Энергетический обмен (катаболизм)
Катаболизм – реакции распада и синтеза химических соединений, в результате которых запасается необходимая клетке и организму энергия и образуются соединения, используемые в реакциях пластического обмена
К реакциям энергетического обмена относятся: гликолиз, хемосинтез, фотосинтез, клеточное дыхание (в митохондриях)
Способность извлекать энергию из окружающей среды является одним из основных свойств, отличающих живые системы от неживых.
По способу «добывания» энергии все существа разделяются на четыре основные группы:
ФОТОАВТОТРОФЫ – организмы, использующие в качестве источника энергии для синтеза своих соединений и других целей, энергию Солнца. К ним относятся зеленые растения, пурпурные и зеленые бактерии, цианобактерии.
ГЕТЕРОТРОФЫ – организмы, использующие готовые органические соединения, которые они поглощают в виде пищи. К ним относятся: животные, грибы, ряд прокариот, некоторые паразитические высшие растения.
АВТО/ГЕТЕРОТРОФЫ – которые могут использовать оба вида «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 одноклеточные эукариоты (протисты) и некоторые животные!
ХЕМОАВТОТРОФЫ - существа (в основном прокариоты), которые необходимую энергию получают за счет энергии химических связей неорганических соединений серы, железа, водорода, азота и т.д.
В эукариотических клетках есть два пути преобразования энергии: анаэробный (бескислородный) и аэробный (кислородный) обмен.
Анаэробный обмен.
Это наиболее древний путь получения энергии, поскольку на первых этапах жизни на Земле кислород отсутствовал.
Гликолиз – он стал главным источником получения энергии при анаэробном обмене. Это процесс анаэробного расщепления глюкозы и других органических соединений. Гликолиз идет в цитоплазме клеток и не связан с какими либо мембранными системами.
Сам процесс довольно сложен и включает несколько этапов, но в результате из 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ, две молекулы НАД-Н и две молекулы пировиноградной кислоты (пирувата - СН3СОСООН). Большая часть энергии (60%) в реакции гликолиза рассеивается в виде тепла, и только 40% идет на синтез АТФ. Этот способ синтеза высокоэнергетических молекул АТФ за счет распада молекул углеводов получил наименование субстратное фосфорилирование.
В процессе гликолиза происходит неполное окисление субстрата. В результате гликолиза глюкоза распадается до триоз, при этом тратятся 2 молекулы АТФ и синтезируются 4 молекулы АТФ. Так что в конечном результате клетка "зарабатывает" всего 2 молекулы АТФ. В энергетическом отношении этот процесс малоэффективен, поэтому из 680 ккал, заключающихся в связях 1 моля глюкозы, освобождается менее 10% энергии. Несмотря на низкий энергетический выход, анаэробное окисление, гликолиз, широко используется в живой природе. Он является основным поставляющим энергию процессом для многих микроорганизмов, некоторых кишечных паразитических анаэробных простейших, для клеток высших организмов на ранних стадиях эмбрионального развития, для многих опухолевых клеток, для клеток культуры ткани и др. Эритроциты млекопитающих, например, получают всю необходимую им энергию за счет гликолиза, так как у них нет митохондрий.
Уравнение гликолиза:
С6Н12О6 + 2АДФ + 2 Н3РО4 + 2 НАД = 2 С3Н4О3 + 2 НАД-Н + 2 АТФ + 2 Н2О + тепло
Гликолиз – основной этап энергетического обмена для анаэробов, и первый этап для аэробов
Гликолиз – анаэробный процесс.
Гликолиз – энергетически неэффективный процесс (2 молекулы АТФ и 217 кДж энергии на 1 молекулу глюкозы). Большая часть (60%) энергии рассеивается в виде тепла.
Брожение – процесс последующего преобразования пирувата в разнообразные органические соединения.
В результате брожения энергия не запасается!
Процессу сбраживания в анаэробных условиях подвергаются большинство природных органических соединений.
Схема гликолиза и брожения
С6Н12О6 + 2АДФ + 2 Н3РО4 + 2 НАД = 2 С3Н4О3 + 2 НАД-Н + 2 АТФ + 2 Н2О + тепло
Схема митохондрии
