Биоэнергетика. Основы. Гетеротрофы презентация

БИОЭНЕРГЕТИКА – наука о превращениях энергии внешней среды в живых организмах

Второе начало термодинамики:
Без притока энергии извне любая система переходит от порядка к хаосу
Откуда живые организмы берут энергию?
Как? И зачем?

Изменение системы со временем
Создание порядка требует затрат энергии

жизнь
Энергия
Вещество
Поддержание внутреннего порядка (сложности)
Рост и размножение
Откуда? → тип питания
Обмен веществ

Типы питания
Неорганический СО2
Органический
Автотрофы
Гетеротрофы
Продуценты в экосистемах
Консументы или редуценты

Типы питания
ФОТОавто-трофы
ФОТОгетеро-трофы
ХЕМОавто-трофы
ХЕМОгетеро-трофы
Оставьте место в каждой клеточке

Типы питания
ФОТОавтотрофы
ФОТОгетеротрофы
ХЕМОавтотрофы
ХЕМОгетеротрофы
Растения
Цианобактерии
Животные
Грибы
Простейшие
Большинство бактерий
Часть бактерий
Часть бактерий

Классификация организмов по источнику энергии и восстанавливающих эквивалентов

свет
или химическая
Поступает энергия не в той форме, в какой расходуется на строительство
?
АТФ
Это превращение мы и будем изучать

Метаболизм – все химические реакции в организме
Энергетический обмен
Катаболизм – реакции расщепления макромолекул на простые
Обмен веществ =

Метаболические пути
малярийного плазмодия
Зеленым выделен энергетический обмен

АТФ – универсальный источник энергии в клетке
Макроэргические связи

7.3 ккал ⁄ моль
Обратная реакция – синтез АТФ, фосфорилирование – идет с затратой энергии
AДФ + Ф + E → АТФ
Откуда ее взять?
1 ккал = 4.3 кДж
Как извлекается энергия из АТФ
гидролиз

АТФ – не единственная молекула, способная запасать и переносить энергию
Существуют и другие молекулы-переносчики энергии
В отличие от АТФ они не универсальны
и используются только на промежуточных этапах энергетического пути

Молекулы-переносчики энергии
По химической природе – динуклеотиды Предшественники – витамины
НАД٠Н
НАДФ٠Н
ФАД٠Н2
Этих молекул в клетке мало, но без них не будут работать ферменты основных энергетических путей

Никотинамид
Аденин
Окисленная форма
Восстановленная форма
+ энергия
Витамин В5
РР, никотиновая к-та

Гетеротрофный тип питания

Источник всего для гетеротрофов –
Энергия
N, P, S
и все остальные элементы
Углерод
органические вещества

Органические вещества (еда)
Г Л Ю К О З А
Тепловая Е
Е
А Т Ф
Тепловая Е
Клеточное дыхание. Энергия перево-дится в АТФ
Энергетический путь у гетеротрофов
Е
Конечная Е, которая используется на все остальное
Подготовительный этап. Энергия НЕ запасается

Клеточное дыхание – окисление органических веществ с целью синтеза АТФ
Происходит только внутри клеток Энергия выделяется во всех реакциях катаболизма, но запасается – только в этих!

1. Подготовительный этап
Пищеварительная система
Лизосомы в клетках
кровь
2. Клеточное дыхание
Цитоплазма
Митохондрии

Глюкоза – центральная молекула клеточного дыхания
С нее начинается путь к АТФ
β

Суммарное уравнение аэробного дыхания
(СН2О)6 + 6 O2 → 6 СО2 + 6 H2O
+ энергия
Цель – запасти в АТФ !

горение
Все в тепло
дыхание
часть в тепло
АТФ
АТФ
АТФ
АТФ

1. Бескислородный этап
В цитоплазме
Этапы клеточного дыхания (окисления глюкозы)
Г Л Ю К О З А
П В К
2. Кислородный этап
В митохондриях
СО2
36 АТФ
2 АТФ
38 АТФ
Цикл Кребса – матрикс
Окислительное фосфорилирование –
внутренняя мембрана МХ

Зачем нужен кислород?
Все реакции – окислительно-восстановительные
Электроны отбираются у менее электроотрицательных атомов и групп и передаются на более электроотрицательные
Нужен конечный акцептор – самый электроотрицательный из всех
К И С Л О Р О Д !

Глюкоза
Полисахариды
2 ПВК
Гликолиз – бескислородный этап
к л е т к а
9 реакций
(пируват)
гликолиз

Глюкоза
2 ПВК
Гликолиз
к л е т к а
9 реакций
(пируват)
гликолиз
2 АТФ
2 НАД·Н

Ключевые реакции гликолиза
2 х
2 х
На первых этапах молекула глюкозы распадается на два «осколка» –глицеральдегид 3-фосфаты

Завершающая реакция
Окончательным акцептором электронов является ПВК, промежуточный метаболит гликолиза, восстанавливается до молочной кислоты.
2 х
Окончательным акцептором электронов является пируват (ПВК), промежуточный метаболит гликолиза, восстанавливается до молочной кислоты.
Гликолиз функционирует во всех живых клетках. Все ферменты локализованы в цитозоле, формируя полиферментный комплекс.

Что происходит в митохондрии?

Аэробный этап
О2
Митохон-дрия
2 ПВК
гликолиз
к л е т к а
Глюкоза

О2
Митохондрия
ПВК
Цикл Кребса
Ацетил-КоА
переносчики Е
АТФ
Аэробный этап

Ганс Адольф Кребс
В 1937 г, изучая промежуточные стадии обмена углеводов, Кребс сделал важнейшее открытие в биохимии.
Он описал цикл лимонной кислоты, или цикл трикарбоновых кислот, который в настоящее время называется циклом Кребса.
Нобелевская премия по физиологии и медицине – 1953

В цикле Кребса ВСЕ АТОМЫ УГЛЕРОДА, оставшиеся от глюкозы, окисляются до СО2
Но основная масса АТФ еще не образовалась!
И кислород еще в реакции не вступал!

лимонная
кислота
ЩУК
Цикл
Кребса
НАД
НАД
НАД
НАД Н
НАД Н
НАД Н
ФАД Н2
ФАД
ГДФ
ГТФ
АДФ
АТФ
изо-
лимонная
кислота
α−кето-
глута-
ровая
кислота
янтарная
кислота
фумаро-
вая
кислота
яблоч-
ная
кислота
КоА
сукци-
нил-
КоА
ацетил-КоА
8 реакций

Синтез АТФ
Субстратный
в гликолизе,
цикле Кребса
Трансмембранный
На внутренней мембране митохондрий
Фермент
АТФ-синтаза
Разные ферменты

РАБОТА
ЭНЕРГИЯ
Можно запасти в АТФ !

H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+

АТФ-синтаза

Последний шаг к АТФ – цепь переноса электронов на внутренней мембране МХ
Цикл Кребса
НАД·Н ФАД·Н2
О2

Цикл Кребса
НАД·Н ФАД·Н2
Энергия этих электронов позволяет накачивать
протоны против градиента
О2
АТФ-синтаза синтезирует АТФ
АТФ
1. Цепь переноса электронов
2. Окислительное фосфорилирование

Электроннотранспортная цепь в митохондриях
Перенос Н+ комплексами I, III и IV протекает векторно из матрикса в мемжмембранное пространство, для этого используется энергия движения электронов в дыхательной цепи, что приводит увеличение концентрации Н + .
Только АТФ –синтетаза (V) позволяет осуществить обратное движение Н + в матрикс. На этом основано сопряжение электронного переноса с образованием АТФ

Взаимное расположение компонентов дыхательной цепиВзаимное расположение компонентов дыхательной цепи с указанием мест фосфорилированияВзаимное расположение компонентов дыхательной цепи с указанием мест фосфорилирования и специфических ингибиторов.

Электронтранспортная цепь митохондрий

Но ведь с едой мы получаем не только углеводы!

Углеводы – «быстрый» источник энергии
Жиры – идут в дело, если не хватает углеводов. Иначе – запасаются
Белки – важнее, как источник аминокислот. «Сжигаются» в последнюю очередь
Избыток углеводов переводится в жиры через цикл Кребса

Жиры
Белки
Углеводы
АТФ
Глицерин
Жирные
кислоты
Амино-кислоты
Сахара
Ацетил-Ко А

АТФ в цифрах
Время жизни – несколько секунд
Человек затрачивает ~ 2 300 ккал энергии в сутки.
Для этого надо расщепить 166 кг АТФ
На самом деле в организме содержится только ~ 50 г АТФ
Поэтому каждая молекула АТФ должна вновь синтезироваться 166 кг : 50 г ≈ 3320 раз в сутки.
Макеев Основы биологии
АТФ → АДФ → АТФ

Как добывали энергию в древние времена, когда на Земле не было кислорода?

Анаэробное дыхание
Самый древний путь получения энергии
Сохранился у всех – и у аэробных тоже
Анаэробы
Строгие
Факультативные
Выносят кислород, но не используют
Кислород – яд
Только бактерии
(часть)
Часть бактерий,
Простейшие без митохондрий

Анаэробы идут другим путем
Что надо?
Вернуть кофермент НАД·Н в НАД+
(его мало, а без него не идет гликолиз)
Куда-то деть ПВК
ПВК
Точка развилки –

Есть О2? Или нет?
Пируват
http://caricatura.ru/parad/maslov/pic/5016.jpg

Г Л Ю К О З А
П В К
2 АТФ
Брожение – анаэробное дыхание
Если мало кислорода или организм – принципиальный анаэроб
Молочная кислота
Этиловый спирт
Животные, бактерии
Растения, винные дрожжи
молочнокислое
спиртовое
БРОЖЕНИЕ
ГЛИКОЛИЗ

ПВК
молочная к-та
этиловый спирт
Брожение

Смысл брожения – вернуть НАД+
глюкоза
ПВК
этанол
НАД+
НАД·Н
гликолиз
брожение