Катаболизм. Обеспечение клеток энергией

1. Катаболизм Обеспечение клеток энергией

2. Обеспечение клеток энергией

• Автотрофы способны
преобразовывать солнечную
энергию в энергию химических
связей органических молекул.
• В темное время суток этот способ
получения энергии растениям не
доступен, поэтому они вынуждены,
как и гетеротрофы, получать
энергию другим способом – путем
окисления органических
соединений.

3. Обеспечение клеток энергией

• Часть электронов в составе молекул органических
соединений находятся на высоких энергетических
уровнях. При перемещении электронов на низкие
энергетические уровни своих или иных атомов или
молекул они отдают свою энергию.
• Соединения, способные отдавать
высокоэнергетические электроны, называются
донорами электронов, соединения, принимающие
электроны, называются акцепторами.
• Донором электронов может стать любое
окисляемое органическое соединение. Широко
распространенным акцептором электронов
служит кислород, в этом и состоит его главная
биологическая роль.

4. Обеспечение клеток энергией

• Процесс отдачи электронов называется
окислением, присоединение электронов –
восстановлением.
• Реакция окисления сопровождается выделением
энергии.
• Реакции окисления органических соединений в
клетке, протекающих при участии кислорода,
называются биологическим окислением, или
клеточным дыханием.

5. Обеспечение клеток энергией

• Окончательными продуктами биологического
окисления являются вода и углекислый газ.
• Если при окислении органических веществ в
процессе горения вся энергия выделяется в виде
теплоты, то при биологическом окислении около
50% энергии превращается в энергию химических
связей АТФ.
• Остальные 50% энергии превращаются в теплоту,
которая теплокровным животным необходима для
поддержания постоянной температуры тела.

6. Обеспечение клеток энергией

• Наиболее часто окисляемым с целью получения
энергии веществом в клетке является глюкоза.
• В молекуле глюкозы количество потенциальной
энергии, заключенной в связях между ее атомами,
составляет 2847 кДж на 1 моль (т.е. на 180 г
глюкозы). Для живой клетки это огромное
количество энергии, но оно не освобождается
одномоментно, как при горении в пламени, а идет в
виде ступенчатого процесса, управляемого целым
рядом окислительных ферментов.

7. Обеспечение клеток энергией

• Энергетический обмен обычно делят на три этапа.
• 1 этап – подготовительный. На этом этапе сложные
молекулы органических веществ распадаются на
мономеры: полисахариды – до глюкозы, жиры до
жирных кислот и глицерина, белки до аминокислот,
нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов.
• Этот этап проходит в цитоплазме клеток, а у
животных еще и в кишечнике.
• На этом этапе выделяется небольшое количество
энергии, которая не запасается, а рассеивается в виде
теплоты.

8. Обеспечение клеток энергией

9.

Обеспечение клеток энергией
• 2 этап - анаэробный, или гликолиз.
• Он происходит в цитоплазме без участия
кислорода. Молекула глюкозы при участии ферментов
ступенчато распадается на 2 трехуглеродные молекулы
пировиноградной кислоты.
• Т.о. гликолиз – анаэробный метаболический
путь превращения глюкозы в пировиноградную
кислоту с параллельным запасанием
выделенной при этом энергии.

10. Обеспечение клеток энергией

• В ходе гликолиза образуется 2 молекулы АТФ.
С6Н12О6 + 2 АДФ + НАД⁺ + 2Фн
2 С3Н4О3 +2 АТФ + НАД•Н
• Молекула глюкозы не только распадается на две
молекулы трехуглеродной пировиноградной кислоты,
но и теряет при этом 4 атома водорода. Акцептором
водорода (и электронов) в этих реакциях является НАД⁺
- аналог НАДФ в катаболических реакциях.

11. Обеспечение клеток энергией

• При недостатке кислорода (или полном его
отсутствии) ПВК восстанавливается до
молочной кислоты.
С3Н4О3 + НАД•Н → С3Н6О3 + НАД⁺
• Например, при беге даже на короткие
дистанции в организме человека окисление
глюкозы идет только до молочной кислоты,
которая накапливается в мышцах и головном
мозге и вызывает ощущение усталости,
одышки, что заставляет нас часто дышать,
чтобы восполнить запасы кислорода.

12. Обеспечение клеток энергией

• У анаэробных организмов молочная кислота –
конечный продукт гликолиза. Анаэробный гликолиз
– универсальный способ получения энергии у всех
живых организмов.
• У человека белые (быстрые) мышечные волокна,
эритроциты работают исключительно за счет
гликолиза.
• Гликолиз – малоэффективный способ получения
энергии, т.к. в его ходе образуется только 2 молекулы
АТФ, что составляет менее 10% энергии,
заключенной в связях 1 моля глюкозы.

13. Обеспечение клеток энергией

• Существует еще один способ бескислородного
получения энергии – брожение.
Конечными продуктами брожения может
быть молочная кислота, масляная кислота,
ацетон, этиловый спирт и др. Энергетический
эффект брожения также невелик.
• Гликолиз, как и брожение – древние,
первичные способы получения энергии,
характерные для гетеротрофных организмов,
сформировавшихся в условиях
бескислородной атмосферы.

14. Обеспечение клеток энергией

• У большинства эукариотических клеток процесс
биологического окисления не останавливается на
гликолизе, а пировиноградная кислота вовлекается в
дальнейшее окисление – 3-й этап, происходящий
уже с участием кислорода в матриксе
митохондрий.
• Третий этап биологического окисления является
мембранозависимым, так как цепь переносчиков
электронов (а вместе с ними и энергии) – это
комплексы ферментов, встроенных в мембраны
митохондриальных крист.

15. Обеспечение клеток энергией

• 3 этап – аэробное окисление.
• Он происходит в митохондриях, у
прокариот, не имеющих этого органоида, он
осуществляется на мезосомах (впячивания
плазмалеммы).
• Этот этап протекает с участием кислорода,
который принимает на себя электроны и
водород, и образуется молекула воды.

16. Обеспечение клеток энергией

• Пировиноградная кислота переносится в
митохондрии, где подвергается полному
окислению до СО2 и Н2О.
• Процессы, происходящие в митохондриях,
можно разделить на 2 этапа:
• А). Цикл Кребса;
• Б). Окислительное фосфорилирование.

17. Обеспечение клеток энергией

• А). Процесс окисления ПВК называется циклом
трикарбоновых кислот, или циклом Кребса в
честь английского ученого Ганса Кребса (1937 г.),
описавшего этот процесс. Нобелевская премия (1953
г.).
• В поэтапном расщеплении молекулы ПВК (8 реакций)
выделяется три молекулы углекислого газа и энергия,
которая фиксируется в связях молекул-переносчиков
водорода и электронов – НАД·Н. В самом цикле
Кребса АТФ не образуется. Кислород в цикле Кребса
непосредственного участия не принимает, но его
присутствие является обязательным условием
протекания реакций.
• Т.о., от молекулы глюкозы ничего не остается, а для следующего круга
цикла необходимо окислить НАД·Н.

18. Обеспечение клеток энергией

19.

Обеспечение клеток энергией
• Б). Окислительное фосфорилирование
происходит на внутренних мембранах
митохондрий в дыхательной цепи.
• Назначение этого этапа:
• 1. окисление НАД·Н, чтобы он снова мог быть
использован в цикле Кребса;
• 2. синтез АТФ за счет энергии электронов,
захваченных НАД·Н.

20. Обеспечение клеток энергией

• Транспорт электронов идет по дыхательной цепи от
одного переносчика к другому. В конце этого пути –
самый сильный акцептор электронов – кислород. Он
забирает и водород, и электроны, и образуется вода.
Окисление глюкозы закончено.
• Часть энергии электронов расходуется на синтез
АТФ.
• Синтез АТФ в митохондриях идет аналогично
процессу, происходящему в хлоропластах, и
катализируется тем же ферментом – АТФсинтетазой, встроенной во внутреннюю мембрану
митохондрий.

21. Обеспечение клеток энергией

• Электроны, отобранные у НАД·Н переносчиками, скапливаются
в матриксе митохондрий, в то время как протоны
транспортируются в межмембранное пространство (на это
уходит часть энергии электронов).
• В результате между наружной и внутренней поверхностью
мембраны возникает разность потенциалов. Когда он достигает
определенной величины (200 мВ), белковый комплекс АТФсинтетазы начинает транспортировать протоны обратно в
матрикс, при этом за счет энергии электронов происходит
фосфорилирование АДФ и образуются молекулы АТФ.
• В ходе окислительного фосфорилирования образуется 36
молекул АТФ.

22. Обеспечение клеток энергией

Внутренняя
мембрана
Внешняя
мембрана
Межмембранное
пространство
Криста
Матрикс
митохондрии

23.

Межмембранное
пространство
Мембрана
кристы
Матрикс
митохондрии
1 – внутренняя мембрана митохондрии; 2, 3, 4, 5, 6 – дыхательная цепь
переносчиков электронов от НАДН к кислороду; 7 – АТФ – синтетаза.
Красные стрелки – поток электронов, синие – поток протонов.

24.

Этапы энергетического обмена
Этап
Условия
протекания
Превращения
веществ
Превращения
энергии
1.
Подготовительный
Идет в
цитоплазме
клеток, а у
животных еще
и в кишечнике
Сложные молекулы
органических
веществ распадаются
на мономеры.
Выделяется
небольшое
количество
энергии, которая
рассеивается в виде
теплоты
2.
Анаэробный,
гликолиз
в цитоплазме
без участия
кислорода
Молекула глюкозы
ступенчато
распадается на 2
молекулы
пировиноградной
кислоты
2 АТФ и НАД•Н

25. Этапы энергетического обмена

3.
Аэробный
А)
Цикл
Кребса
Идет в митохондриях в
присутствии или с
непосредственным
участием О2
Образуется
36 молекул
АТФ
Энергия
Идет в матриксе
Поэтапное (в 8
электронов
митохондрий без
реакций)
запасается
непосредственного участия окисление ПВК
только в виде
О2, но в его присутствии
до СО2
НАД•Н
На внутренних мембранах
Б)
митохондрий в
Окисли«дыхательной» цепи
тельное
переносчиков (акцепторов)
фосфориэлектронов. Последний
лирование акцептор в этой цепи – О2.
Итого
ПВК
полностью
окисляется до
СО2 и Н2О
Окисление
НАД•Н с
образованием
воды и НАД⁺
Образуется
36 молекул
АТФ
При полном окислении 1 молекулы глюкозы до углекислого
газа и воды образуется 38 молекул АТФ.

26. Этапы энергетического обмена

Преобразования энергии при окислении
органических веществ
• Энергия химических связей
органических молекул → энергия
электронов → энергия НАД•Н →
макроэргические связи молекул АТФ

27. Преобразования энергии при окислении органических веществ

• Домашнее задание § 12,
повторить § 9-11