Лекция 12. Энергетический обмен

Вид материала

Лекция

Содержание Этапы энергообмена О + 2над·н Сон + над·н

Подобный материал:

• Урок №15: «Обмен веществ и энергии в клетке. Энергетический обмен в клетке». (Тему, 43.38kb.
• Урок биологии 9 класс Тема урока : Пластический обмен. Биосинтез белка, 58.6kb.
• Тестовое задание Билет№2 Строение и жизнедеятельность растительной клетки. Обмен веществ, 34.84kb.
• Лекция 10. Обмен веществ. Биосинтез белков Общая характеристика, 90.08kb.
• Тема 7 «Различие в строении клеток эукариот и прокариот»- работа с учебником, 273.74kb.
• Лекция №12. Общая экология 2 Лекция №12 Тема: Круговороты веществ, 102.71kb.
• Программа кыргызско-турецкого университета "манас", 98.6kb.
• Комплекс дисциплины «экология и устойчивое развитие» для всех специальностей университета, 2777.17kb.
• Тема 5 Обмен веществ и энергии Обмен веществ, 229.42kb.
• Исследовательская работа на тему «Определение содержания витамина с в овощах и фруктах», 265.66kb.

Лекция 12. Энергетический обмен


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.

Биологическое окисление в клетках происходит с участием О2:

А + О₂  АО₂

и без его участия, за счет переноса атомов водорода или электронов от одного вещества к другому:

АН₂ + В  А + ВН₂,

где вещество А окисляется за счет вещества В;

Fe²⁺  Fe³⁺ + e^-,

где двухвалентное железо окисляется до трехвалентного.


Этапы энергообмена


Процесс энергетического обмена можно разделить на три этапа: на первом, подготовительном 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.

Подготовительный этап. Под действием ферментов пищеварительного тракта или ферментов лизосом белковые молекулы расщепляются до аминокислот, жиры — до глицерина и карбоновых кислот, углеводы — до глюкозы, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. Вся энергия при этом рассеивается в виде тепла.

Гликолиз, или бескислородное окисление. 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 и образуется восстановленная форма переносчика водорода НАД·Н2 никотинамидаденин-динуклеотида. При этом образуется 200 кДж энергии, 120 рассеивается в форме тепла, 80 кДж запасается в форме 2 моль АТФ:

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ + 2НАД⁺

2 С₃Н₄О₃ + 2АТФ + 2Н₂ О + 2НАД·Н₂ + 120 кДж

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

I. С₃Н₄О₃  СО₂ + СН₃СОН (уксусный альдегид)

II. СН₃ СОН + НАД·Н₂  С₂Н₅ОН + НАД⁺

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

С₃Н₄О₃ + НАД·Н₂  С₃Н₆О₃ + НАД⁺

Третий этап энергетического обмена — кислородное окисление, или дыхание, происходит в митохондриях. Пировиноградная кислота проникает в митохондрии, происходит ее дегидрирование (отщепление водорода) и декарбоксилирование (отщепление углекислого газа) с образованием двухуглеродной ацетильной группы, которая вступает в цикл реакций, получивших название реакций цикла Кребса (рис. 299). Здесь происходит дальнейшее окисление, связанное с дегидрированием и декарбоксилированием. В результате на каждую разрушенную моль ПВК из митохондрии удаляется 3 моль СО₂, образуется 5 пар атомов водорода, связанных с переносчиками (4 НАДН₂, ФАДН₂), а также моль АТФ.

Суммарная реакция гликолиза и разрушения ПВК в митохондриях до водорода и углекислого газа выглядит следующим образом:

С₆Н₁₂О₆ + 6Н₂О  6СО₂ + 4АТФ + 12Н₂

2АТФ образуются при гликолизе, две — в цикле Кребса; 2 пары атомов (2НАД·Н₂)образовались при гликолизе, 10 пар — в цикле Кребса.

П



Рис.299. Цикл Кребса.




Рис. 300. Дыхательная цепь и АТФ-синтетаза.
оследним этапом является окисление пар атомов водорода с участием О2 до Н2О с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. Этот процесс происходит на внутренней мембране митохондрий. Водород передается по трем большим ферментным комплексам дыхательной цепи (флавопротеин, кофермент Q, цитохромы), расположенным во внутренней мембране митохондрий. У водорода отбираются электроны, а протоны закачиваются в межмембранное пространство митохондрий, в «протонный резервуар».

Внутренняя мембрана непроницаема для ионов водорода. Электроны передаются по ферментам дыхательной цепи на цитохромоксидазу. Когда разность потенциалов на внешней и внутренней стороне внутренней мембраны достигает 200 мВ, протоны (12Н2) проходят через канал фермента АТФ-синтетазы и с помощью цитохромоксидазы происходит восстановление кислорода до воды (12Н2О) с выделением энергии, часть которой (55%) запасается в форме 34АТФ (рис. 300).

Суммарная реакция энергетического обмена выглядит так:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂  6СО₂ + 6Н₂О + 38АТФ + Qт

Если внутренняя мембрана повреждена, то окисление НАДН₂ продолжается, но не работает АТФ-синтетаза и образования АТФ не происходит, вся энергия выделяется в форме тепла.


Основные вопросы для повторения

1. Что такое ассимиляция?
   
2. Что такое диссимиляция?
   
3. Какие организмы называются автотрофами?
   
4. На какие группы делятся автотрофы?
   
5. Какие организмы называются гетеротрофами?
   
6. Какие три этапа энергетического обмена вам известны?
   
7. Продукты гидролиза белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот на подготовительном этапе?
   
8. Что происходит с энергией, выделяющейся на подготовительном этапе энергообмена?
   
9. Где расположены ферменты бескислородного этапа энергообмена?
   
10. Какие продукты и сколько энергии образуется при гликолизе?
    
11. Как называется цикл реакций, связанных с дегидрированием и декарбоксилированием и протекающих в матриксе митохондрий?
    
12. Сколько моль АТФ образуется при дегидрировании и декарбоксилировании моль ПВК в цикле Кребса?
    
13. Сколько атомов водорода транспортируется на дыхательную цепь при дегидрировании 2 моль ПВК?
    
14. Какие ферменты перекачивают протоны в протонный резервуар митохондрий?
    
15. Напишите общую формулу энергетического обмена.
    
16. Что может быть закодировано на ДНК?
    
17. Триплетность генетического кода, что это значит?
    
18. Однозначность генетического кода, что это значит?
    
19. Сколько триплетов кодируют 20 видов аминокислот?
    
20. Вырожденность генетического кода, что это значит?
    
21. Универсальность генетического кода, что это значит?
    
22. Неперекрываемость генетического кода, что это значит?
    
23. Что такое транскрипция?
    
24. Что необходимо для транскрипции?
    
25. Участок ДНК 300 000 нуклеотидов. Сколько нуклеотидов нужно для репликации? Транскрипции?
    
26. В каком направлении движется РНК-полимераза по кодогенной цепи?
    
27. иРНК вместе с терминальным триплетом состоит из 156 нуклеотидов. Сколько аминокислот закодировано на этой иРНК?
    
28. Что такое трансляция?
    
29. Что необходимо для трансляции?
    
30. Сколько нуклеотидов в ФЦР рибосомы?
    
31. В какой участок ФЦР поступает тРНК с новой аминокислотой?
    
32. Напишите общую формулу фотосинтеза.
    
33. Где происходят световые реакции фотосинтеза?
    
34. Что происходит в световую фазу фотосинтеза?
    
35. Где находятся протонные резервуары в хлоропласте?
    
36. Где происходят темновые реакции фотосинтеза?
    
37. Что происходит в темновую фазу фотосинтеза?
    
38. Какая (какие) фотосистема (фотосистемы) у фотосинтезирующих серобактерий?
    
39. Какая (какие) фотосистема (фотосистемы) у цианобактерий (сине-зеленых)?
    
40. Кто открыл процесс хемосинтеза?