Анаэробный этап энергетического обмена протекает в кишечнике

Этапы энергетического обмена (аэробного дыхания)

Процесс аэробного дыхания проходит в три этапа: 1) подготовительный; 2) бескислородный; 3) кислородный.

Первый этапподготовительный или этап пищеварения, включающий в себя ферментативное расщепление полимеров до мономеров: белков до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, гликогена и крахмала до глюкозы, нуклеиновых кислот до нуклеотидов. Протекает в желудочно-кишечном тракте при участии пищеварительных ферментов и цитоплазме клеток при участии ферментов лизосом.

На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, рассеивающейся в виде тепла, а образовавшиеся мономеры подвергаются в клетках дальнейшему расщеплению или используются как строительный материал.

Второй этапанаэробный (бескислородный). Он протекает в цитоплазме клеток без участия кислорода. Мономеры, образовавшиеся на первом этапе, подвергаются дальнейшему расщеплению. Примером такого процесса является гликолизбескислородное неполное расщепление глюкозы.

В реакциях гликолиза из одной молекулы глюкозы (С6Н12О6) образуются две молекулы пировиноградной кислоты (С3Н4О3 – ПВК). При этом от каждой молекулы глюкозы отщепляется 4 атома Н + и образуются 2 молекулы АТФ. Атомы Водорода присоединяются к НАД + (никотинамидадениндинуклеотид, функция НАД и подобных к нему переносчиков состоит в том, чтобы в первой реакции принимать Водород (восстанавливаться), а в другой – его отдавать (окисляться).

Сумарное уравнение гликолиза выглядит так:

В процессе гликолиза выделяется 200 кДж/моль энергии, из которой 80 кДж или 40% идет на синтез АТФ, а 120 кДж (60%) рассеивается в виде тепла.

а) в животных клетках образуется 2 молекулы молочной кислоты, которая в дальнейшем превращается в гликоген и депонируется в печени;

б) в растительных клетках происходит спиртовое брожжение с выделением СО2. Конечным продуктом является этанол.

Анаэробное дыхание по сравнению с кислородным дыханием эволюционно более ранняя, но менее эффективная форма получения энергии из питательных веществ.

Третий этап аэробный(кислородный, тканевое дыхание) протекает в митохондриях и требует присутствие кислорода.

Органические соединения, образовавшиеся на предыдущем бескислородном этапе, окисляются путем отщепления водорода до СО2 и Н2О. Отсоеденившееся атомы Водорода с помощью переносчиков передаются до Кислорода, взаимодействуют с ним и образуют воду. Этот процесс сопровождается выделением значительного количества энергии, часть которой (55%) идет на образование воды. В кислородном этапе можно выделить реакции цикла Кребса и реакции окислительного фосфорилирования.

Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот) происходит в матриксе митохондрий. Его открыл английский биохимик Х. Кребс в 1937 году.

Цикл Кребса начинается реакцией пировиноградной кислоты с уксуснокислой. При этом образуется лимонная кислота, которая после ряда последовательных преобразований снова становится уксуснокислой и цикл повторяется.

В ходе реакций цикла Кребса из одной молекулы ПВК образуется 4 пары атомов Водорода, две молекулы СО2, одна молекула АТФ. Углекислый газ выводится из клетки, а атомы Водорода присоединяются к молекулам переносчиков – НАД и ФАД (флавинадениндинуклеотид), в результате чего образуются НАД·Н2 и ФАД·Н2.

Передача энергии от НАД· Н2 и ФАД·Н2, которые оброзовались в цыкле Кребса и на предыидущем анаэробном этапе, к АТФ просходит на внутренней мембране митохондрий в дыхательной цепи.

Дыхательная цепь или цепь переноса электронов (электронно-транспрортная цепь) содержится во внутренней мембране митохондрий. Её основу составляют переносчики электронов, которые входят в состав ферментных комплексов, катализирующих окислительно-востановительные реакции.

Пары Водорода отщепляются от НАД·Н2 и ФАД·Н2, в виде протонов и электронов (2Н + +2е), поступают в электронно-транспортную цепь. В дыхательной цепи они вступают в ряд биохимических реакций, конечный результат которых – синтез АТФ (рис.5.4.)

Рис. 5.4 Электронно-транспортная цепь

Электроны и протоны захватываются молекулами переносчиков дыхательной цепи и переправляются: электроны на внутреннюю сторону мембраны, а протоны на внешнюю. Электроны соединяются с Кислородом. Атомы Кислорода при этом становятся отрицательно заряженными:

На внешней стороне мембраны накапливаются протоны (Н + ), а изнутри анионы (О 2- ). В результате этого возрастает разность потенциалов.

Источник

Энергетический обмен (с циклом Кребса)

Происходит в кишечнике или в лизосомах, на данном этапе сложные биополимеры (макромолекулы) расщепляются до мономеров (энергии выделяется немного и вся она рассеивается в виде тепла): Углеводы — глюкоза; Белки –АМК; Жиры – глицерин и жирные кислоты; Нуклеиновые кислоты – нуклеотиды.

Бескислородный этап (гликолиз, анаэробный, неполного окисления, диссимиляция):

Протекает в цитоплазме клеток с участием ферментов лизосом. Необходимые условия – АДФ и Н3РО4. Протекает ступенчато (13 последовательных реакций), образуется много промежуточных продуктов.

АМК, образованные на первом этапе, организм не использует на следующих этапах диссимиляции, потому что они необходимы ему в качестве материала для синтеза собственных белковых молекул. Поэтому для получения энергии очень редко расходуются белки, только в том случае, когда остальные резервы (углеводы и жиры) уже исчерпаны. Обычно самым доступным источником энергии в клетке является глюкоза.

После ряда реакций из глюкозы образуется две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК) и энергия (2АТФ, 2НАДН, 2Н + )

НАД – никотинамидадениндинуклеотид – является акцептором (переносчиком) Н и электронов

НАД . Н – восстановленная форма

Энергии выделяется 200 кДж/моль (из них 120 кДж/моль – 60% рассеивается в виде тепла, а в 80 кДж/моль – 40% идет на синтез 2АТФ)

Читайте также:  Закваска для йогурта при запорах

60% теплота

С6Н12О6—2С3Н4О3 + Е

40% на синтез 2АДФ + 2Ф—2АТФ + 2НАД . Н

В зависимости от типа клеток (прокариоты или эукариоты) и организмов ПВК может превращаться в молочную кислоту, спирт или другие органические вещества

3—— этиловый спирт +СО2

О2

1-2 –анаэробный путь образования молочной кислоты в клетках животных, молочнокислых бактерий и высших растений (в гиалоплазме)

1-3 –спиртовое брожение у дрожжей (анаэроный процесс)

1-4 – дыхание аэробных организмов (в митохондриях)

То есть дальнейшая судьба ПВК зависит от присутствия кислорода в клетке. Если кислород есть, то ПВК поступает в митохондрии, где происходит ее полное окисление до СО2 и Н2О и осуществляется третий, кислородный этап энергетического обмена (1-4).

— в клетках большинства растений и дрожжей в процессе спиртового брожения ПВК превращается в этиловый спирт (1-3)

В разных источниках это уравнение записано по-другому: ПВК—этиловый спирт + СО2

— при молочнокислом брожении (идентичном гликолизу) из ПВК образуется молочная кислота (1-2). Этот процесс может происходить не только у молочнокислых бактерий. При напряженной физической работе в клетках мышечной ткани человека возникает нехватка кислорода, в результате чего образуется молочная кислота, накопление которой вызывает чувство усталости, боль и иногда даже судороги

— существуют также и такие организмы, в клетках которых в анаэробных условиях образуется не молочная кислота и не этиловый спирт, а, например, уксусная кислота, масляная кислота или ацетон, но также образуется 2АТФ.

Общие свойства гликолиза и брожения: образуется немного энергии (2АТФ), а конечные продукты еще очень богаты энергией, которая освобождается при дальнейшем окислении этих веществ до СО2 и Н2О (полное расщепление).

Кислородный этап (аэробный, полного окисления, ассимиляция, клеточное или тканевое дыхание):

Происходит окисление промежуточных соединений в митохондриях до конечных продуктов (СО2 и Н2О) с выделением большого количества энергии. Обязательные условия протекания кислородного этапа – кислород и неповрежденные мембраны митохондрий.

Освободившаяся в процессе гликолиза ПВК поступает в митохондрию. Здесь она превращается в богатое энергией вещество ацетилкофермент А (ацетил-КоА). Ацетил-КоА взаимодействует с молекулой щавелевоуксусной кислоты, образуя лимонную кислоту, которая подвергается дальнейшим превращениям, заканчивающимся образованием щавелевоуксусной кислоты. Последняя взаимодействует с новыми молекулами ацетил-КоА, и цикл превращений повторяется.

Описанный процесс протекает в матриксе митохондрий и идет с обязательным участием ферментов. Этот процесс получил название цикла трикарбоновых кислот, или цикла Кребса. В цикле Кребса образуются молекулы СО2, которые выводятся из клетки, и атомы Н (образование углекислого газа и окисление, т. е. отщепление водорода называют декарбоксилированием, он протекает в матриксе митохондрий). Суммарное уравнение реакций в цикле Кребса:

Энергия высвобожденных электронов очень велика. Эти электроны поступают на дыхательную цепь ферментов, которая состоит из белков-переносчиков – цитохромов. Перемещаясь по этой системе каскадно, как бы «падая вниз» электроны теряют энергию. За счет «падающего» электрона фермент АТФаза синтезирует молекулы АТФ. Конечным акцептором электронов является молекула кислорода, поступающая в митохондрии при дыхании. Атомы кислорода на наружной стороне мембраны принимают электроны и заряжаются отрицательно. Ионы водорода соединяются с кислородом, и образуются молекулы воды. В процессе окисления двух молекул ПВК в митохондриях синтезируются 36 молекул АТФ. Процесс синтеза АТФ, сопряженный с процессом окисления водорода, называется окислительным фосфорилированием. Этот процесс был открыт и изучен В.А. Энгельгартом в 1831 г.

Выше приведенные дополнительные сведения можно выразить по-другому: между внутренней и внешней поверхностями внутренней мембраны митохондрий возникает разность потенциалов. При ее определенном значении (200 мв) протоны устремляются через протонные каналы в матрикс митохондрий. При прохождении протонов через активный центр фермента их энергия затрачиваются на синтез АТФ (фосфорилирование):

Таким образом, в процессе дыхания в митохондриях образуются бедные энергией вещества: СО2 и Н2О, и освобождается большое количество энергии. Часть этой энергии затрачивается на синтез АТФ. При полном окислении двух молекул ПВК (они получены из одной молекулы глюкозы в процессе гликолиза) образуется 36 молекул АТФ.

(уравнение кислородного этапа энергетического обмена веществ)

Энергии на этом этапе выделяется – 2600 кДж/моль (1160 кДж/моль – 45% рассеивается в виде тепла, а 1440 кДж/моль – 55% аккумулируются в виде связей АТФ).

Суммарное уравнение бескислородного и кислородного этапов энергетического обмена веществ или полного окисления органических веществ:

Эффективность энергетического обмена – в результате всех реакций образуется 38 молекул АТФ. Энергия, запасенная в 1 моль АТФ, составляет 30,6 кДж/моль.

Всего при аэробном окислении глюкозы на двух этапах освобождается Еобщ=2880 кДж/моль, из них 1162 кДж/моль запасается в виде молекул АТФ (38 . 30,6=1162,8 кДж/моль).

Эффективность аэробного дыхания = (38 . 30,6 : 2880) . 100%=40,37%.

При аэробном дыхании запасается лишь 2 молекулы АТФ. Рассчитаем эффективность этих процессов.

Спиртовое брожение: Еобщ=210 кДж/моль

Эффективность = (2 . 30,6 : 210) . 100% = 29,14%

Молочнокислое брожение (гликолиз в мышцах):

Сравним эти данные с КПД различных двигателей. В лучших турбинах КПД составляет 20-25%. В двигателях внутреннего сгорания – 35%. Эффективность биологического окисления не вызывает сомнения. Процессы клеточного дыхания, или биологического окисления, и горения схожи по конечному результату, но не по сберегаемости энергии. При горении вся энергия переходит в световую и тепловую, ничего не запасается. В процессе дыхания энергия запасается в молекулах АТФ, затем она будет расходоваться на биосинтез органических веществ, необходимых клетке.

Читайте также:  Блокада от боли в желудке

Источник

Этапы энергетического обмена (аэробного дыхания)

Поток энергии в клетке

В основе потока энергии в клетке лежат процессы питания организмов и клеточного дыхания.

1. Питание – процесс приобретения вещества и энергии живыми организмами.

2. Клеточное дыхание – процесс, с помощью которого живые организмы высвобождают энергию из богатых ею органических веществ при их ферментативном расщеплении (диссимиляции) до более простых. Клеточное дыхание может быть аэробным и анаэробным.

3. Аэробное дыхание – получение энергии происходит при участии кислорода в процессе расщепления органических веществ. Его еще называют кислородным (аэробным) этапом энергетического обмена.

Анаэробное дыхание – получение энергии из пищи без использования свободного атмосферного кислорода. В общем виде поток энергии в клетке можно представить следующим образом (рис 5.3.)

ПИЩА
САХАР, ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ, АМИНО-КИСЛОТЫ
КЛЕТОЧНОЕ ДЫХАНИЕ
АТФ
СО2, Н2О, NH3
ХИМИЧЕСКАЯ, МЕХАНИЧЕСКАЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ, ОСМОТИЧЕСКАЯ РАБОТА
АДФ + Н3РО4

Рис.5.3. Поток энергии в клетке

Химическая работа: биосинтез в клетке белков, нуклеиновых кислот, жиров, полисахаридов.

Механическая работа: сокращение мышечных волокон, биение ресничек, расхождение хромосом при митозе.

Электрическая работа – поддержание разности потенциалов на мембране клетки.

Осмотическая работа – поддержание градиентов вещества в клетке и окружающей ее среде.

Процесс аэробного дыхания проходит в три этапа: 1) подготовительный; 2) бескислородный; 3) кислородный.

Первый этапподготовительный или этап пищеварения, включающий в себя ферментативное расщепление полимеров до мономеров: белков до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, гликогена и крахмала до глюкозы, нуклеиновых кислот до нуклеотидов. Протекает в желудочно-кишечном тракте при участии пищеварительных ферментов и цитоплазме клеток при участии ферментов лизосом.

На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, рассеивающейся в виде тепла, а образовавшиеся мономеры подвергаются в клетках дальнейшему расщеплению или используются как строительный материал.

Второй этапанаэробный (бескислородный). Он протекает в цитоплазме клеток без участия кислорода. Мономеры, образовавшиеся на первом этапе, подвергаются дальнейшему расщеплению. Примером такого процесса является гликолизбескислородное неполное расщепление глюкозы.

В реакциях гликолиза из одной молекулы глюкозы (С6Н12О6) образуются две молекулы пировиноградной кислоты (С3Н4О3 – ПВК). При этом от каждой молекулы глюкозы отщепляется 4 атома Н + и образуются 2 молекулы АТФ. Атомы Водорода присоединяются к НАД + (никотинамидадениндинуклеотид, функция НАД и подобных к нему переносчиков состоит в том, чтобы в первой реакции принимать Водород (восстанавливаться), а в другой – его отдавать (окисляться).

Сумарное уравнение гликолиза выглядит так:

В процессе гликолиза выделяется 200 кДж/моль энергии, из которой 80 кДж или 40% идет на синтез АТФ, а 120 кДж (60%) рассеивается в виде тепла.

а) в животных клетках образуется 2 молекулы молочной кислоты, которая в дальнейшем превращается в гликоген и депонируется в печени;

б) в растительных клетках происходит спиртовое брожжение с выделением СО2. Конечным продуктом является этанол.

Анаэробное дыхание по сравнению с кислородным дыханием эволюционно более ранняя, но менее эффективная форма получения энергии из питательных веществ.

Третий этап аэробный(кислородный, тканевое дыхание) протекает в митохондриях и требует присутствие кислорода.

Органические соединения, образовавшиеся на предыдущем бескислородном этапе, окисляются путем отщепления водорода до СО2 и Н2О. Отсоеденившееся атомы Водорода с помощью переносчиков передаются до Кислорода, взаимодействуют с ним и образуют воду. Этот процесс сопровождается выделением значительного количества энергии, часть которой (55%) идет на образование воды. В кислородном этапе можно выделить реакции цикла Кребса и реакции окислительного фосфорилирования.

Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот) происходит в матриксе митохондрий. Его открыл английский биохимик Х. Кребс в 1937 году.

Цикл Кребса начинается реакцией пировиноградной кислоты с уксуснокислой. При этом образуется лимонная кислота, которая после ряда последовательных преобразований снова становится уксуснокислой и цикл повторяется.

В ходе реакций цикла Кребса из одной молекулы ПВК образуется 4 пары атомов Водорода, две молекулы СО2, одна молекула АТФ. Углекислый газ выводится из клетки, а атомы Водорода присоединяются к молекулам переносчиков – НАД и ФАД (флавинадениндинуклеотид), в результате чего образуются НАД·Н2 и ФАД·Н2.

Передача энергии от НАД· Н2 и ФАД·Н2, которые оброзовались в цыкле Кребса и на предыидущем анаэробном этапе, к АТФ просходит на внутренней мембране митохондрий в дыхательной цепи.

Дыхательная цепь или цепь переноса электронов (электронно-транспрортная цепь) содержится во внутренней мембране митохондрий. Её основу составляют переносчики электронов, которые входят в состав ферментных комплексов, катализирующих окислительно-востановительные реакции.

Пары Водорода отщепляются от НАД·Н2 и ФАД·Н2, в виде протонов и электронов (2Н + +2е), поступают в электронно-транспортную цепь. В дыхательной цепи они вступают в ряд биохимических реакций, конечный результат которых – синтез АТФ (рис.5.4.)

Рис. 5.4 Электронно-транспортная цепь

Электроны и протоны захватываются молекулами переносчиков дыхательной цепи и переправляются: электроны на внутреннюю сторону мембраны, а протоны на внешнюю. Электроны соединяются с Кислородом. Атомы Кислорода при этом становятся отрицательно заряженными:

На внешней стороне мембраны накапливаются протоны (Н + ), а изнутри анионы (О 2- ). В результате этого возрастает разность потенциалов.

Суммарное уравнение кислородного этапа

1440 (40·36) аккумулируется в АТФ

1160 кДж выделяются в виде тепла

Суммарное уравнение кислородного дыхания, включающее бескислородный и кислородный этапы:

Конечные продукты энергетического обмена (СО2, Н2О, NH3), а также избыток энергии выделяются из клетки через клеточную мембрану, строение и функции которой заслуживают особого внимания.

Читайте также:  Как избавится от запоров и похудеть

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Энергетический обмен в ЕГЭ по биологии

Людмила Микушева

Зачем мы дышим? Почему используем кислород, а выдыхаем углекислый газ? Это не просто интересные вопросы. Понимать, как устроен энергетический обмен, важно для ЕГЭ по биологии. Вопросы по метаболизму могут встретится в нескольких заданиях принести до шести первичных баллов. В этой статье обсудим, как происходит энергетический обмен — и разберем несколько заданий, чтобы научиться применять эти знания на практике.

Что такое энергетический обмен?

Для начала нужно разобраться, что такое энергетический обмен и какие у него есть особенности. Уверена, что вы встречали в тестах слова «катаболизм» и «диссимиляция», эти названия являются синонимами термина «энергетический обмен», советую их запомнить. Что же такое энергетический обмен? Это реакции, при которых органические вещества расщепляются, а энергия запасается клеткой в молекулах АТФ. Эту энергию клетка потом потратит на дальнейшую жизнедеятельность.

Такой тип обмена (как и все реакции метаболизма) идет поэтапно. В нем выделяют два или три основных этапа — это зависит от организации клетки и среды, в которой она обитает. Предлагаю рассмотреть каждый из этапов энергетического обмена подробнее.

Если хотите лучше понять не только энергетический обмен, но и другие темы ЕГЭ по биологии, приходите учиться в MAXIMUM! Записывайтесь на консультацию — вы сможете пройти диагностику по выбранным предметам ЕГЭ, поставить цели и составить стратегию подготовки, чтобы получить на экзамене высокие баллы. Все это абсолютно бесплатно!

Этапы метаболизма

Первый этап — подготовительный. Здесь сложные органические вещества (полимеры) распадаются до более простых (мономеров). Например, белки распадаются до аминокислот, а полисахариды до моносахаридов. Сами понимаете, что энергии при этом выделяется очень мало, она не запасается в молекулах АТФ, а выделяется в окружающую среду в виде тепла. Это знакомый нам процесс — пищеварение, он происходит в пищеварительной системе.

Что делать организмам, у которых пищеварительной системы нет? Они тоже осуществяют пищеварение, но другими способами. Например, у одноклеточных животных внутриклеточное пищеварение происходит в лизосомах и пищеварительных вакуолях.

Второй этап имеет сразу несколько названий. Например, бескислородный или анаэробный, так как он происходит без участия кислорода. Еще одно название — гликолиз («глико» — сахар, «лизис» — расщепление). Глюкоза расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты (ПВК), при этом энергия запасается в виде двух молекул АТФ. Легко запомнить: во время второго этапа выделяется две ПВК и две АТФ. Гликолиз проходит в цитоплазме клетки.

Дальнейшая судьба ПВК зависит от кислорода — если он есть, начинается третий этап, а если его не хватает, ПВК превращается в молочную кислоту. Например, в мышцах при высокой нагрузке и недостатке кислорода образуется молочная кислота. Человек испытывает неприятные ощущения, и даже боль. А в клетках растений и некоторых грибов (яркий пример — дрожжи) при недостатке кислорода ПВК распадается до этилового спирта и углекислого газа — происходит спиртовое брожение.

У аэробных организмов проходит еще и третий этап. Кислородный этап или аэробный, проходит в кислородной среде, другое название — клеточное дыхание. Он проходит только в эукариотических клетках, на кристах митохондрий. ПВК вступает в циклические реакции и полностью окисляется до углекислого газа и воды, а энергия запасается в 36 молекулах АТФ.

Примеры заданий

Давайте разберем несколько заданий на энергетический обмен из ЕГЭ по биологии, чтобы закрепить знания на практике.

Пример 1. Что характерно для аэробного этапа энергетического процесса?

Решение. Аэробный или кислородный этап — третий этап энергетического обмена. Он проходит на кристах митохондрий, там расположены ферментативные комплексы и идут циклические реакции, в которых молекулы пировиноградной кислоты разрушаются, на этом этапе наблюдается высокий выход энергии —36 АТФ. В лизосомах проходит подготовительный этап, а в цитоплазме — гликолиз. Кислородный этап не характерен для бактерий, так как у них нет мембранных органоидов.

Пример 2. Установите соответствие между характеристикой энергетического обмена и его этапом

ХАРАКТЕРИСТИКА ЭТАП ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА
A) происходит в аэробных условиях
Б) происходит в цитоплазме
B) образуется молочная кислота
Г) образуется пировиноградная кислота
Д) синтезируется 36 молекул АТФ
1) гликолиз
2) кислородное окисление

Решение. Гликолиз — второй этап энергетического обмена, анаэробный, проходит в цитоплазме, образуется пировиноградная кислота, а при недостатке кислорода еще и молочная кислота. Кислородный — третий этап, аэробный, завершается образованием 36 молекул АТФ.

Пример 3. В процессе гликолиза образовались 64 молекулы пировиноградной кислоты (ПВК). Какое количество молекул глюкозы подверглось расщеплению и сколько молекул АТФ образуется при полном окислении глюкозы в клетках эукариот? Ответ поясните

Как видите, энергетический обмен — важная часть ЕГЭ по биологии. Справиться с заданиями достаточно просто, если знать, что происходит на каждом из этапов.

Что нужно запомнить?

ЕГЭ по биологии — большой и сложный экзамен, который состоит из большого количества тем и заданий. Но сдать его на высокий балл реально, если организовать систематическую подготовку. Обязательно приходите на бесплатную консультацию в MAXIMUM — там вы сможете построить индивидуальную стратегию подготовки к ЕГЭ и узнаете все подводные камни экзамена.

Источник

Мои рекомендации
Adblock
detector