Энергетический обмен в клетке. Клеточное дыхание. Этапы клеточного дыхания презентация

Диссимиляция или катаболизм – процесс противоположный биосинтезу, совокупность реакций расщепления органических веществ в клетке.

Универсальным источником энергии служит АТФ (аденозинтрифосфат).
Это вещество синтезируется в результате реакции фосфорилирования,
т. е. присоединения одного остатка фосфорной кислоты к молекуле АДФ (аденозиндифосфата):
АДФ + Н3РО4 +40 кДж = АТФ + Н2О

У аэробов энергетический обмен
происходит в три этапа:
1. Подготовительный;
2. Бескислородный;
3. Кислородный.

У организмов, обитающих в бескислородной среде и не нуждающихся в кислороде, - анаэробов, а также у аэробов при недостатке кислорода ассимиляция происходит в два этапа:
подготовительный;
бескислородный.

Первый этап называется подготовительный. Ферментативное расщепление сложных органических веществ до простых:
Белки → аминокислоты + Е
Жиры → глицерин + жирные кислоты + Е
Нуклеиновые кислоты → нуклеотиды + Е
Полисахариды → моносахариды + Е
В результате этого органические вещества распадаются до простейших неорганических соединений

Внутри клетки распад органических веществ происходит в лизосомах под действием целого ряда ферментов. В ходе этих реакций энергии выделяется мало, при этом она не запасается в виде АТФ, а рассеивается в виде тепла.

Образующиеся в ходе подготовительного этапа соединения (моносахариды, жирные кислоты, аминокислоты и др.) могут использоваться клеткой в реакциях пластического обмена, а также для дальнейшего расщепления с целью получения энергии.

Кислород в реакциях этого этапа не участвует. Наиболее доступным источником энергии в клетке является продукт распада полисахаридов — глюкоза.
Второй этап энергетического обмена, называемый бескислородным, заключается в ферментативном расщеплении органических веществ, которые были получены в ходе подготовительного этапа.

Гликолиз — это многоступенчатый процесс расщепления молекулы глюкозы, содержащей 6 атомов углерода (С6Н12О6), до двух молекул трехуглеродной пировиноградной кислоты, или ПВК (С3Н4О3).
С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ —> 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О

Реакции гликолиза осуществляются многими ферментами и протекают они в цитоплазме клеток. В ходе гликолиза при расщеплении 1 М глюкозы выделяется 200 кДж энергии, но 60% ее рассеивается в виде тепла. Оставшиеся 40% энергии оказывается достаточно для синтеза из двух молекул АДФ двух молекул АТФ.

В большинстве растительных клеток, а также в клетках некоторых грибов (например, дрожжей) вместо гликолиза происходит спиртовое брожение:
С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ —> 2С2Н5ОН + 2СО2 + 2АТФ + 2Н2О
Существуют также и такие микроорганизмы, в клетках которых в анаэробных условиях образуются не молочная кислота и не этиловый спирт, а, например, уксусная кислота или ацетон и т. д.
Однако во всех этих случаях распад одной молекулы глюкозы, так же как и в случае гликолиза, приводит к запасанию двух молекул АТФ.

В результате ферментативного бескислородного расщепления глюкоза распадается не до конечных продуктов (СО2 и Н2О), а до соединений, которые еще богаты энергией и, окисляясь далее, могут дать ее в больших количествах (молочная кислота, этиловый спирт и др.).

Поэтому в аэробных организмах после гликолиза (или спиртового брожения) следует завершающий третий этап энергетического обмена — полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание.

В процессе этого третьего этапа органические вещества, образовавшиеся в ходе второго этапа при бескислородном расщеплении и содержащие большие запасы химической энергии, окисляются до конечных продуктов СО2 и Н2О.
Этот процесс, так же как и гликолиз, является многостадийным, но происходит не в цитоплазме, а в митохондриях.
2С3Н6О3 + 6О2 + 36АДФ + 36Н3РО4 —>
6СО2 + 42Н2О + 36АТФ

Кроме того, нужно помнить, что две молекулы АТФ запасаются в ходе бескислородного расщепления каждой молекулы глюкозы. В ходе этой реакции 40 - 45 % энергии рассеивается в виде тепла, а 60 - 55 % сберегается, т.е. преобразуется в энергию химических связей АТФ.

Внешний вид митохондрий

Таким образом, суммарно энергетический обмен клетки в случае распада глюкозы можно представить следующим образом:
С6Н12О6 + 6О2 + 38АДФ + 38Н3РО4 —
6СО2 + 44Н2О + 38АТФ

Для энергетического обмена, т. е. для получения энергии в виде АТФ, большинство организмов использует углеводы, но для этих целей может быть использовано окисление и липидов, и белков.
Жиры тоже участвуют в этой цепочке, но их расщепление требует времени, поэтому если энергия нужна срочно, то организм использует не жиры, а углеводы. Зато жиры – очень богатый источник энергии.
Могут окислятся для энергетических нужд и белки, но лишь в крайнем случае, например при длительном голодании. Белки для клетки – «неприкосновенный запас».

Схема синтеза АТФ в митохондрии

Энергетический обмен (катаболизм)