Лекция по биологии на тему "Энергетический обмен"

                   БИОЛОГИЯ I семестр

Лекция 6

Обмен веществ и энергии в клетке. Енергетический обмен.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ.

  Постоянный обмен веществ с окружающей средой — одно из основных свойств живых систем. Питательные вещества расщепляются на мономеры в пищеварительном тракте. В клетках часть мономеров используется на синтез органических веществ, присущих данному организму. Другая часть подвергается дальнейшему расщеплению до СО₂ и Н₂О и др. веществ с выделением энергии. Часть энергии рассеивается в виде теплоты (50%), а часть её запасается в МАКРОЭРГИЧЕСКИХ химических связях органических соединений.

АТФ является уни­версальным  источником  энергии в клетке. В АТФ энергия преобразуется в более удобную концентрированную форму, из которой она может легко освобождаться. При отщеплении одного остатка фосфорной кислоты выделяется около 42 кДж энергии вместо 12 кДж, освобождаемых при разрыве обычной химической связи. ● Благодаря АТФ клетка может накапливать большое количество энергии в маленьком пространстве. ● Химически энергия наиболее удобна в использовании, так как она может быть быстро передана из одной части клетки в другую в виде АТФ, и может использоваться строго отмеренными порциями.

В ходе превращения веществ в клетках образуются конечные продукты обмена. Т. о., все живые организмы постоянно потребляют из окружающей среды определённые вещества, преобразуют их  и выделяют в среду конечные продукты.

► МЕТАБОЛИЗМ, или обмен веществ — это совокупность биохи­мических реакций и процессов жизнедеятельности клетки. В зависимости от направленности в обмене веществ различают процессы ассимиляции и диссимиляции.

► АССИМИЛЯЦИЯ (анаболизм, пластический обмен) – это совокупность реакций синтеза сложных органических веществ из простых, происходящих с поглощением энергии. К реакциям ассимиляции относится биосинтез различных в-в.

► ДИССИМИЛЯЦИЯ (катаболизм, энергетический обмен) – это совокупность реакций расщепления сложных органических соединений до более простых, идущих с выделением энергии. К реакциям диссимиляции относятся – гидролиз полимеров до мономеров и расщепление последних до углекислого газа, воды, аммиака и др.

Пластический и энергетический обмены являются противоположными сторонами единого процесса обмена веществ и составляют основу жизнедеятельности клетки и организма. Процессы ассимиляции и диссимиляции тесно связаны с ти­пами питания организмов. По типу питания орг-мы делятся на:  ● АВТОТРОФЫ — это организмы, способные синтезировать органичес­кие соединения из неорганических с использованием определён­ного вида энергии.             – ФОТОТРОФЫ – организмы, которые для процессов синтеза органических соединений используют энергию солнечного света (фотосинтезирующие серобактерии и цианобактерии и зелёные расте­ния).

− ХЕМОТРОФЫ  для синтеза органи­ческих соединений используют энергию            хи­мических реакций (окисление сероводорода, серы, водорода, аммиака).             (же­лезобактерии, серобактерии, азотфиксирующие).

● ГЕТЕРОТРОФЫ — это организмы, которые синтезируют собственные органические соединения из готовых органических соединений, синтезированных другими орга­низмами (большинство бактерий, грибы, животные).

► АЭРОБНОЕ ДЫХАНИЕ – это окислительный процесс в ходе которого расходуется кислород. Состоит из трёх этапов: подготовительного, бескислородного (гликолиз, анаэробное дыхание) и кислородного (аэробное дых.).

●  ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП.

Протекает в пищеварительном тракте и в цитоплазме клеток. Крупные органические молекулы под дей­ствием ферментов расщепляются на мономеры. На этом этапе выделяется небольшое количество энер­гии, рассеивающееся в виде тепла

●  БЕСКИСЛОРОДНЫЙ (анаэробный) ЭТАП.

Протекает в цитоплазме клеток. Молекула глю­козы путём гликолиза расщепляется на 2 молекулы пировиноградной  кислоты (ПВК) и теряется 4 атома Н⁺.

СУММАРНОЕ УРАВНЕНИЕ ГЛИКОЛИЗА:

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ → 2С₃Н₄О₃+ 2АТФ + 4Н⁺        

В  АТФ аккумулируется лишь 40 % энергии, 60% рассеивается в виде тепла.

♦ В дальнейшем пировиноградная кислота (ПВК) подвергается:

1.    В присутствии кислорода аэробному окислению до углекислого газа и воды в митохондриях с образованием 38 молекул АТФ.

2.    В отсутствии кислорода анаэробному окислению (брожению):

● КИСЛОРОДНЫЙ ЭТАП (аэробное ды­хание, тканевое дыхание).

    Происходит в митохондриях.

   Аэробное дыхание распадается на 3 этапа:

    ─ окислительное декарбоксилирование

    ─ цикл Кребса (цикл лимонной кислоты, цикл трикарбоновых кислот) и

    ─ окислительное фосфорилирование (дыхат. цепь, электронтранспортная цепь)

Органические соединения, которые образовались в бескислородном этапе, окисляются до ко­нечных продуктов (углекислого газа и воды). Соединения окисля­ются с отщеплением от них водорода.

    ►ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ.

Протекает в матриксе митохондрий.

ПВК подвергается декарбоксилированию (отщепляется молекула СО₂ Образуется  ацетилкофермента А с высокоэнергетической связью). Одновременно ПВК подвергается дегидрированию (отщеплению атомов Н). Атомы Н запасаются в виде НАД▪Н + Н⁺.

    ► ЦИКЛ КРЕБСА (цикл лимонной кислоты).

Протекает  в матриксе митохондрий.

Ацетил-КоА взаимодействует со щавелевоуксусной кислотой (ЩУК) – 4-х углеродным соединением с образованием  6-ти углеродной лимонной кислоты.  Лимонная кислота после целого ряда преобразований на другие кис­лоты снова становится щавелевоуксусной. Цикл повторяется.

       При переходе от одной кислоты к другой они ДЕГИДРИРУЮТСЯ, атомы водорода захватываются НАД и ФАД (флавин аденин динуклеотид), восстанавливаются и используются в дыхательной цепи для 2-х молекул АТФ. Также происходит ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ с образованием 2-х молекул СО₂. При декарбоксилировании для окисления атомов углерода до СО₂ используется О₂, отщепляемый от 3-х молекул воды.

СУММАРНАЯ РЕАКЦИЯ ЦИКЛА КРЕБСА:

Ацетил-КоА + 3Н₂О + 3 НАД⁺ + ФАД + АДФ + Н₃РО₄→ КоА + 2СО₂ + 3 НАД▪Н+ Н⁺ +   

 ФАД▪Н₂ + 2АТФ

► ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ (дыхательная цепь).

      Протекает на внутренних мембранах мито­хондрий.

      Атомы водорода, образовавшиеся при гликолизе и в цикле Кребса, восстанавливают О₂ до H₂O, одновременно происходит превращение АДФ в АТФ. Образуется 34 молекулы АТФ.

КПД второго и третьего этапов составляет 55%.

Аналогичным образом в энергетический обмен могут всту­пать белки и жиры.

АНАЭРОБНОЕ ДЫХАНИЕ.

Существует несколько типов брожения.

 Известны ● СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ (у некоторых дрожжей и бактерий с образованием спирта), ● МАСЛЯНОКИСЛОЕ (с образованием масляной кислоты),         ● МОЛОЧНОКИСЛОЕ (у молочнокисл. бактерий с образованием молочн. кислоты).

Брожение — эволюционно более ранняя и энергетически менее рациональна форма получения энергии по сравнению с кислородным дыханием. К брожению способны бактерии, многие микроскопические грибы и простейшие.      Сбраживанию подвергаются: углеводы, органические кислоты, спирты, аминокислоты и другие вещества. Продуктами брожения являются различные органические кислоты (молочная, масляная, уксусная, муравьиная), спирты (этиловый, бутиловый, амиловый), ацетон, также СО₂ и вода.