Катаболизм. Обеспечение клеток энергией презентация

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 Окисление органических соединений подразумевает расщепление их до более простых веществ, т.е. является сущностью процессов катаболизма. Катаболизм – совокупность процессов окисления высокомолекулярных органических соединений до низкомолекулярных или неорганических веществ с выделением энергии. Откуда берется эта энергия?

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 кДж на 1 моль (т.е. на 180 г глюкозы). Для живой клетки 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 с параллельным запасанием выделенной при этом энергии.

Обеспечение клеток энергией В ходе гликолиза образуется 2 молекулы АТФ. С6Н12О6 + 2 АДФ + НАД⁺ + 2Фн 2 С3Н4О3 +2 АТФ + НАД•Н Молекула глюкозы не только распадается 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. С3Н4О3 + НАД•Н → С3Н6О3 + НАД⁺ 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.

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). 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 СО2 и Н2О. 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.

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 Электроны, отобранные у НАД·Н переносчиками, 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 мВ), 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.

Этапы энергетического обмена

Этапы энергетического обмена

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

Домашнее задание § 12, повторить § 9-11