовать ее по мере надобности. Синтез АТФ осуществляется в митохондриях. Отсюда молекулы АТФ поступают в разные участки клетки, обеспечивая энергией процессы жизнедеятельности.

Этапы энергетического обмена. Энергетический обмен обычно делят на три этапа. Первый этап – подготовительный. На этом этапе молекулы ди– и полисахаридов, жиров, белков распадаются на мелкие молекулы – глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты; крупные молекулы нуклеиновых кислот – на нуклеотиды. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде теплоты.

Второй этап – бескислородный, или неполный. Он называется также анаэробным дыханием (гликолизом), или брожением. Образующиеся на этом этапе вещества при участии ферментов подвергаются дальнейшему расщеплению. Например в мышцах в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на две молекулы пировиноградной кислоты (С3Н4О3), которые затем восстанавливаются в молочную кислоту (С3Н6О3). В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ. В суммарном виде это выглядит так:

У дрожжевых грибов молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение):

У других микроорганизмов гликолиз может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и т. д.

Во всех случаях распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ. В ходе бескислородного расщепления глюкозы в виде химической связи в молекуле АТФ сохраняется 40 % энергии, а остальная рассеивается в виде теплоты.

Третий этап энергетического обмена – стадия аэробного дыхания, или кислородного расщепления. Реакции этой стадии энергетического обмена также катализируются ферментами. При доступе кислорода к клетке образовавшиеся во время предыдущего этапа вещества окисляются до конечных продуктов – Н2О и СО2. Кислородное дыхание сопровождается выделением большого количества энергии и аккумуляцией ее в молекулах АТФ. Суммарное уравнение аэробного дыхания выглядит так:

Таким образом, при окислении двух молекул молочной кислоты образуются 36 молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клетки энергией играет аэробное дыхание.

Источник

Энергетический обмен

Обмен веществ

Обмен веществ (метаболизм) складывается из процессов расщепления и синтеза — диссимиляции и ассимиляции, постоянно протекающих в организме. Чтобы жизнь продолжалась, количество поступающей энергии должно превышать (или как минимум равняться) количеству расходуемой энергии, поэтому диссимиляция и ассимиляция поддерживают определенный баланс друг с другом.

Энергетический обмен

Энергетический обмен (диссимиляция — от лат. dissimilis ‒ несходный) — обратная ассимиляции сторона обмена веществ, совокупность реакций, которые приводят к высвобождению энергии химических связей. Это реакции расщепления жиров, белков, углеводов, нуклеиновых кислот до простых веществ.

Возможно три этапа диссимиляции: подготовительный, анаэробный и аэробный. Среда обитания определяет количество этапов диссимиляции. Их может быть три, если организм обитает в кислородной среде, и два, если речь идет об организме, обитающем в бескислородной среде (к примеру, в кишечнике).

Обсудим этапы энергетического обмена более подробно:

    Подготовительный этап

Осуществляется в ферментами, в результате действия которых, сложные вещества превращаются в более простые: полимеры распадаются на мономеры. Это сопровождается разрывом химических связей и выделением энергии, большая часть которой рассеивается в виде тепла.

Под действием ферментов белки расщепляются на аминокислоты, жиры — на глицерин и жирные кислоты, сложные углеводы — до простых сахаров.

Этот этап является последним для организмов-анаэробов, обитающих в условиях, где кислород отсутствует. На этапе гликолиза происходит расщепление молекулы глюкозы: образуется 2 молекулы АТФ и 2 молекулы пировиноградной кислоты (ПВК). Происходит данный этап в цитоплазме клеток.

Кислородный этап (аэробный)

Этот этап доступен только для аэробов — организмов, живущих в кислородной среде. Из каждой молекулы ПВК, образовавшейся на этапе гликолиза, синтезируется 18 молекул АТФ — в сумме с двух ПВК выход составляет 36 молекул АТФ.

Таким образом, суммарно с одной молекулы глюкозы можно получить 38 АТФ (гликолиз + кислородный этап).

Кислородный этап протекает на кристах митохондрий (складках, выпячиваниях внутренней мембраны), где наибольшая концентрация окислительных ферментов. Главную роль в этом процессе играет так называемый цикл Кребса, который подробно изучает биохимия.

АТФ — аденозинтрифосфорная кислота

Трудно переоценить роль в клетке АТФ — универсального источника энергии. Молекула АТФ состоит из азотистого основания — аденина, углевода — рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.

Читайте также:  Все о болотном растении папирусе

Между остатками фосфорной кислоты находятся макроэргические связи — ковалентные связи, которые гидролизуются с выделением большого количества энергии. Их принято обозначать типографическим знаком тильда «∽».

АТФ гидролизуется до АДФ (аденозиндифосфорная кислота), а затем и до АМФ (аденозинмонофосфорная кислота). Гидролиз АТФ сопровождается выделением энергии (E) на каждом этапе и может быть представлен такой схемой:

  • АТФ + H2O = АДФ + H3PO4 + E
  • АДФ + H2O = АМФ + H3PO4 + E
  • АМФ + H2O = аденин + рибоза + H3PO4 + E
Пластический обмен

АТФ является универсальным источником энергии в клетке: энергия макроэргических связей АТФ используется для реакций пластического обмена (ассимиляции), протекающих с затратой энергии: синтеза белка на рибосоме (трансляции), удвоению ДНК (репликации) и т.д.

В результате пластического обмена в нашем организме происходит синтез белков, жиров и углеводов.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2020

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник

Лекция № 11. Энергетический обмен

Энергетический обмен

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме АТФ и других высокоэнергетических соединений. АТФ — универсальный источник энергообеспечения клетки. Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования — присоединения неорганического фосфата к АДФ.

У аэробных организмов (живущих в кислородной среде) выделяют три этапа энергетического обмена: подготовительный, бескислородное окисление и кислородное окисление; у анаэробных организмов (живущих в бескислородной среде) и аэробных при недостатке кислорода — два этапа: подготовительный, бескислородное окисление.

Подготовительный этап

Заключается в ферментативном расщеплении сложных органических веществ до простых: белковые молекулы — до аминокислот, жиры — до глицерина и карбоновых кислот, углеводы — до глюкозы, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. Распад высокомолекулярных органических соединений осуществляется или ферментами желудочно-кишечного тракта или ферментами лизосом. Вся высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла. Образовавшиеся небольшие органические молекулы могут быть использованы в качестве «строительного материала» или могут подвергаться дальнейшему расщеплению.

Бескислородное окисление, или гликолиз

Этот этап заключается в дальнейшем расщеплении органических веществ, образовавшихся во время подготовительного этапа, происходит в цитоплазме клетки и в присутствии кислорода не нуждается. Главным источником энергии в клетке является глюкоза. Процесс бескислородного неполного расщепления глюкозы — гликолиз.

Потеря электронов называется окислением, приобретение — восстановлением, при этом донор электронов окисляется, акцептор восстанавливается.

Следует отметить, что биологическое окисление в клетках может происходить как с участием кислорода:

так и без его участия, за счет переноса атомов водорода от одного вещества к другому. Например, вещество «А» окисляется за счет вещества «В»:

или за счет переноса электронов, например, двухвалентное железо окисляется до трехвалентного:

Гликолиз — сложный многоступенчатый процесс, включающий в себя десять реакций. Во время этого процесса происходит дегидрирование глюкозы, акцептором водорода служит кофермент НАД + (никотинамидадениндинуклеотид). Глюкоза в результате цепочки ферментативных реакций превращается в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), при этом суммарно образуются 2 молекулы АТФ и восстановленная форма переносчика водорода НАД·Н2:

Дальнейшая судьба ПВК зависит от присутствия кислорода в клетке. Если кислорода нет, у дрожжей и растений происходит спиртовое брожение, при котором сначала происходит образование уксусного альдегида, а затем этилового спирта:

У животных и некоторых бактерий при недостатке кислорода происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:

В результате гликолиза одной молекулы глюкозы высвобождается 200 кДж, из которых 120 кДж рассеивается в виде тепла, а 80% запасается в связях АТФ.

Кислородное окисление, или дыхание

Заключается в полном расщеплении пировиноградной кислоты, происходит в митохондриях и при обязательном присутствии кислорода.

Пировиноградная кислота транспортируется в митохондрии (строение и функции митохондрий — лекция №7). Здесь происходит дегидрирование (отщепление водорода) и декарбоксилирование (отщепление углекислого газа) ПВК с образованием двухуглеродной ацетильной группы, которая вступает в цикл реакций, получивших название реакций цикла Кребса. Идет дальнейшее окисление, связанное с дегидрированием и декарбоксилированием. В результате на каждую разрушенную молекулу ПВК из митохондрии удаляется три молекулы СО2; образуется пять пар атомов водорода, связанных с переносчиками (4НАД·Н2, ФАД·Н2), а также одна молекула АТФ.

Суммарная реакция гликолиза и разрушения ПВК в митохондриях до водорода и углекислого газа выглядит следующим образом:

Две молекулы АТФ образуются в результате гликолиза, две — в цикле Кребса; две пары атомов водорода (2НАДЧН2) образовались в результате гликолиза, десять пар — в цикле Кребса.

Последним этапом является окисление пар атомов водорода с участием кислорода до воды с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. Водород передается трем большим ферментным комплексам (флавопротеины, коферменты Q, цитохромы) дыхательной цепи, расположенным во внутренней мембране митохондрий. У водорода отбираются электроны, которые в матриксе митохондрий в конечном итоге соединяются с кислородом:

Читайте также:  Разнообразие живого растения и грибы 5 класс

Купить проверочные работы
и тесты по биологии

Протоны закачиваются в межмембранное пространство митохондрий, в «протонный резервуар». Внутренняя мембрана непроницаема для ионов водорода, с одной стороны она заряжается отрицательно (за счет О2 — ), с другой — положительно (за счет Н + ). Когда разность потенциалов на внутренней мембране достигает 200 мВ, протоны проходят через канал фермента АТФ-синтетазы, образуется АТФ, а цитохромоксидаза катализирует восстановление кислорода до воды. Так в результате окисления двенадцати пар атомов водорода образуется 34 молекулы АТФ.

1 — наружная мембрана; 2 — межмембранное пространство, протонный резервуар;
3 — цитохромы; 4 — АТФ-синтетаза.

При перфорации внутренних митохондриальных мембран окисление НАД·Н2 продолжается, но АТФ-синтетаза не работает и образования АТФ в дыхательной цепи не происходит, энергия рассеивается в форме тепла (клетки «бурого жира» млекопитающих).

Суммарная реакция расщепления глюкозы до углекислого газа и воды выглядит следующим образом:

где Qт — тепловая энергия.

Перейти к лекции №10 «Понятие об обмене веществ. Биосинтез белков»

Перейти к лекции №12 «Фотосинтез. Хемосинтез»

Смотреть оглавление (лекции №1-25)

Источник

Инфекции человека

Рубрики

  • Бактериальные инфекции (41)
  • Биохимия (5)
  • Вирусные гепатиты (12)
  • Вирусные инфекции (43)
  • ВИЧ-СПИД (28)
  • Диагностика (30)
  • Зооантропонозные инфекции (19)
  • Иммунитет (16)
  • Инфекционные заболевания кожи (33)
  • Лечение (38)
  • Общие знания об инфекциях (36)
  • Паразитарные заболевания (8)
  • Правильное питание (41)
  • Профилактика (23)
  • Разное (2)
  • Сепсис (7)
  • Стандарты медицинской помощи (26)

Энергетический обмен микроорганизмов

Для осуществления жизненных функций клетки — роста и размножения кроме питательных веществ необходим приток энергии. Потребность микроорганизмов в энергии удовлетворяется за счет энергетического обмена, суть которого заключается в биологическом окислении различных веществ с выделением энергии и синтезе молекул с макроэргическими связями, в которых клетка запасает выделенную при окислении энергию. Энергетические процессы микроорганизмов по своему объему значительно превосходят биосинтетические процессы, и осуществление их приводит к существенным изменениям во внешней среде.

Общие положения об энергетических процессах в клетке.

Живая клетка способна использовать в процессах жизнедеятельности только химическую энергию. Тепло не может быть использовано живыми организмами как энергия. Чтобы оно использовалось как энергия, необходим значительный перепад температур (как это имеет место в тепловых машинах).

В живых клетках такой перепад температур (примерно 100°С) невозможен. Источником энергии для живой клетки может быть световая энергия, которая превращается клеткой в химическую и накапливается в молекулах восстановленных углеводных соединений (фотосинтез). Другим источником энергии являются химические реакции окисления — восстановления, при которых химическая энергия восстановленных углеродистых и некоторых неорганических соединений превращается в биологически доступную энергию макроэргических связей.

Известно, что любое вещество, которое способно окисляться, может служить источником химической энергии для микроорганизмов. В природе существует огромное количество неорганических и органических соединений, способных окисляться. Биологическое окисление в клетке происходит двумя путями:

  • 1) отрывом водорода от окисленного вещества и переносом его на другое, которое при этом восстанавливается;
  • 2) отрывом электрона (е-) от окисленного вещества и переносом его на другое, которое при этом восстанавливается.

Соединения, способные окисляться, то есть источники оторванных электронов или водорода, называют донорами. Молекулы, способные принять оторванные при окислении электроны или водород, называют акцепторами. Следует отметить, что электроны не могут существовать самостоятельно. Они должны быть переданы в соответствующие молекулы от донора к акцептору. Поэтому все окислительно-восстановительные превращения является, по сути, перемещением электронов.

Энергия, освобождающаяся при окислении субстрата, становится доступной для клетки только тогда, когда она заложена в особые временные хранилища — особые молекулы. У микроорганизмов есть несколько типов соединений, сохраняющих энергию. Это АТФ и другие фосфатные соединения, а также ряд карбоновых кислот.

В процессах переноса химической энергии в клетке главная роль принадлежит системе АТФ — АДФ. Свободная энергия под воздействием ряда ферментов переносится из молекулы АДФ, которая превращается в АТФ. Энергия накапливается в форме химической энергии макроэргических фосфатных связей. Когда клетка использует энергию, то от АТФ отщепляется конечная фосфатная группа, и она снова превращается в АДФ.

Фосфатная группа переносится на конкретные акцепторные молекулы и они получают освободившуюся при этом энергию, за счет которой могут проводить в клетке определённую работу. При отщеплении фосфатной группы от молекулы АТФ высвобождается 7,3 ккал. Молекулу АТФ часто называют «энергетической валютой» клетки. Важная роль молекулы АТФ в энергетическом метаболизме клетки обусловлена следующими её свойствами:

  • химической стойкостью, которая обеспечивает сохранение сэкономленной энергии и препятствует потере ее в виде тепла;
  • малыми размерами молекул АТФ, что позволяет им легко попадать в разные участки клетки, которым необходима энергия для реакций биосинтеза;
  • энергетический уровень макроэргической связи, позволяет молекуле АТФ занять промежуточное положение между так называемыми высокоэнергетическими и низкоэнергетичными веществами и легко переносить между ними энергию.
Читайте также:  Размножение растений при помощи специализированных гаплоидных клеток называют

Энергетический обмен связан с биосинтезом, для которого он является поставщиком энергии. Но возможны условия, при которых клетка производит энергии больше, чем ее расходует. В молекулах АТФ энергия сохраняется недолго (приблизительно 1/3 секунды). Здесь она находится в мобильной форме и предназначена обеспечить энергозависимые процессы, происходящие в тот период. На более длительное время клетка накапливает энергию в неактивных запасных веществах типа волютина, липидов или отдаёт её излишки в окружающую среду.

Типы энергетического обмена. У микроорганизмов наблюдается большое разнообразие энергетического обмена. Типы энергетического обмена микроорганизмов определяются:

  • источником энергии для процесса окисления, то есть донором электрона (видом вещества, использованного для окисления);
  • видом акцептора водорода или электрона, иначе говоря видом конечного вещества, который принимает электроны, освободившиеся при окислении.

Особенности энергетического обмена влияют на расселение микробов в природе и на те изменения, которые наблюдаются во внешней среде в результате их жизнедеятельности. Микроорганизмы по источнику энергии для окислительно-восстановительных реакций внутри клетки разделяют на два типа:

  • фототрофы или фотосинтезирующие микробы, которые используют энергию солнца;
  • хемотрофы, источником энергии которых являются химические реакции в клетке.

Фототрофы и хемотрофы при окислительно-восстановительных реакциях могут использовать в виде окисляющегося вещества (донора электронов) как неорганические, так и органические соединения.

По донором водорода (электрона) микроорганизмы делятся на следующие типы:

  • микробы, которые используют в качестве донора водорода неорганические вещества. их называют литотрофы (соответственно — фотолитотрофы и хемолитотрофы);
  • микробы, которые используют в качестве донора водорода органические вещества, их называют органотрофы (соответственно — фотоорганотрофы и хемоорганотрофы).

У хемотрофов различные акцепторы водорода (электронов), то есть конечное вещество, принимают на себя водород (или электрон). В зависимости от происхождения конечного акцептора водорода хемотрофы разделяют на два типа:

  • аэробные, у которых конечным акцептором электронов (водорода) является молекулярный кислород;
  • анаэробы, у которых конечным акцептором электронов (водорода) являются органические или неорганические вещества. Кислород для них ядовит.

Следует отметить, что между аэробами и анаэробами нет резкой границы. Существуют промежуточные формы, которые могут существовать как при наличии молекулярного кислорода, так и при его отсутствии. Такие микроорганизмы называют факультативными аэробами или факультативными анаэробами. К факультативным анаэробам принадлежат дрожжи и молочнокислые бактерии.

При аэробном дыхании питательные вещества окисляются кислородом воздуха до конечных продуктов распада, то есть до углекислого газа и воды. При этом высвобождается значительное количество энергии. Например, окисление глюкозы в процессе аэробного дыхания проходит так:

674 ккал тепла — это запас потенциальной энергии глюкозы, то есть количество энергии, которая была аккумулирована в молекуле сахара при его фотосинтезе из углекислого газа и воды в зеленых растениях. Энергия, образующаяся при этом, используется микроорганизмами при усвоении питательных веществ для движения и размножения.

К аэробным микроорганизмам, то есть к микроорганизмам, у которых дыхание проходит аэробным путем, относятся все плесневые грибы, а также много бактерий. В большинстве случаев для дыхания они используют углеводы, но могут использовать другие органические соединения — белки, жиры, спирты и др. При этом они окисляются преимущественно полностью до конечных продуктов — углекислого газа и воды.

Иногда при аэробном дыхании происходит только частичное окисление с образованием других органических соединений. В таком случае высвобождается меньше энергии, потому, что часть потенциальной энергии остается в продуктах неполного окисления. Так, например, уксуснокислые бактерии в процессе дыхания используют этиловый спирт, окисляя его до уксусной кислоты:

При полном окислении спирта до конечных продуктов выделяется значительно больше энергии:

При анаэробном дыхании микроорганизмы получают энергию не путем окисления, а путем распада сложных органических веществ до более простых. Анаэробное дыхание принято называть брожением. Микроорганизмы, у которых имеет место анаэробное дыхание, называют анаэробами. К ним относятся дрожжи и много бактерий. Анаэробные микроорганизмы делятся на строгие (облигатные, безусловные), которым кислород воздуха не только не нужен, но и вреден, и факультативные (условные), которые могут жить как без кислорода, так и в его присутствии. Типичными примерами анаэробного дыхания являются:

  • спиртовое брожение (дыхание дрожжей в анаэробных условиях)
  • молочнокислое брожение (дыхание молочнокислых бактерий)
  • маслянокислое брожение (дыхание маслянокислых бактерий)

Как видно из приведённых уравнений, при анаэробном дыхании образуется значительно меньше энергии, чем при аэробном. Поэтому при аэробном дыхании для того, чтобы обеспечить потребность в необходимом количестве энергии, микроорганизмам надо потреблять больше сахара, чем при аэробном.

На процессы жизнедеятельности микроорганизмов расходуется не вся энергия, высвобождаемая при дыхании. На эти процессы используется около 1/4 части освобожденной энергии. Большая часть энергии расходуется в окружающую среду. Это вызывает нагревание продуктов, в которых развиваются микроорганизмы.

АИменно так нагревается вино, в котором проходит спиртовое брожение. В результате бурного развития микроорганизмов нагревается влажное зерно, хлопок, торф, сено, навоз. Тепло, выделяемое при самонагревании навоза, используют для утепления теплиц. Некоторые микроорганизмы выделяют неиспользованную ими энергию в виде света. Это можно доказать на примере свечения гнилого дерева.

Источник