Обмен веществ. Энергетический обмен

Все организмы, обитающие на Земле, являются открытыми системами, так как между ними и окружающей средой постоянно идёт обмен энергией и веществом.

Часть веществ, которая поступает в клетку используется для получения и запасания энергии, а ещё одна часть для построения и воспроизведения клеточных структур.

Процессы поступления, переваривания, всасывания и усвоения питательных веществ называют питанием. В процессе питания организмы получают химические вещества, которые используются для всех процессов жизнедеятельности.

По способу получения органических веществ все организмы делятся на автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы могут сами синтезировать необходимые им органические вещества, получая из окружающей среды углерод (в виде углекислого газа), воду и минеральные вещества.

К автотрофам можно отнести большую часть высших растений (за исключением растений, которые не имеют хлорофилла или растений, которые могут поддерживать свою жизнь за счёт других организмов), а также водоросли и бактерии.

Роль в природе автотрофов очень велика: только они могут оказаться первичными продуцентами (организмами, синтезирующими органические вещества из неорганических), которые потом используются всеми живыми организмами - гетеротрофами для поддержания жизни (питания).

Гетеротрофы, в отличие от автотрофов не могут сами синтезировать весь набор необходимых им для жизнедеятельности органических веществ.

Поэтому они поглощают из окружающей среды нужные им соединения, произведённые другими организмами. Затем из полученных органических веществ они строят собственные белки, липиды и углеводы.

Все реакции биосинтеза веществ и их последующая сборка в более крупные структуры называются ассимиляцией или анаболизмом. Ещё одно название этого набора реакций — пластический обмен. Для этих процессов требуется затрата энергии.

Особенно интенсивный биосинтез веществ происходит в период развития и роста организмов. Вся жизнедеятельность требует огромного количества энергетических затрат.

Например, в нервных клетках энергия идёт на биоэлектрические процессы. Разряд электрического ската — яркое проявление их.

Энергию для всех процессов жизнедеятельности поставляют процессы диссимиляции — это совокупность реакций распада, которые сопровождаются выделением и запасанием энергии. Процессы диссимиляции, также называют катаболизмом или энергетическим обменом.

В организме животного при диссимиляции богатые энергией органические вещества превращаются в углекислый газ, воду и другие энергетически бедные соединения.

Ассимиляция и диссимиляция — это противоположные процессы. В первом случае происходит образование веществ, на что тратиться энергия. А во втором ― распад веществ с выделением и запасанием энергии. Эти процессы невозможны друг без друга. Таким образом, реакции ассимиляция и диссимиляция — это две стороны единого процесса обмена веществ и энергии в клетке, который называется ― метаболизмом.

Реакции метаболизма в живых организмах проходят очень быстро благодаря действию ферментов и АТФ.

Все ферменты ― вещества белковой природы.

Одни ферментные системы направляют процессы биосинтеза. Этот процесс требует затрат энергии.

Другие ферментные системы регулируют распад и окисление веществ. При этих реакциях энергия выделяется.

Как переходит энергия от одной группы реакций к другой? Роль поставщика этой энергии выполняет аденозинтрифосфорная кислота — АТФ.

Молекула АТФ, как вы помните, содержит 3 остатка фосфорной кислоты. Химические связи между остатками богаты энергией.

Под действием очередного фермента от молекулы АТФ отщепляется 1 или 2 остатка фосфорной кислоты. Такие реакции сопровождаются высвобождением большого количества энергии.

После отрыва одного остатка фосфорной кислоты АТФ превращается в АДФ ― аденозин дифосфорную кислоту. АДФ может соединится с фосфорной кислотой и перейти в АТФ.

На эту реакцию затрачивается энергия, которая была выделена в процессе диссимиляции, то есть в реакциях расщепления органических веществ в клетке.

У растений в хлоропластах АТФ образуется при фотосинтезе за счёт энергии света.

В митохондриях животных клеток АТФ синтезируется за счёт энергии окислительных процессов.

Итак, ферментные системы катализируют цепи процессов обмена веществ.

АТФ связывает реакции ассимиляции и диссимиляции.

Как мы уже говорили, реакции диссимиляции называются энергетическим обменом. Энергетический обмен, или диссимиляция, может проходить в два или три этапа.

Количество этапов зависит от того относиться организм к аэробам или ― анаэробам. Вы помните, что аэробы используют в процессе обмена веществ кислород из окружающей среды. А анаэробы обитают в бескислородной среде и не нуждаются в кислороде.

У аэробов ― энергетический обмен происходит в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный.

У анаэробов ― в два этапа: подготовительный и бескислородный.

В двухэтапном варианте энергетического обмена энергии запасается гораздо меньше, чем в трёхэтапном.

Рассмотрим этапы энергетического обмена. Подготовительный этап.

У многоклеточных животных процессы подготовительного этапа диссимиляции совершаются в органах пищеварения.

Происходит расщепление крупных органических молекул до более простых ― питательных веществ. Полимерные углеводы превращаются в глюкозу. Белки ― в аминокислоты. Жиры ― в глицерин и жирные кислоты. Продукты расщепления пищевых веществ всасываются в кровь и приносятся ко всем клеткам организма.

Все эти процессы составляют подготовительную стадию энергетического обмена. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая не запасается в молекулах АТФ и рассеивается в виде тепла.

Наступает второй этап энергетического обмена — бескислородный. Он заключается в ферментативном расщеплении органических веществ, которые были получены в ходе подготовительного этапа. 

Как же освобождается в клетки энергия, заключённая в питательных веществах?

Основным источником энергии для процессов жизнедеятельности является глюкоза. Однако глюкоза не поддаётся ферментативному окислению. Поэтому в системе ферментов мембран эндоплазматической сети происходит сначала активирование глюкозы за счёт энергии АТФ.

Затем в цитоплазме клеток наступает многоступенчатый процесс бескислородного расщепления глюкозы, до двух молекул трехуглеродной пировиноградной кислоты.

Это неполное бескислородное окисление глюкозы называется гликолизом.

Итак, каждая молекула глюкозы под действием ферментов расщепляется на 2 меньшие молекулы пировиноградной кислоты, которые становятся доступными для окисления.

На данном этапе на каждую молекулу глюкозы выделяется уже 200 кДж энергии.

Из них 80 кДж сберегается (по 40 кДж на 1 АТФ).

Вы помните, что для того, чтобы превратить АДФ в АТФ необходимо затратить 40 кДж.

Поэтому 80 кДж достаточно для превращения двух молекул АДФ в 2 молекулы АТФ. А 120 кДж образовавшейся при расщеплении глюкозы ―  рассеивается в виде тепла.

Итак, в процессе гликолиза образуется 2 АТФ. Благодаря многостадийности гликолиза выделяющиеся небольшие порции тепла не успевают нагреть клетку до опасного уровня.

Далее пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту ― это основной продукт второго этапа энергетического обмена.

В большинстве растительных клеток, а также в клетках некоторых грибов (например, дрожжей) вместо гликолиза происходит спиртовое брожение, где молекула глюкозы в анаэробных условиях превращается в этиловый спирт и углекислый газ.

Существуют и такие микроорганизмы, в клетках которых в бескислородных условиях образуется не молочная кислота и не этиловый спирт, а, например, уксусная кислота. Однако во всех случаях распад одной молекулы глюкозы приводит к запасанию двух молекул АТФ.

У аэробных организмов после гликолиза следует третий этап энергетического обмена — кислородный. Это полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание.

Этот процесс происходит на кристах митохондрий клетки, где образовавшиеся в процессе второго этапа вещества (молочная кислота, этиловый спирт, например) окисляются до конечных продуктов углекислого газа и воды.

Рассмотрим кислородный этап более подробно.

Вы помните, что главной функцией митохондрий является захват высокомолекулярных веществ из цитоплазмы и их окислительное расщепление с образованием углекислого газа и воды, связанное с синтезом АТФ.

Здесь на кристах митохондрий пировиноградная кислота превращается в ацетил-кофермент А. Сокращённо ацетил-КоА ─ это важное соединение в обмене веществ, которое используется во многих биохимических реакциях.

Ацетил-КоА является основным субстратом, который необходим для реакций цикла трикарбоновых кислот — цикла Кребса.

Ацетил-КоА доставляет атомы углерода с ацетил-группой в цикл трикарбоновых кислот (или цикл Кребса), чтобы те были окислены с выделением энергии.

Цикл Кребса проходит так же внутри митохондрий. Это очень сложный ряд последующих реакций ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме. Цикл трикарбоновых кислот является промежуточным этапом между гликолизом и электронтранспортной (дыхательной) цепью.

В ходе цикла Кребса ацетильные остатки (остатки ацетил-КоА) окисляются до углекислого газа. При этом за один цикл образуется 2 молекулы углекислого газа, 3 НАДН (читается НАДаш), 1 ФАДН2 (ФАД аш 2) (не читать) и 1 АТФ.

Итак, в процессе гликолиза и цикла кребса образуются необходимые молекулы НАДН, которые переносят водороды из одной реакции в другую. Водороды, находящиеся на НАДН и ФАДН2 (над аш и фад аш два), в дальнейшем переносятся на дыхательную цепь, где образуется АТФ.

Итак, на мембране митохондрии атомы водорода, полученные от НАДН и ФАДН2, разделяются на протоны (аш с плюсом) и электроны. Электроны начинают проходить через комплексы 1,2,3,4 это белки, которые встроены в мембрану.

А протоны водорода переносятся через комплексы и накапливаются в межмембранном пространстве. В результате чего и образуется градиент концентрации протонов, необходимый для синтеза молекулы АТФ.

Вы помните, что протоны при прохождении через АТФ-синтазу, помогают образованию самой АТФ.

Итак, на третьем этапе в митохондриях при клеточном дыхании (кислородном процессе) 2 молекулы пировиноградной кислоты окисляются до углекислого газа, воды и 36 молекул АТФ. То есть при полном расщеплении 1 молекулы глюкозы в итоге образуется 38 молекул АТФ.

Невидимые нашему глазу биохимические превращения в клетках составляют основу существования всех живых организмов.

В результате биохимических реакций в клетке происходит синтез универсального для всего органического мира вещества ― АТФ, которая обеспечивает энергией любое проявление жизни.