4. Этапы энергетического обмена: подготовительный и бескислородный



Дата16.07.2017
өлшемі68.05 Kb.
4.Этапы энергетического обмена: подготовительный и бескислородный.

Любой живой организм, как и тдельная клетка, является открытой системой, т.е. обмениваетсяс окружающей средой и веществом, и энергией. Всю совокупность реакций обмена веществ, протекающих в организме, называют метаболизмом. Метаболизм состоит из взаимосвязанных реакций энергетического обмена, называемого катаболизмом (или диссимиляцией), и пластического обмена, называемого анаболизмом (или ассимиляцией).



Катаболизм-реакции распада химических соединений, в результате которых в клетке запасается энергия, необходимая клетке и организму, и образуются соединения, используемые в реакциях пластического обмена.

Анаболизм-это синтез макромолекул, требующий большого количества энергии.

По способу «добывания» энергии все организмы делятся на четыре основные группы:



Фотоавтотрофы-организмы, использующие в качестве источника энергии энергию солнца (зеленые растения, пурпурные и зеленые бактерии, цианобактерии).

Гетеротрофы-оргнизмы, используюшие готовые органические соединения, которые они поглощают в виде пищи (животные, грибы, ряд прокариот, некоторые паразитические высшие растения).

Автогетеротрофы- организмы, совмещающие оба способа «добычи» энергии. Это своеобразные симбиотические организмы, которые используют органические соединения, синтезированные бактериями или водорослями-автотрофами, обитающими в клетках организма хозяина. К ним относятся лишайники, многие протисты.

У гетеротрофных организмов получение энергии и ее аккумуляция в форме макроэргических связей нуклеозидтрифосфатов совершается в три этапа энергетического обмена:

I этап – подготовительный;

II этап – гликолиз- бескислородный этап обмена;

III этап – дыхание – кислородный этап обмена.
Рассмотрим подробнее первые два этапа.
Подготовительный этап состоит в захвате и переработке органических материалов (пищи), т.е. в процессе питания, который включает огромный спектр способов получения пищи и ее переваривания. Во время подготовитьельного этапа энергетического обмена сложные органические вещества (полимеры) с помощью ферментов расщепляются до мономеров, которые всасываются из кишечника в кровь и поступают в клетки, где некоторые их них, и прежде всего глюкоза, используются для энергетического обмена. Для этой же цели клетки могут ипользовать запас органических веществ- гликоген, липиды, в крайнем случае даже белки. Энергия, выделяющаяся при расщеплении полимеров, не аккумулируется в организме и рассеивается в виде тепла.
http://school.xvatit.com/images/b/bb/himr10-111.jpg
http://www.natuurlijkerwijs.com/english/a9041ba0.gif
http://www.bio.miami.edu/~cmallery/150/protein/c8.8x13.hydrolysis.sucrose.jpg
Ферментами для гидролиза белков, протекающего в желудке, являются протеазы; для жиров- липаза (напомним, что молекулы жира гидролизуются в двенадцатиперстной кишке) и для полисахаридов- амилаза и мальтаза (локализация процесса- ротовая полость, а также двенадцатиперстная кишка; реакция гидролиза полисахаридов отображена в виде частного случая- гидролиза сахарозы, в общем же виде эта реакция выглядит следующим образом:

C6H10O5+H2O C6H12O6 + Q).


Следующим этапом энергетического обмена является гликолиз. Гликолиз-это одна из древнейших систем биохимических реакций расщепления гексоз, которая впервые сформировалась у гетеротрофных прокариот, вероятно, еще в эпоху, когда в атмосфере Земли отсутствовал молекулярный кислород, и которая затем досталась «по наследству» всем эукариотическим организмам. Гликолиз включает в себя 10 последовательных реакций, протекающих под воздействием ферментов в цитоплазме клеток, и не связанных с какими-либо мембранными системами. В процессе гликолиза выделяют три главных этапа:

  1. Превращение гексоз- поэтапное (в пять стадий) фосфорилирование молекулы глюкозы (присоединение двух остатков фосфорной кислоты) и ее расщепление на две триозы (фосфоглицериновый альдегид- ФГА);

  2. превращение триоз – в результате двух последовательных реакций, включающих внутримолекулярные преобразования, дополнительное фосфорилиование и последующий гидролиз, молекулы ФГА превращаются в молекулы карбоновых кислот (фосфоглицериновая кислота – ФГК);

  3. превращение карбоновых кислот – в ходе трех последовательных реакций ФГК превращается в конечный продукт гликолиза – пировиноградную кислоту (ПВК).

Часть реакций гликолиза происходит с затратой энергии (на первом этапе), а часть реакций на втором и третьем этапах происходит с выделением энергии и сопровождается синтезом четырех молекул АТФ. Таким образом, при расщеплении одной молекулы глюкозы до двух молекул ПВК чистый прирост АТФ составляет только две молекулы.


Суммарное уравнение гликолиза на стадии образования ПВК можно записать в следующем виде:

http://fizrast.ru/images/stories/55.jpg
Схема гликолиза:

http://elt-preview.host1.elementy.ru/images/news/enzyme_hot_fig2_900.gif
Пируват – одно из ключевых веществ энергетического обмена и его дальнейшее превращение зависит от условий, в которых находится клетка.
В аэробных условиях пируват в цитоплазме подвергается действию комплекса ферментов, включающего в себя кофермент НАД+, а также КоА. При этом происходит отщепление одного атома С от молекулы ПВК с орбразованием СО2 (реакция декарбоксилирования), молекулы воды и остатка ПВК – ацетильного остатка, соединенного с КоА. Именно в таком виде ацетил-КоА проникает через мембраны митохондрии, где ацетильный остаток подвергается полному декарбоксилированию в цикле Кребса с образованием СО2 и восстановленной формы НАДН2.
У анаэробных организмов пируват и НАД∙H далее подвергаются брожению. При молочнокислом брожении, например, у бактерий пируват под действием фермента лактатдегидрогеназы восстанавливается в молочную кислоту. У дрожжей сходным процессом является спиртовое брожение, где конечными продуктами будут этанол и углекислый газ. Известно также маслянокислое, лимоннокислое, муравьинокислое, пропионовокислое и молочнокислое брожение.

Молочнокислое брожение:

C6H12O6 → 2 CH3CHOHCOOH



Спиртовое брожение:

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2


Лимоннокислое брожение:

C6H12O6 http://www.chemistry.ssu.samara.ru/chem4/pic/arrow.gifC3H7COOH + 2CO2 + 2H2O

Несмотря на то, что метаболизм человека преимущественно аэробный, в интенсивно работающих скелетных мышцах наблюдается анаэробное окисление. В условиях ограниченного доступа кислорода пируват превращается в молочную кислоту, как происходит при молочнокислом брожении у многих микроорганизмов:

ПВК + НАД∙Н + H+ → лактат + НАД+.

Боли в мышцах, возникающие через некоторое время после непривычной интенсивной физической нагрузки, связаны с накоплением в них молочной кислоты.

Образование молочной кислоты является тупиковой ветвью метаболизма, но не является конечным продуктом обмена веществ. Под действием лактатдегидрогеназы молочная кислота окисляется снова, образуя пируват, который и участвует в дальнейших превращениях.

В результате брожения (как и при гликолизе) синтезирутся молекулы АТФ, на образование которых затрачивается примерно 30-40% энергии, выделлившейся при расщеплении 1 моля глюкозы.

Гликолиз, как и любой другой биологический процесс, должен подвергаться регуляции. Различают местную и общую регуляцию.

Местная регуляция осуществляется путём изменения активности ферментов под действием различных метаболитов (метаболи́ты— продукты метаболизма каких-либо соединений) внутри клетки.

Регуляция гликолиза в целом, сразу для всего организма, происходит под действием гормонов, которые, влияя через молекулы вторичных посредников, изменяют внутриклеточный метаболизм.

Важное значение в стимуляции гликолиза принадлежит инсулину. Глюкагон и адреналин являются наиболее значимыми гормональными ингибиторами гликолиза.

Также на гликолиз влияют и другие гормоны. Например, соматотропин ингибирует ферменты гликолиза, а тиреоидные гормоны являются стимуляторами.

Возможна и регуляция гликолиза конечными продуктами: АТФ и НАД.Н, которые, ели находятся в избытке, тормозят дальнейшие превращения веществ (таким образом, состояние заряженных и разряженных аккумуляторов регулирует энергетический обмен).

В работе использованы следующие источники:

А.Е. Чуйкин «Общая биология», глава 6 «Преобразование энергии в живых организмах»;

Д.К. Обухов «Клетки и ткани», с.82-84;



А.О. Рувинский «Общая биология»

Статья «Гликолиз» интернет-портала http://ru.wikipedia.org/.


Достарыңызбен бөлісу:


©stom.tilimen.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет