Обмен веществ и энергии в клетке

За счёт энергии света при фотосинтезе в клетках зелёных растений из неорганических веществ образуются органические, например, глюкоза.

Из листьев глюкоза поступает и в другие органы растений. Где она используется для синтеза более сложных соединений.

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 затрат энергии.

Особенно интенсивный биосинтез веществ происходит в период развития и роста организмов. В отличие от зелёных растений другие организмы в первую очередь животные не сами синтезируют органические вещества, а используют уже готовые.

Вся жизнедеятельность требует огромное количество энергетических затрат.

Клетки расходуют энергию на химические реакции, которые обеспечивают обновление и рост организмов.

В нервных клетках энергия идёт на биоэлектрические процессы. Разряд электрического ската – яркое проявление их.

Энергия также расходуется на механическую работу в мышечных клетках.

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

При диссимиляции в клетках зелёных растений окислительному распаду подвергаются продукты фотосинтеза.

А в организме животного 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.

Роль ферментов и АТФ в процессах обмена веществ

В состав внутриклеточных структур входят многочисленные ферментные системы.

Все ферменты вещества белковой природы. Их молекулы состоят в основном из аминокислотных звеньев.

Ферменты действуют в строго определённой последовательности. Они специфичны для каждого вещества и ускоряют только определённые реакции. Избирательность действия ферментов на разные химические вещества связана с их строением.

Ферменты имеют специфические активные участки (центры), с которыми связываются субстраты. Форма и химическое строение активного центра таково, что с ним может связаться только определённые молекулы в силу их пространственного соответствия, они подходят друг к другу, «как ключ к замку».

Одни ферментные системы направляю 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.

Ферментные системы катализируют цепи процессов обмена веществ.

АТФ связывает реакции ассимиляции и диссимиляции.

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.

Рассмотри этапы энергетического обмена.

Подготовительный этап энергетического обмена

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 доступны 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 что бы превратить АДФ в АТФ необходимо затратить 40 кДж.

Поэтому 80 кДж достаточно для превращения двух молекул АДФ в 2 молекулы АТФ.

А 120 кДж образовавшийся 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 также 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 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.

Молочная кислота

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, 1 ФАДН2 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, в дальнейшем переносятся на дыхательную цепь, где образуется АТФ.

Итак, на мембране митохондрии атомы водорода, полученные от НАДН и ФАДН2, разделяются на протоны 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.

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.

Таким образом, суммарно энергетический обмен клетки в случае распада глюкозы можно представить следующим образом.