Общая характеристика обмена веществ и энергии в клетке. Энергетический обмен»

Понятие о метаболизме

Метаболизм— совокупность всех химических реакций, протекаю­щих в живом организме. Значение метаболизма состоит в создании необходимых организму веществ и обеспечении его энергией. Выде­ляют две составные части метаболизма — катаболизм и анаболизм.

Катаболизм (или энергетический обмен, или диссимиляция) — со­вокупность реакций, приводящих к образованию простых веществ из более сложных (гидролиз полимеров до мономеров и расщепле­ние последних до низкомолекулярных соединений углекислого газа, воды, аммиака и др. веществ). Катаболические реакции идут обычно с высвобождением энергии.

Анаболизм (или пластический обмен, или ассимиляция) — понятие, противоположное катаболизму, — совокупность реакций синтеза слож­ных веществ из более простых (образование углеводов из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза, реакции матричного синтеза). Для протекания анаболических реакций требуются затраты энергии.

Процессы пластического и энергетического обмена неразрывно связаны между собой. Все синтетические (анаболические) процессы нуждаются в энергии, поставляемой в ходе реакций диссимиляции. Сами же реакции расщепления (катаболизма) протекают лишь при участии ферментов, синтезируемых в процессе ассимиляции.

АТФ и её роль в метаболизме

АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) — мононуклеотид, состоя­щий из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, соеди­няющихся между собой макроэргическими связями. В этих связях запасена энергия, которая высвобождается при их разрыве:

Энергия, накопленная в молекулах АТФ, используется организ­мом в анаболических реакциях (реакциях биосинтеза). Молекула АТФ является универсальным хранителем и переносчиком энергии для всех живых существ.

Энергетический обмен (диссимиляция)

Подготовительный этап.

Органические вещества пищи являются основным источником не только материи, но и энергии для жизнедеятельности клеток организма. При образовании сложных органических молекул была затрачена энергия, потенциально она находится в форме образованных химических связей. В результате реакций энергетического обмена происходит окисление сложных молекул до более простых и разрушение химических связей, при этом происходит высвобождение энергии.

Потеря электронов называется окислением, приобретение — восстановлением, при этом донор электронов окисляется, акцептор восстанавливается.

Биологическое окисление в клетках происходит с участием О₂:

А + О₂ ® АО₂

и без его участия, за счет переноса атомов водорода от одного вещества к другому, например, вещество А окисляется за счет вещества В:

АН₂ + В ® А + ВН₂,

или за счет переноса электронов, например, двухвалентное железо окисляется до трехвалентного:

Fe₂⁺ ® Fe₃⁺ + e^-,

Процесс энергетического обмена можно разделить на три этапа: на первом этапе происходит пищеварение, то есть сложные органические молекулы расщепляются до мономеров, на втором происходит бескислородное окисление этих мономеров — гликолиз, и на последнем этапе происходит окисление с участием кислорода в митохондриях.

I этап — подготовительный.

Сложные органические соединения распадаются на простые под действием пищеварительных ферментов пищеварительного тракта или ферментов лизосом, при этом выделяется толь­ко тепловая энергия.

Белки -> аминокислоты.

Жиры -> глицерин и жирные кислоты.

Крахмал -> глюкоза.

2. Бескислородное окисление (гликолиз)

Первые организмы, появившиеся 3,0 — 3,5 млрд. лет назад, жили в бескислородных условиях, были анаэробными гетеротрофами. Они использовали органические вещества абиогенного происхождения в качестве питательных веществ, энергию получали за счет бескислородного окисления и брожения. До настоящего времени сохранился анаэробный путь использования глюкозы — гликолиз, завершающийся образованием молочной кислоты и образованием на моль глюкозы двух моль АТФ.

Окисление глюкозы в клетках без участия кислорода происходит путем дегидрирования, акцептором Н служит кофермент НАД⁺. Реакции протекают в цитоплазме, глюкоза с помощью 10 ферментативных реакций превращается в 2 молекулы ПВК — пировиноградной кислоты, при этом суммарно образуется 2 моль АТФ и восстановленная форма переносчика водорода НАД·Н₂ (никотинамидадениндинуклеотид). При этом образуется 200 кДж энергии, 120 рассеивается в форме тепла, 80 кДж запасается в форме 2 моль АТФ:

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ + 2НАД⁺ ® 2С₃Н₄О₃ + 2АТФ + 2Н₂О + 2НАД·Н₂

Дальнейшая судьба ПВК зависит от присутствия О₂ в клетке, если О₂ нет, происходит анаэробное дыхание, причем у грибов (например, дрожжей) происходит спиртовое брожение, при котором сначала происходит образование уксусного альдегида, а затем этилового спирта:

I. С₃Н₄О₃ ® СО₂ + СН₃СОН (уксусный альдегид)

II. СН₃СОН + НАД·Н₂ ® С₂Н₅ОН + НАД⁺

У животных, растений и некоторых бактерий при недостатке О₂ происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:

С₃Н₄О₃ + НАД·Н₂ ® С₃Н₆О₃ + НАД⁺