Краткий конспект. Тема "Обмен веществ и превращение энергии в клетке"

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ (МЕТАБОЛИЗМ)

Постоянный обмен веществ с окружающей средой – одно из основных свойств живых систем.

Процесс синтеза органических веществ называется ассимиляцией или пластическим обменом (анаболизм).

Процесс расщепления органических веществ называется диссимиляцией (катаболизм).

Пластический и энергетический обмен неразрывно связаны: все реакции синтеза нуждаются в энергии, а все реакции расщепления протекают при помощи ферментов, катализирующих эти реакции. Ферменты образуются в результате синтеза (ассимиляции).

Через пластический и энергетический обмен образуется связь с внешней средой: из внешней среды в клетку поступают питательные вещества, служащие материалом для реакций энергетического обмена; во внешнюю среду выделяются вещества, которые не могут быть использованы клеткой (H₂O, СО₂ и др.).

Совокупность реакций энергетического и пластического обменов, в процессе которых осуществляется связь клетки с внешней средой, называется обменом веществ и энергии.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН (ДИССИМИЛЯЦИЯ)

В этом процессе органические вещества, богатые энергией, распадаются на низкомолекулярные органические или неорганические соединения, бедные энергией. Реакции сопровождаются освобождением энергии, часть которой запасается в форме АТФ.

Энергетический обмен осуществляется в 3 этапа:

I. Подготовительный этап

Протекает в желудочно-кишечном тракте. На этом этапе сложные органические вещества расщепляются на более простые: белки до аминокислот, нуклеиновые кислоты до нуклеотидов, углеводы на моносахариды, жиры до жирных кислот и глицерина, освобождаемая при этом энергия рассеивается в виде тепла.

II этап – анаэробный (гликолиз) – бескислородное окисление

Протекает в цитоплазме клеток. Образованные на I этапе вещества подвергаются расщеплению с освобождением энергии – неполное окисление.

Процесс называют бескислородным или анаэробным, т.к. идет без поглощения кислорода. Главным источником энергии в клетке является глюкоза (С₆Н₁₂О₆).

Бескислородное расщепление глюкозы – гликолиз:

С₆Н₁₂О₆ + 2НАД +2АДФ + 2Ф → 2С₃Н₄О₃ + 2НАДН₂ + 2АТФ

глюкоза ПВК (Атомы Н накапливаются при
помощи акцептора НАД+, а позже
соединяются с О₂ → Н₂О)

В результате неполного окисления 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ.

Виды брожения

В условиях, когда О₂ нет и, значит, водородные атомы, освободившиеся в процессе гликолиза, не могут быть ему переданы, вместо О₂ должен быть использован другой акцептор водорода. Таким акцептором становиться пировиноградная кислота (ПВК). В зависимости от метаболических путей организма, конечные продукты различны:

Молочнокислое: 2С₃Н₄О₃ + 2НАД·Н₂ → 2С₃Н₆О₃ (молочная к-та) + 2НАД

Спиртовое: 2С₃Н₄О₃ + 2НАД·Н₂ → 2С₂Н₅ОН (этиловый спирт) + СО₂ + НАД

Маслянокислое: 2 С₃Н₄О₃ + 2НАД·Н₂ → С₄Н₈О₂ (масляная к-та) + 2СО₂ + 2Н₂ + НАД

III этап – аэробный – полное окисление (клеточное дыхание)

Протекает в митохондриях. Это аэробный процесс, т.е. протекающий с обязательным присутствием кислорода. Образовавшаяся в процессе гликолиза пировиноградная кислота (ПВК): С₃Н₄О₃ подвергается дальнейшему окислению в митохондриях до Н₂О и СО₂ и освобождается большое количество энергии:

2С₃Н₄О₃ + 6О₂ + 36АДФ + 36 Н₃РО₄ → 42Н₂О + 6СО₂ + (36АТФ)

Таким образом, всего на втором и третьем этапе выделяется 38АТФ:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 38АДФ + 38Н₃РО₄ → 6СО₂ + 6Н₂О + 38АТФ.

Клеточное дыхание включает три группы реакций:

- Образование ацетилкофермента А;

- Цикл трикарбоновых кислот или цикл лимонной кислоты (цикл Кребса);

- Перенос электронов по дыхательной цепи и окислительное фосфорилирование.

Первый и второй этапы протекают в матриксе митохондрий, а третья – на внутренней мембране митохондрий.

1. Образование ацетилкофермента А:

Пировиноградная кислота поступает из цитоплазмы в митохондрии, где претерпевает окислительное декарбоксилирование, заключающееся в отщеплении одной молекулы углекислого газа (СO₂) → образование ацетильной группы пирувата (СН₃СО–), которая присоединяется к коферменту А (КоА) →образование ацетил-КоА.

2. Цикл Кребса

В цикле Кребса происходит последовательное окисление ацетил-КоА в составе лимонной кислоты, что сопровождается отщеплением углекислого газа и водорода, который собирается в НАД∙H₂ и передается в цепь транспорта электронов, встроенную во внутреннюю мембрану митохондрий, т.е. в результате полного оборота цикла Кребса одна молекула ацетил-КоА сгорает до СО₂ и Н₂О.

Конечные продукты цикла Кребса и пути их использования:

• СО₂ выдыхается с воздухом;

• НАДН и ФАДН₂ поставляют водород в дыхательную цепь;

- АТФ используется на различные виды работы

3. Перенос электронов по дыхательной цепи и окислительное фосфорилирование

Дыхательная цепь (цепь переноса электронов) – это цепь окислительно-восстановительных реакций, в ходе работы которой компоненты дыхательной цепи катализируют перенос протонов (Н+) и электронов (е-) от НАД∙H₂ и ФАД∙H₂ на их конечный акцептор – кислород, в результате чего образуется Н₂О
(электроны переносятся по дыхательной цепи на молекулу О₂ и активируют её. Активированный кислород сразу же реагирует с образовавшимися протонами (Н+), в результате чего выделяется вода.

Окислительное фосфорилирование – это синтез АТФ из АДФ и фосфата с помощью встроенного во внутреннюю мембрану митохондрий фермента АТФ-синтетазы. В этом процессе используется энергия движения электронов и протонов в митохондриальной мембране.

ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН

Процесс ассимиляции – это процесс образования сложных органических веществ из более простых. К пластическому обмену относится биосинтез белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и фотосинтез.

Различают два типа ассимиляции: гетеротрофную и автотрофную.

Гетеротрофная ассимиляция имеет место в клетках животных организмов, грибов и большинства бактерий, которые для синтеза собственных веществ используют готовые органические соединения. например, на синтез белков в клетках животных идут аминокислоты, поступающие в организм с пищей, на синтез нуклеиновых кислот – нуклеотиды, содержащиеся в пище и т. д.

Автотрофные организмы синтезируют сложные органические вещества из неорганических (СО₂ и Н₂О) посредством фотосинтеза и хемосинтеза.

Фотосинтез

Синтез органических соединений из неорганических (СО₂ и Н₂О), протекающий за счет световой энергии.

Побочным продуктом фотосинтеза является О₂, выделяющийся в атмосферу.

Фотосинтез протекает в хлоропластах при участии хлорофилла. В фотосинтезе выделяют 2 фазы: световую и темновую.

I. Световая фаза: протекает в тилакоидах хлоропластов только на свету. Под действием света хлорофмлл приходит в «возбужденное» состояние, под влиянием квантов света из атомов магния «выбиваются» е^- (электроны) и приобретают скорость «убегания», т.е. покидают свои орбиты, отрываясь от молекулы хлорофилла.

Вода в хлоропластах находится частично в диссоциированном состоянии:

Н₂О → Н⁺ + ОН^-

Один из электронов соединен с ионом водорода (Н⁺) из воды. Водород при этом восстанавливается до атома до атома: 2Н⁰ + НАДФ = НАДФ∙H₂.

Ион гидроксида (ОН^-), оставшийся без противоиона, немедленно отдает свой электрон молекулам хлорофилла, утратившим свои е^-, и превращаются в свободной радикал – ОН⁰: ОН^- - е^- = ОН⁰.

Свободные радикалы гидроксида при этом взаимодействуют друг с другом:

4ОН → 2Н₂О + О₂.

Следовательно, световая фаза характеризуется реакцией: Н₂О → О₂ + 4Н. Помимо образования О₂ и Н, главным моментом световой фазы является синтез АТФ.

У растений АТФ образуется и в митохондриях, и в хлоропластах.

II. Темновая фаза: протекает в строме хлоропластов как на свету, так и в темноте. Из СО₂ атмосферы и атомов водорода, образовавшихся в световую фазу, а также при участии АТФ, образовавшейся в световую фазу, образуется сложное органическое вещество – глюкоза: 6СО₂ + 24Н₂ → С₆Н₁₂О₆ + 6Н₂О,

В результате фотосинтеза имеем: 6СО₂ + 6Н₂О → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Таким образом, световая энергия солнца преобразовалась в химическую энергию глюкозы.

ХЕМОСИНТЕЗ

Хемосинтез, как и фотосинтез, характеризуется синтезом органических веществ из неорганических, но в этом процессе используется не энергия света, а энергия химических связей, химическая энергия и кислород в окружающую среду не выделяется.

Наибольшее значение имеют нитрифицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии.

Серобактерии окисляют сероводород до серы и далее до серной кислоты:

H₂S →^О2 S + энергия; S ^О2→ H₂SO₄

Освобожденная в этих процессах энергия накапливается в виде молекул АТФ и используется затем для синтеза органических веществ, протекающего по типу синтеза глюкозы в темновой фазе фотосинтеза.

СО₂ + Н₂О + АТФ → углевод

Автотрофная ассимиляция – характерна для клеток зеленных растений, некоторых бактерий. В этих клетках органические вещества синтезируются из неорганических. Источником энергии служит свет или химическая энергия.

Гетеротрофная ассимиляция – имеет место в клетках животных организмов, грибов и большинства бактерий, которые для синтеза собственных веществ используют готовые органические соединения.

Например, на синтез белков в клетках животных идут аминокислоты, поступающие в организм с пищей.

СТРУКТУРНО-ЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА