Как происходит обеспечение клеток энергией

Обновлено: 23.05.2024

Обеспечение клеток энергией

• какое значение имеют продукты реакций световой фазы фотосинтеза;

• в каких условиях происходит синтез органических веществ.

Биологическая роль энергетического обмена. Живым клеткам постоянно требуется энергия, которая используется для обеспечения их жизнедеятельности. Одни организмы используют энергию солнечного света, другие — энергию, заключённую в химических связях органических веществ (углеводов, белков, жиров и др.), поступающих с пищей. Извлечение энергии из сложных молекул органических веществ в клетке осуществляется путём их расщепления (окисления) до более простых веществ и разрушения химических связей. Вы уже знаете, что этот процесс называют энергетическим обменом, (или диссимиляцией)

Процессы энергетического обмена осуществляются многоступенчато. При этом в клетке происходит накопление энергии в виде молекул АТФ и других энергоёмких (так называемых макроэргических) соединений. Молекулы АТФ, перемещаясь по клетке, обеспечивают энергией все происходящие в ней процессы.

Стадии энергетического обмена. У аэробных организмов, живущих в кислородной среде, выделяют три последовательно идущие стадии энергетического обмена: подготовительную, бескислородное расщепление и кислородное расщепление. У анаэробных организмов, живущих в бескислородной среде, и аэробных в случае недостатка кислорода — две стадии: подготовительную и бескислородное расщепление.

Первая и вторая стадии энергетического обмена происходят в цитоплазме клетки, а третья — в митохондриях.

Общий выход энергии составляет 200 кДж. Часть этой энергии (60 %) выделяется в виде тепла, а 40 % запасается в макроэргических связях АТФ.

Если кислород в клетке отсутствует или его недостаточно, пировино- градная кислота (пируват) может превратиться в молочную кислоту (лактат). Этот процесс происходит, например, в клетках поперечнополосатых мышц человека и животных при интенсивной нагрузке, когда кровь не успевает доставлять в мышцы кислород.

Гликолиз — наиболее древний способ расщепления глюкозы, широко распространённый в природе. Он играет важную роль в обмене веществ живых организмов. По механизму, аналогичному гликолизу, протекает процесс брожения, обеспечивающий энергией клетки различных микроорганизмов.

Последовательность реакций гликолиза одинакова у всех живых клеток без исключения.

У высших организмов в условиях достаточного снабжения клеток кислородом гликолиз выступает промежуточной стадией, предшествующей окислительному распаду углеводов до конечных продуктов — углекислого газа и воды. Для полного расщепления органических веществ в процессе энергетического обмена необходим кислород.

На третьей стадии энергетического обмена в митохондриях происходит дальнейшее окисление образовавшихся на второй стадии молекул ПВК до конечных продуктов — углекислого газа и воды. Поскольку эта стадия идёт с участием кислорода, её называют кислородным расщеплением или клеточным (тканевым) дыханием.

Многие реакции кислородного расщепления сопровождаются освобождением энергии, суммарный выход которой составляет 2600 кДж на каждые две молекулы ПВК при полном их окислении. 45 % этой энергии рассеивается в виде тепла, а 55 % сберегается в виде АТФ. Всего на этом этапе образуется 36 молекул АТФ.

В итоге в процессе энергетического обмена при окислении одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ: 2 молекулы АТФ в процессе гликолиза (в анаэробных условиях) и 36 молекул АТФ в процессах клеточного дыхания (в аэробных условиях).

Часть молекул расходуется на сами реакции окисления, а другая часть транспортируется в цитоплазму для обеспечения работы других клеточных структур.

Энергетический выход кислородного расщепления органических веществ, выраженный в молекулах АТФ, примерно в 20 раз выше, чем при анаэробном гликолизе.

В процессах клеточного дыхания помимо глюкозы могут расщепляться все органические вещества — другие углеводы, белки, жиры.

Кислород, необходимый для процессов окисления, поступает в организм во время дыхания. Процесс дыхания нередко сравнивают с горением: в обоих случаях происходят поглощение кислорода, выделение энергии и образование продуктов окисления — углекислого газа и воды. Но при сгорании органических веществ почти вся энергия выделяется в виде тепла.

В отличие от горения дыхание представляет собой высокоупорядоченный процесс последовательно идущих реакций биологического окисления, осуществляемых с помощью ферментов. Поскольку ферментативные процессы окисления идут ступенчато, тепловая энергия выделяется не сразу, а постепенно и успевает рассеяться в окружающей среде. По этой причине не повреждаются чувствительные к нагреванию белки и другие вещества клетки.

В процессе дыхания С0₂ возникает как конечный продукт реакций биологического окисления. При этом образуются молекулы АТФ и других макроэргических соединений, в химических связях которых запасается энергия, идущая на обеспечение жизнедеятельности клетки. В этом состоит главное отличие процессов биологического окисления, протекающих в клетках живых организмов, от горения.

1. В чём состоит различие процессов дыхания и фотосинтеза?

2. По какой причине считают, что гликолиз появился в живой природе раньше кислородного расщепления?

3. Замените одним словом выделенную часть каждого утверждения.

• Ферментативный бескислородный процесс распада глюкозы в клетке является необходимой стадией подготовки сахаров для их полного расщепления.

• Совокупность процессов расщепления молекул органических веществ — свойство клеток высших растений, большинства животных и аэробных прокариот.

Гетеротрофы(греч. heteros — иной, другой и trophe — пища, питание) не способны сами синтезировать органические соединения из неорганических, они нуждаются в поступлении их из окружающей среды. Органические вещества служат для них не только пищей, но и источником энергии. К гетеротрофам относятся все животные, грибы, большинство бактерий, а также бесхлорофилльные наземные растения и водоросли.

Гетеротрофные организмы по способу получения пищи подразделяются на голозойных (животные), захватывающих твердые частицы, и осмотрофных (грибы, бактерии), питающихся растворенными веществами.

Многообразные гетеротрофные организмы способны в совокупности разлагать все вещества, которые синтезируются автотрофами, а также минеральные вещества, синтезированные в результате производственной деятельности людей. Гетеротрофные организмы совместно с автотрофами составляют на Земле единую биологическую систему, объединенную трофическими отношениями.

Автотрофы— организмы, питающиеся (т. е. получающие энергию) за счет неорганических соединений это некоторые бактерии и все зеленые растения. Автотрофы разделяются на хемотрофов и фототрофов.

Хемотрофы— организмы, использующие энергию, освобождающуюся при окислительно-восстановительных реакциях. К хемотрофам относятся нитрифицирующие (азотфиксирующие) бактерии, серные, водородные (метанобразующие), марганцевые, железообразующие и бактерии, использующие оксид углерода.

Фототрофы— только зеленые растения. Источником энергии для них является свет.

2. Фотосинтез(греч. phos — род. пад. photos — свет и synthesis — соединение) — образование при участии энергии света органических веществ клетками зеленых растений, а также некоторыми бактериями, процесс преобразования энергии света в химическую. Происходит с помощью пигментов (хлорофилла и некоторых др.) в тилакоидах хлоропластов и хроматофорах клеток. В основе фотосинтеза лежат окислительно-восстановительные реакции, в которых электроны переносятся от донора-восстановителя (вода, водород и др.) к акцептору (лат. acceptor — приемщик) — диоксиду углерода, ацетату с образованием восстановленных соединений — углеводов и выделением кислорода, если окисляется вода.

Фотосинтезирующие бактерии, использующие иные, чем вода, доноры, кислород не выделяют.

Световые реакции фотосинтеза(вызываемые светом) протекают в гранах тилакоидов хлоропластов .Кванты видимого света (фотоны) взаимодействуют с молекулами хлорофилла, переводя их в возбужденное состояние. Электрон в составе хлорофилла поглощает квант света определенной длины и, как по ступеням, перемещается по цепи переносчиков электронов, теряя энергию, которая служит для фосфорилирования АДФ в АТФ. Это очень эффективный процесс: в хлоропластах образуется в 30 раз больше АТФ, чем в митохондриях тех же растений. Так накапливается энергия, необходимая для следующих — темновых реакций фотосинтеза. В качестве переносчиков электронов выступают вещества: цитохромы, пластохинон, ферредоксин, флавопротеид, редуктаза и др. Часть возбужденных электронов используется для восстановления НАДФ + в НАДФН. Под действием солнечного света в хлоропластах происходит расщепление воды — фотолиз, при этом образуются электроны, которые возмещают потери их хлорофиллом; в качестве побочного продукта образуется кислород, выделяемый в атмосферу нашей планеты. Это тот кислород, которым дышим мы и который необходим всем аэробным организмам.

Темновые реакции, или реакции фиксации углерода,не связанные со светом, осуществляются в строме хлоропластов. Ключевое место в них занимает фиксация углекислоты и превращение углерода в углеводы. Эти реакции носят циклический характер, так как часть промежуточных углеводов претерпевает процесс конденсации и перестроек до рибулозодифосфата — первичного акцептора С0₂, что обеспечивает непрерывную работу цикла. Впервые этот процесс описал американский биохимик Мэлвин Кальвин

Превращение неорганического соединения С0₂ в органические соединения — углеводы, в химических связях которых запасается солнечная энергия, происходит с помощью сложного фермента — рибулозо-1,5-дифосфат-карбоксилазы. Он обеспечивает присоединение одной молекулы С0₂ к пятиуглеродному рибулозо-1,5-дифосфату, в результате чего образуется шестиуглеродное промежуточное короткоживущее соединение. Это соединение вследствие гидролиза распадается на две трехуглеродные молекулы фосфоглицериновой кислоты, которая восстанавливается с использованием АТФ и НАДФН до трехуглеродных сахаров (триозофосфатов). Из них и образуется конечный продукт фотосинтеза — глюкоза.

Часть триозофосфатов, пройдя процессы конденсаций и перестроек, превращаясь сначала в рибулозомонофосфат, а затем и в рибулозодифосфат, включается снова в непрерывный цикл создания молекул глюкозы. Глюкоза может ферментативно полимеризоваться в

крахмал и целлюлозу — опорный полисахарид растений.

Особенностью фотосинтеза некоторых растений (сахарного тростника, кукурузы, амаранта) является первоначальное превращение углерода через четырехуглеродные соединения. Такие растения получили индекс С₄-растения, а фотосинтез в них метаболизм углерода. С₄-растения привлекают внимание исследователей высокой фотосинтетической продуктивностью.

Пути повышения продуктивности сельскохозяйственных растений:

— достаточное минеральное питание, которое может обеспечивать наилучший ход обменных процессов;

— более полная освещенность, которая может быть достигнута с помощью определенных норм посева растений с учетом потребления света светолюбивыми и теневыносливыми;

— нормальное количество углекислого газа в воздухе (при увеличении его содержания нарушается процесс дыхания растений, который связан с фотосинтезом);

— увлажненность почвы, соответствующая потребностям растений во влаге, зависящая от климатических и агротехнических условий.

Значение фотосинтеза в природе.

В результате фотосинтеза на Земле ежегодно образуется 150 млрд. т органического вещества и выделяется примерно 200 млрд. т свободного кислорода. Фотосинтез не только обеспечивает и поддерживает современный состав атмосферы Земли, необходимый для жизни ее обитателей, но и препятствует увеличению концентрации С0₂ в атмосфере, предотвращая перегрев нашей планеты (из-за так называемого парникового эффекта). Кислород, выделяемый при фотосинтезе, необходим для дыхания организмов и защиты их от губительного коротковолнового ультрафиолетового излучения.

Хемосинтез(позднегреч. chemeta — химия и греч. synthesis — соединение) — автотрофный процесс создания органического вещества бактериями, не содержащими хлорофилл. Осуществляется хемосинтез за счет окисления неорганических соединений: водорода, сероводорода, аммиака, оксида железа (II) и др. Усвоение С0₂ протекает, как и при фотосинтезе (цикл Кальвина), за исключением метанобразующих, гомо-ацетатных бактерий. Энергия, получаемая при окислении, запасается в бактериях в форме АТФ.

Хемосинтезирующим бактериям принадлежит исключительно важная роль в биогеохимических циклах химических элементов в биосфере. Жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий представляет собой один из важнейших факторов плодородия почвы. Хемосинтезирующие бактерии окисляют соединения железа, марганца, серы и др.

Хемосинтез открыт русским микробиологом Сергеем Николаевичем Виноградским (1856—1953) в 1887 г.

3. Энергетический обмен

Три этапа энергетического обмена осуществляются при участии специальных ферментов в различных участках клеток и организмов.

Первый этап — подготовительный— протекает (у животных в органах пищеварения) под действием ферментов, расщепляющих молекулы ди- и полисахаридом, жиров, белков, нуклеиновых кислот на более мелкие молекулы: глюкозы, глицерина и жирных кислот, аминокислот, нуклеотидов. При этом выделяется небольшое количество энергии, рассеивающейся в виде тепла.

Второй этап — бескислородный, или неполного окисления.Он называется также анаэробным дыханием (брожением), или гликолизом. Ферменты гликолиза локализованы в жидкой части цитоплазмы — гиалоплазме. Расщеплению подвергается глюкоза, каждая молен у in которой ступенчато расщепляется и окисляется при участии ферментов до двух трехуглеродных молекул пировиноградной кислоты СН₃ — СО — СООН, где СООН карбоксильная группа, характерная для органических кислот.

В этом превращении глюкозы последовательно участвуют девять ферментов. В процессе гликолиза про исходит окисление молекул глюкозы, т. е. теряются атомы водорода. Акцептором водорода (и электроном) в этих реакциях служат молекулы никотинамидаде ниндинуклеотида (НАД + ), которые похожи по струн туре на НАДФ + и отличаются только отсутствием остатка фосфорной кислоты в молекуле рибозы. При восстановлении пировиноградной кислоты за счет восстановленного НАД возникает конечный продукт гликолиза — молочная кислота. В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АТФ.

В суммарном виде этот процесс выглядит так:

У дрожжевых грибов молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение):

У некоторых микроорганизмов расщепление глюкозы без кислорода может завершиться образованием уксусной кислоты, ацетона и др. При этом во всех случаях распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ, в макроэргических связях которой сохраняется 40% энергии, остальная рассеивается в виде теплоты.

Попадая в митохондрию, пировиноградная кислота (ПВК) окисляется и превращается в богатое энергией вещество — ацетилкофермент А, или сокращенно ацетил-КоА. В цикле Кребса молекулы ацетил-КоА поступают из разных энергетических источников. В процессе окисления ПВК восстанавливаются акцепторы электронов НАД + в НАД-Н и происходит восстановление акцепторов еще одного типа — ФАД в ФАДН₂ (ФАД — это флавинадениндинуклеотид). Энергия, запасенная в этих молекулах, используется для синтеза АТФ — универсального биологического аккумулятора энергии. В ходе стадии аэробного дыхания электроны от НАД-Н и ФАДН₂ перемещаются по многоступенчатой цепи их переноса к конечному акцептору электронов — молекулярному кислороду. В переносе участвуют несколько переносчиков электронов: кофермент Q, цитохромы и, самое главное, кислород. При переходе электронов со ступени на ступень дыхательного конвейера освобождается энергия, которая расходуется на синтез АТФ. Внутри митохондрий катионы Н + , соединяясь с анионами О 2 ~, образуют воду. В цикле Кребса образуется С0₂, и в цепи переноса электронов — вода. При этом одна молекула глюкозы, полностью окисляясь при доступе кислорода до С0₂ и Н₂0, способствует образованию 38 молекул АТФ. Из вышесказанного следует, что основную роль в обеспечении клетки энергией играет кислородное расщепление органических веществ, или аэробное дыхание. При дефиците кислорода или полном его отсутствии происходит бескислородное, анаэробное, расщепление органических веществ; энергии такого процесса хватает только на создание двух молекул АТФ. Благодаря этому живые существа могут короткое время обходиться без кислорода.

Презентация к уроку "Обеспечение клеток энергией" в 9 классе (УМК И.Н. Пономарева), разработанная по формуле "ИКТ+ФГОС+ТРИЗ".

Вложение	Размер
Презентация к уроку "Обеспечение клеток энергией" в 9 классе (УМК И.Н. Пономарева), разработанная по формуле "ИКТ+ФГОС+ТРИЗ".	2.17 МБ

Бесплатный марафон подготовки к ЕГЭ на зимних каникулах

Учи.Дома запускает бесплатный марафон в котором каждый день. В течении 5 дней утром ты будешь получать одно задание по выбранному предмету, а вечером его решение. Твоя задача, успеть выполнение задание до того как получишь ответ.

Бесплатно, онлайн, подготовка к ЕГЭ

Предварительный просмотр:

Подписи к слайдам:

БИОЛОГИЯ. 9 КЛАСС Урок №13. Обеспечение клеток энергией Автор: учитель биологии высшей категории Смолик елена вячеславовна 2020-2021 учебный год

вспоминаем! Фотосинтез – ЭТО процесс …

общая схема фотосинтеза ? ? ? ? ? ?

ЗАКРЕПЛЯЕМ Д/З! ОРГАНИЗМЫ, ОСУЩЕСТВЛЯЮЩИЕ СИНТЕЗ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ИЗ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ЗА СЧЕТ ЭНЕРГИИ СОЛНЕЧНОГО СВЕТА, НАЗЫВАЮТСЯ…

ЗАКРЕПЛЯЕМ Д/З! 2. ОРГАНИЗМЫ, ПИТАЮЩИЕСЯ ГОТОВЫМИ ОРГАНИЧЕСКИМИ ВЕЩЕСТВАМИ, НАЗЫВАЮТСЯ…

ЗАКРЕПЛЯЕМ Д/З! 3. СВЕТОВАЯ ФАЗА ФОТОСИНТЕЗА ПРОТЕКАЕТ В …

ЗАКРЕПЛЯЕМ Д/З! 4. В ПРОЦЕССЕ ФОТОСИНТЕЗА КИСЛОРОД ОБРАЗУЕТСЯ: В ТЕМНОВУЮ ФАЗУ; В РЕЗУЛЬТАТЕ РАЗЛОЖЕНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА; БЛАГОДАРЯ ОКИСЛЕНИЮ ГЛЮКОЗЫ; В ПРОЦЕССЕ ФОТОЛИЗА ВОДЫ.

ЗАКРЕПЛЯЕМ Д/З! 5. В РЕЗУЛЬТАТЕ ФОТОСИНТЕЗА ОБРАЗУЮТСЯ: МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА И УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ; ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА И СВОБОДНЫЙ КИСЛОРОД; ВОДА, МИНЕРАЛЬНЫЕ СОЛИ И УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ; НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА И ВОДЫ.

ЭТАПЫ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ

Запоминаем! ГЛИКОЛИЗ – СТАДИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА, ПРИ КОТОРОЙ ПРОИСХОДИТ ФЕРМЕНТАТИВНОЕ БЕСКИСЛОРОДНОЕ (АНАЭРОБНОЕ) РАСЩЕПЛЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ

Запоминаем! ВТОРАЯ СТАДИЯ - ГЛИКОЛИЗ 200 КДЖ 60% - ТЕПЛО 40% - АТФ 2 АТФ

Запоминаем! ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РЕАКЦИЙ ГЛИКОЛИЗА ОДИНАКОВА У ВСЕХ ЖИВЫХ КЛЕТОК БЕЗ ИСКЛЮЧЕНИЯ

Запоминаем! КЛЕТОЧНОЕ (ТКАНЕВОЕ) ДЫХАНИЕ – СТАДИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА, ПРИ КОТОРОЙ ПРОИСХОДИТ ОКИСЛЕНИЕ (АЭРОБНОЕ) ПИРУВАТА (ПВК) ДО КОНЕЧНЫХ ПРОДУКТОВ (УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА И ВОДЫ).

Запоминаем! ТРЕТЬЯ СТАДИЯ – КЛЕТОЧНОЕ ДЫХАНИЕ 2600 КДЖ 45% - ТЕПЛО 55% - АТФ 36 АТФ

Запоминаем! ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ВЫХОД КИСЛОРОДНОГО РАСЩЕПЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ, ВЫРАЖЕННЫЙ В МОЛЕКУЛАХ АТФ, ПРИМЕРНО В 20 РАЗ ВЫШЕ , ЧЕМ ПРИ АНАЭРОБНОМ ГЛИКОЛИЗЕ.

Ручки в ручки! Выполнить все задания в р/т

РЕФЛЕКСИЯ В ЧЕМ СОСТОИТ РАЗЛИЧИЕ ПРОЦЕССОВ ДЫХАНИЯ И ФОТОСИНТЕЗА?

РЕФЛЕКСИЯ ПО КАКОЙ ПРИЧИНЕ СЧИТАЮТ, ЧТО ГЛИКОЛИЗ ПОЯВИЛСЯ В ЖИВОЙ ПРИРОДЕ РАНЬШЕ КИСЛОРОДНОГО РАСЩЕПЛЕНИЯ?

РЕФЛЕКСИЯ ЗАМЕНИТЕ ОДНИМ СЛОВОМ ВЫДЕЛЕННУЮ ЧАСТЬ КАЖДОГО УТВЕРЖДЕНИЯ. 1. ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ БЕСКИСЛОРОДНЫЙ ПРОЦЕСС РАСПАДА ГЛЮКОЗЫ В КЛЕТКЕ ЯВЛЯЕТСЯ НЕОБХОДИМОЙ СТАДИЕЙ ПОДГОТОВКИ САХАРОВ ДЛЯ ИХ ПОЛНОГО РАСЩЕПЛЕНИЯ.

РЕФЛЕКСИЯ ЗАМЕНИТЕ ОДНИМ СЛОВОМ ВЫДЕЛЕННУЮ ЧАСТЬ КАЖДОГО УТВЕРЖДЕНИЯ. 2. СОВОКУПНОСТЬ ПРОЦЕССОВ РАСЩЕПЛЕНИЯ МОЛЕКУЛ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ – СВОЙСТВО КЛЕТОК ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ, БОЛЬШИНСТВА ЖИВОТНЫХ И АЭРОБНЫХ ПРОКАРИОТ.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КЛЕТОК ЭНЕРГИЕЙ СКОРО ЗВОНОК Самое интересное на уроке… Что ты не понял … Кто был самым активным сегодня… Поставь отметку классу… Поставь отметку себе …

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КЛЕТОК ЭНЕРГИЕЙ Д/З: -№12, УРОК ОКОНЧЕН, ДО СВИДАНИЯ, И всем, кто слушал – спасибо за внимание!

По теме: методические разработки, презентации и конспекты

Лабораторная работа Многообразие клеток. Сравнение растительной и животной клеток.

Данную лабораторную работу провожу в контексте темы: Общие принципы клеточной организации.

Многообразие клеток. Строение клеток растений, животных, бактерий, грибов

Теоретический и тестовый материал для подговтовки к ЕГЭ.

Тесты по теме "Обеспечение клеток энергией вследствие окисления органических веществ" для 10 классов

Теты используются для закрепления изученного материала, или при проверке домашнего задания.

Обобщающий урок по главе "Обеспечение клеток энергией"

Это урок обобщения и систематизации знаний по главе "Обеспечение клеток энергией". Урок подразделен на блоки. Каждый блок подразумевает ответы на вопросы, обсуждения, работу в парах, взаимопроверки и .

Тема урока "Обеспечение клетки энергией" биология – 9 класс

Тестовая работа №8. "Фотосинтез".

Карта урока по ФГОС по биологии 5 класс Контрольная работа № 2 Строение клеток. Образование клеток. Клетка и организм.

Карта урока по ФГОС по биологии 5 класс Контрольная работа № 2 по теме"Строение клеток. Образование клеток. Клетка и организм".

В видеоуроке подробно объясняются этапы энергетического обмена на примере глюкозы. Вы познакомитесь с реакциями гликолиза и клеточного дыхания и с циклом Кребса. Узнаете о том, для чего необходима энергия и сколько образуется АТФ при полном расщеплении одной молекулы глюкозы. В данном уроке приводятся следующие понятия: ассимиляция, диссимиляция, пировиноградная кислота, спиртовое брожение, ацетил-кофермент А, цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Энергетический обмен в клетке"

Для нормального существования живого организма необходим постоянный обмен веществами, между живым организмом и окружающей средой. Пища как известно строительный и энергетический материал.

Из поступивших в клетку компонентов пищи, то есть белков жиров и углеводов под действием биологических катализаторов-ферментов, синтезируются новые молекулы. Возобновляются разрушенные белки, строятся клетки, бегут по нервам импульсы, сокращаются мышцы, работают все системы органов. Для их работы требуется энергия.

То есть поступившие вещества расщепляются до более простых, а затем из них строятся сложные высокомолекулярные соединения (белки, нуклеиновые кислоты, липиды, полисахариды и другие), те вещества, которые необходимы какому-то органу или системе организма.

Все реакции синтеза органических веществ называются ассимиляцией или пластическим обменом. Эти процессы идут с затратой энергии.

В ходе ассимиляции простые вещества, превращаются в сложные.

Вот растения, например, миллионы лет тому назад научились улавливать лучи света и тем самым напрямую используют солнечную энергию.

А у животных и человека энергия извлекается при расщеплении сложных высокомолекулярных соединений, тех, которые образовались в процессе ассимиляции.

Так наряду с процессами биосинтеза новых веществ идут процессы распада (диссимиляции) запасённых при ассимиляции сложных органических веществ.

Данные вещества расщепляются до более простых, при этом высвобождается энергия.

Итак, совокупность всех этих реакций распада, которые сопровождаются выделением энергии носит название энергетического обмена или диссимиляции. Эти выражения слова синонимы.

Итак, образование новых веществ называют ассимиляцией, а распад образовавшихся при ассимиляции высокомолекулярных веществ с образованием энергии называют диссимиляцией. Данные процессы взаимосвязаны и зависят друг от друга.

Рассмотрим процесс энергетического обмена. Когда высокомолекулярные вещества расщепляются до более простых с выделением энергии.

Образовавшаяся при распаде сложных веществ энергия запасается в виде АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты).

Аденозинтрифосфорная кислота — это нуклеотид…который содержит, азотистое основание аденин, углевод рибозу, и 3 остатка фосфорной кислоты. При разрыве фосфатных связей энергия высвобождается.

Продолжительность жизни АТФ меньше минуты так как АТФ – это неустойчивая структура. Её фосфорные остатки постоянно отщепляются и присоединяются, отдавая организму энергию.

При отделении одного остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в аденозин дифосфат (АДФ). И высвобождается 40 кДж энергии.

А если отделяется ещё один остаток, то АДФ переходит в аденозинмонофосфат (АМФ).

Чаще всего в организме происходит отщепление только одного фосфорного остатка так это наиболее выгодный вариант. АТФ универсальный источник энергии для всех реакций, протекающих в клетке.

Если представить молекулу АТФ как аккумулятор, то при отщеплении фосфорных остатков от АТФ высвобождается энергия и аккумулятор разряжается.

А как же его зарядить? У растений он заряжается при помощи процессов дыхания и фотосинтеза. А у животных и человека при дыхании и гликолизе.

Источником энергии у всех организмов как мы уже сказали являются сложные органические вещества. А вот извлечь данную энергию достаточно сложно и эти процессы у организмов проходят в несколько этапов.

Этот процесс у аэробов проходит в три этапа: подготовительный, бескислородный, кислородный.

В организмах, которые обитают в бескислородной среде и не нуждаются в кислороде для энергетического обмена – анаэробах, при недостатке кислорода энергетический обмен проходит в два этапа: подготовительный и бескислородный.

Этапы энергетического обмена

Первый этап подготовительный.

У человека и животных он проходит в органах пищеварения, а у одноклеточных организмов в фагосомах клеток. Сложные органические соединения расщепляются с помощью ферментов до более простых белки – до аминокислот, полисахариды распадаются на ди- и моносахариды, а липиды (жиры) расщепляются до глицерина и жирных кислот.

Главным источником энергии в клетке является глюкоза.

Большинство клеток в первую очередь используют углеводы, а жиры остаются в первом резерве и используются по окончанию запаса углеводов.

Хотя есть и исключения: например, в клетках скелетных мышц при наличии жирных кислот и глюкозы предпочтение отдаётся жирным кислотам. Белки расходуются в последнюю очередь, когда запас углеводов и жиров будет исчерпан – например при длительном голодании.

Рассмотрим этапы энергетического обмена на примере глюкозы.

Итак, в органах пищеварения крахмал постепенно расщепляется до глюкозы.

В процессе этого расщепления высвобождается не очень много энергии, около 5 кДж и она рассеивается в виде тепла. Это именно то тепло которое мы ощущаем после приёма пищи.

На данном этапе АТФ не образуется. То есть заряда нашего аккумулятора (запаса энергии) не происходит.

Образовавшаяся глюкоза поступает в клетки и тут начинается второй этап энергетического обмена.

Этот этап идёт без участия кислорода его называют гликолизом (гликос от греческого –сладкий, лизис расщепление) – то есть этап расщепления глюкозы.

Гликолиз происходит в цитоплазме клеток.

Затем каждая молекула глюкозы расщепляется на 2 молекулы пировиноградной кислоты.

Пировиноградная кислота — является конечным продуктом метаболизма глюкозы в процессе гликолиза.

Которая во многих клетках превращается в молочную кислоту.

На данном этапе выделяется уже 200 кДж на каждую молекулу глюкозы. Из них 80 кДж сберегается (по 40 кДж на 1 АТФ). Вы помните, что для того что бы превратить АДФ в АТФ необходимо затратить 40 кДж. Поэтому 80 кДж достаточно для превращения двух молекул АДФ в 2 молекулы АТФ. А 120 кДж образовавшийся при расщеплении глюкозы рассеивается в виде тепла. В итоге на втором этапе энергетического обмена наша батарея заряжается на 2 АТФ.

Благодаря многостадийности гликолиза выделяющиеся небольшие порции тепла не успевают нагреть клетку до опасного уровня.

У некоторых грибов (дрожжей например) второй этап энергетического обмена представлен спиртовым брожением.

При спиртовом брожении у дрожжей образуется этиловый спирт, углекислый газ, вода и так же 2 молекулы АТФ.

Все продукты брожения широко используются в практической деятельности человека, например, кисломолочные бактерии сбраживают молекулу глюкозы до молочной кислоты. Так получаются кисломолочные продукты.

У человека, например, во время интенсивных физических нагрузок, пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту, где также образуется только 2 АТФ.

То есть интенсивно работающие мышцы берут энергию не за счёт процессов дыхания. А за счёт процессов гликолиза.

Во время интенсивных физических нагрузок уровень поступления молочной кислоты превышает уровень её удаления, она накапливается в тканях и вызывает жжение.

При отдыхе и умеренной нагрузке организм предпочитает расщеплять жиры для получения энергии.

При нагрузках в 50 % от максимума организм перестраивается на преимущественное потребление углеводов. Чем больше углеводов вы используете в качестве топлива, тем больше производство молочной кислоты.

Существует распространённый миф о молочной кислоте. Многие считают, что боль в мышцах после тренировок возникает в результате накопления большого количества молочной кислоты. Это не так, поскольку большая часть молочной кислоты выводится из мышц сразу после тяжёлого упражнения, а остатки в течение часа после тренировки. Она вызывает небольшое жжение во время самой тренировки. А болевые ощущения, которые возникают на следующий день, связаны с мышечными микротравмами, получаемыми во время работы. Чем интенсивнее работа, тем больше повреждения, тем сильнее будут болеть мышцы во время восстановления.

Также современные исследования говорят о том, что молочная кислота полезна для роста мышц. Она вызывает расширение сосудов, улучшая кровоток, и позволяя лучше транспортировать кислород.

Итак, мы остановились на втором этапе энергетического обмена –бескислородном расщеплении глюкозы до 2х молекул пировиноградной кислоты, который проходи в цитоплазме клеток.

Если кислорода в организме достаточно, то пировиноградная кислота поступает в митохондрии.

Начинается третий этап энергетического обмена – который называется клеточным дыханием. Он проходит на кристах митохондрий.

Главной функцией митохондрий является захват богатых энергией субстратов (жирных кислот, углеродного скелета аминокислот и других высокомолекулярных веществ) из цитоплазмы и их окислительное расщепление с образованием углекислого газа и воды, связанное с синтезом АТФ.

Здесь на кристах митохондрий пировиноградная кислота превращается в ацетил-кофермент А. Сокращённо ацетил-КоА ─ это важное соединение в обмене веществ, используемое во многих биохимических реакциях.

Его главная функция — доставлять атомы углерода с ацетил-группой в цикл трикарбоновых кислот (или цикл Кребса), чтобы те были окислены с выделением энергии.

То есть ацетил Коа является основным субстратом, который необходим для реакций цикла трикарбоновых кислот – цикла Кребса. Данный цикл проходит внутри митохондрий.

Это очень сложный ряд последующих реакций. Цикл трикарбоновых кислот — ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме. Он является промежуточным этапом между гликолизом и электронтранспортной (дыхательной) цепью.

В ходе цикла Кребса ацетильные остатки (остатки кофермента А) окисляются до углекислого газа.

При этом за один цикл образуется 2 молекулы углекислого газа, 3 НАДН, 1 ФАДН2 (ФАД аш 2) и 1 ГТФ (или АТФ).

Итак, в процессе гликолиза и Цикла Кребса образуются необходимые молекулы (НАДН).

НАДН переносят водороды из одной реакции в другую. НАД+ забирает водород и восстанавливается, а НАДН отдаёт и окисляется.

Водороды, находящиеся на НАДН и ФАДН2, в дальнейшем переносятся на дыхательную цепь, где образуется АТФ.

Итак, на мембране митохондрии атомы водорода, полученные от НАДН и ФАД, разделяются на протоны и электроны. Электроны начинают проходить через комплексы 1,2,3,4. Это белки, которые встроены в мембрану.

А протоны водорода переносятся через комплексы и накапливаются в межмембранном пространстве.

В результате чего и образуется градиент концентрации протонов необходимый для синтеза молекулы АТФ.

Вы помните, что протоны при прохождении через АТФ-синтазу помогают образованию самой АТФ.

Синтез АТФ рассматривали при изучении строении митохондрий.

На втором этапе энергетического обмена при гликолизе (бескислородном процессе) 1 молекула глюкозы расщепляется на 2 молекулы пировиноградной кислоты и образуется только 2 АТФ.

А на третьем этапе в митохондриях при клеточном дыхании (кислородном процессе) 2 молекулы пировиноградной кислоты окисляются до углекислого газа, воды и 36 молекул АТФ.

При полном расщеплении 1 молекулы глюкозы в итоге образуется 38 молекул АТФ в случае с растениями, а в случае с животными 36 молекул АТФ и 2 ГТФ.

Читайте также: