Какие молекулы играют важнейшую роль в обеспечении клетки энергией
Обновлено: 30.06.2024
В наших клетках происходят различные энергетические процессы: запасание и использование энергии, ее трансформация и высвобождение. Кажется невероятным, что какая-то абстрактная энергия вдруг может преобразовываться и создавать другие молекулы, выполняя при этом полезную работу для организма.
Для справки: АТФ (аденозинтрифосфат) – молекула, которая выполняет роль источника энергии для всех процессов в организме, в том числе, и для движения. Открыта эта молекула была в 1929 году. Главным источником для производства молекулы АТФ служит глюкоза.
По сути, молекула АТФ – это своеобразная молекулярная батарея, которая сохраняет энергию в те моменты, когда она не используется, и потом высвобождает энергию при необходимости организма.
Структура и формула энергетических молекул
При расщеплении молекулы АТФ происходит сокращение мышечного волокна, из-за чего выделяется энергия, позволяющая мышцам сокращаться.
Для того чтобы дать организму энергию АТФ проходит несколько этапов. В процессе каждого этапа вырабатывается большее количество энергии, но всегда то, которое затребовано самим организмом.
Главный источник для выработки АТФ — это глюкоза, которая расщепляется в клетках. Молекулы АТФ насыщают энергией длинные волокна мышечных тканей, которые содержат протеин — миозин. Именно так формируются мышечные клетки.
Когда наш организм отдыхает – цепочка процессов преображения молекулы АТФ идёт в обратную сторону. И в этих целях также задействована глюкоза. Созданные молекулы АТФ будут вновь использоваться, как только это станет необходимо организму.
Когда созданная молекулами энергия не нужна, она сохраняется в организме и высвобождается тогда, когда это потребуется.
Молекулы АТФ синтезируют три основные биохимические системы:
– Система гликогена и молочной кислоты
Что это дает нашему организму?!
Фосфагенная система – будет использоваться когда мышцы работают недолго, но очень интенсивно (порядка 10 секунд). Благодаря этой системе происходит постоянная циркуляция небольшого количества молекул АТФ в мышечных клетках. Такой энергии хватит на короткий забег или интенсивную силовую нагрузку в бодибилдинге.
Гликоген и молочная кислота — снабжают энергией организм медленнее, чем предыдущая система. Используется энергия АТФ, которой может хватить на полторы минуты интенсивной работы. В анаэробном режиме мышцы сокращаются крайне мощно и быстро. Именно благодаря этой системе можно пробежать 400 метров спринтерского бега или рассчитывать на более длительную интенсивную тренировку в зале. Но долгое время так работать не позволит ощущение боли в мышцах, которая появляется из-за переизбытка молочной кислоты.
Аэробное дыхание — эта система включается, если тренировка продолжается более двух минут. Тогда мышцы начинают получать энергию молекул АТФ из углеводов, жиров и протеинов. В этом случае АТФ синтезируется медленно, зато энергии хватает надолго — физическая активность может продолжаться несколько часов. Это происходит благодаря тому, что глюкоза распадается без препятствий, у неё нет никаких сторонних противодействий — как препятствует молочная кислота в предыдущем анаэробном процессе.
Роль АТФ в организме
После описания синтеза трех биохимических систем становится понятно, что основная роль АТФ в организме — это обеспечение энергией всех многочисленных биохимических процессов и реакций организма.
То есть большинство энергозатратных процессов у живых существ происходит благодаря АТФ.
Но кроме этого молекула АТФ играет важную роль в синтезе нуклеиновых кислот, регулирует различные биохимические процессы, передает гормональные сигналы клеткам организма и другое.
Вместо выводов
Итак, АТФ – это молекула, которая даёт энергию всем процессам, происходящим в организме, в том числе, она даёт энергию для движения.
Важная роль АТФ в организме и жизни человека доказана не только учёными, но и многими спортсменами, бодибилдерами, фитнес-тренерами. Понимание важности этого вопроса помогает сделать тренировки более эффективными и правильно рассчитать свои физнагрузки.
Для всех, кто занимается силовыми тренировками в зале, фитнесом, бегом и другими видами спорта, нужно понимать и помнить – какие блоки упражнений необходимо выполнять в то или иное время тренировки. Благодаря этому можно откорректировать форму фигуры, проработать мышечную структуру, снизить лишний вес и добиться других улучшающих результатов для своего организма.
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.
Из клеток состоят все живые организмы, кроме вирусов. Они обеспечивают все необходимые для жизни растения или животного процессы. Клетка и сама может быть отдельным организмом. И разве может такая сложная структура жить без энергии? Конечно, нет. Так как же происходит обеспечение клеток энергией? Оно базируется на процессах, которые мы рассмотрим ниже.
Обеспечение клеток энергией: как это происходит?
Немногие клетки получают энергию извне, они вырабатывают ее сами. Эукариотические клетки обладают своеобразными "станциями". И источником энергии в клетке является митохондрия — органоид, который ее вырабатывает. В нем происходит процесс клеточного дыхания. За счет него и происходит обеспечение клеток энергией. Однако присутствуют они только у растений, животных и грибов. В клетках бактерий митохондрии отсутствуют. Поэтому у них обеспечение клеток энергией происходит в основном за счет процессов брожения, а не дыхания.
Строение митохондрии
Это двумембранный органоид, который появился в эукариотической клетке в процессе эволюции в результате поглощения ею более мелкой прокариотической клетки. Этим можно объяснить то, что в митохондриях присутствует собственная ДНК и РНК, а также митохондриальные рибосомы, вырабатывающие нужные органоидам белки.
Внутренняя мембрана обладает выростами, которые называются кристы, или гребни. На кристах и происходит процесс клеточного дыхания.
То, что находится внутри двух мембран, называется матрикс. В нем расположены белки, ферменты, необходимые для ускорения химических реакций, а также молекулы РНК, ДНК и рибосомы.
Клеточное дыхание — основа жизни
Оно проходит в три этапа. Давайте рассмотрим каждый из них более подробно.
Первый этап — подготовительный
Во время этой стадии сложные органические соединения расщепляются на более простые. Так, белки распадаются до аминокислот, жиры — до карбоновых кислот и глицерина, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов, а углеводы — до глюкозы.
Гликолиз
Это бескислородный этап. Он заключается в том, что вещества, полученные во время первого этапа, расщепляются далее. Главные источники энергии, которые использует клетка на данном этапе, — молекулы глюкозы. Каждая из них в процессе гликолиза распадается до двух молекул пирувата. Это происходит во время десяти последовательных химических реакций. Вследствие первых пяти глюкоза фосфорилируется, а затем расщепляется на две фосфотриозы. При следующих пяти реакциях образуется две молекулы АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) и две молекулы ПВК (пировиноградной кислоты). Энергия клетки и запасается именно в виде АТФ.
Весь процесс гликолиза можно упрощенно изобразить таким образом:
Таким образом, используя одну молекулу глюкозы, две молекулы АДФ и две фосфорной кислоты, клетка получает две молекулы АТФ (энергия) и две молекулы пировиноградной кислоты, которую она будет использовать на следующем этапе.
Третий этап — окисление
Данная стадия происходит только при наличии кислорода. Химические реакции этого этапа происходят в митохондриях. Именно это и есть основная часть клеточного дыхания, во время которой высвобождается больше всего энергии. На этом этапе пировиноградная кислота, вступая в реакцию с кислородом, расщепляется до воды и углекислого газа. Кроме того, при этом образуется 36 молекул АТФ. Итак, можно сделать вывод, что главные источники энергии в клетке — глюкоза и пировиноградная кислота.
Суммируя все химические реакции и опуская подробности, можно выразить весь процесс клеточного дыхания одним упрощенным уравнением:
Таким образом, в ходе дыхания из одной молекулы глюкозы, шести молекул кислорода, тридцати восьми молекул АДФ и такого же количества фосфорной кислоты клетка получает 38 молекул АТФ, в виде которой и запасается энергия.
Разнообразие ферментов митохондрий
Энергию для жизнедеятельности клетка получает за счет дыхания — окисления глюкозы, а затем пировиноградной кислоты. Все эти химические реакции не могли бы проходить без ферментов — биологических катализаторов. Давайте рассмотрим те из них, которые находятся в митохондриях — органоидах, отвечающих за клеточное дыхание. Все они называются оксидоредуктазами, потому что нужны для обеспечения протекания окислительно-восстановительных реакций.
Все оксидоредуктазы можно разделить на две группы:
Дегидрогеназы, в свою очередь, делятся на аэробные и анаэробные. Аэробные содержат в своем составе кофермент рибофлавин, который организм получает из витамина В2. Аэробные дегидрогеназы содержат в качестве коферментов молекулы НАД и НАДФ.
Оксидазы более разнообразны. В первую очередь они делятся на две группы:
- те, которые содержат медь;
- те, в составе которых присутствует железо.
К первым относятся полифенолоксидазы, аскорбатоксидаза, ко вторым — каталаза, пероксидаза, цитохромы. Последние, в свою очередь, делятся на четыре группы:
- цитохромы a;
- цитохромы b;
- цитохромы c;
- цитохромы d.
Цитохромы а содержат в своем составе железоформилпорфирин, цитохромы b — железопротопорфирин, c — замещенный железомезопорфирин, d — железодигидропорфирин.
Возможны ли другие пути получения энергии?
Несмотря на то что большинство клеток получают ее в результате клеточного дыхания, существуют также анаэробные бактерии, для существования которых не нужен кислород. Они вырабатывают необходимую энергию путем брожения. Это процесс, в ходе которого с помощью ферментов углеводы расщепляются без участия кислорода, вследствие чего клетка и получает энергию. Различают несколько видов брожения в зависимости от конечного продукта химических реакций. Оно бывает молочнокислое, спиртовое, маслянокислое, ацетон-бутановое, лимоннокислое.
Для примера рассмотрим спиртовое брожение. Его можно выразить вот таким уравнением:
То есть одну молекулу глюкозы бактерия расщепляет до одной молекулы этилового спирта и двух молекул оксида (IV) карбона.
ТЕМНОВАЯ ФАЗА ФОТОСИНТЕЗА
В настоящее время установлено, что фотосинтез протекает в две фазы: __________ (А) и темновую. Для протекания реакций темновой фазы наличие света __________ (Б). В это время происходит усвоение __________ (В) из воздуха, его восстановление ионами водорода и образование органического вещества __________ (Г) благодаря накопленной в световой фазе энергии.
ПЕРЕЧЕНЬ ТЕРМИНОВ:
2) углекислый газ
1. В процессе фотосинтеза растения
А – обеспечивают себя органическими веществами
Б – окисляют сложные органические вещества до простых неорганических соединений
В – поглощают минеральные вещества корнями из почвы
Г – расходуют энергию органических веществ
2. Универсальный источник энергии в клетке
А – Белок Б – Солнце В – ДНК Г – АТФ
3. Подготовительный этап энергетического обмена происходит
А – в митохондриях Б – в лизосомах В – на рибосомах Г – в хлоропластах
4. Кислородный этап энергетического обмена (БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ) – это
А – дыхание Б – транскрипция В – гликолиз Г – брожение
5. На каком из этапов энергетического обмена энергия образуется и накапливается максимальное количество АТФ?
А – на подготовительном этапе
Б – на этапе неполного бескислородного расщепления
В – на этапе клеточного дыхания
Г – нет правильного ответа
6. Для осуществления фотосинтеза необходимо наличие
А – ДНК Б – РНК В – хлорофилла Г – кислорода
7. Исходным материалом для фотосинтеза служит
А – кислород и углекислый газ
Б – вода и кислород
В – углекислый газ и вода
8. Гетеротрофы
А – нуждаются в постоянном поглощении готовых органических веществ извне
Б – не нуждаются в поступлении извне органических веществ
В – оба ответа верны
Г – нет правильного ответа
9. Автотрофные организмы – это
А – растения, содержащие хлорофилл
Б – грибы, вирусы
10. Формулу какого вещества следует вписать на месте пропуска в схеме химической реакции?
А – угарного газа Б – углекислого газа В – кислорода Г – хлорофилла
СВЕТОВАЯ ФАЗА ФОТОСИНТЕЗА
В настоящее время установлено, что фотосинтез протекает в две фазы: световую и __________ (А). В световую фазу благодаря солнечной энергии происходит возбуждение молекул __________ (Б) и синтез молекул __________ (В). Одновременно с этой реакцией под действием света разлагается вода с выделением свободного __________ (Г). Этот процесс называется фотолизом.
ПЕРЕЧЕНЬ ТЕРМИНОВ:
8) углекислый газ
1. Все живые организмы в процессе жизнедеятельности используют энергию, которая запасается в органических соединениях, созданных из неорганических
А – животными Б – грибами В – растениями Г – вирусами
2. Фотосинтез — это процесс
А – синтеза органических веществ за счет химической энергии
Б – синтеза органических веществ за счет энергии света
В – синтеза белка
Г – расщепления органических веществ
3. Источником углерода, используемого растениями в процессе фотосинтеза, служит молекула
А – угольной кислоты
Г – углекислого газа
4. В результате фотосинтеза в хлоропластах образуется
А – углекислый газ и кислород
Б – глюкоза, АТФ, кислород
В – хлорофилл, вода, кислород
Г – углекислый газ, АТФ, кислород
5. В обеспечении клетки энергией состоит значение
А – энергетического обмена
Б – световой фазы фотосинтеза
В – пластического обмена
Г – нет правильного ответа
6. В процессе энергетического обмена НЕ образуется
А – крахмал Б – вода В – углекислый газ Г – АТФ
7. Сколько молекул глюкозы необходимо полностью разложить до конечных продуктов (углекислого газа и воды), чтобы получить 38 молекул АТФ?
А – 1 Б – 36 В – 2 Г – 38
8. Все реакции энергетического обмена веществ происходят при участии
А – гормонов Б – витаминов В – пигментов Г – ферментов
9. Формулу какого вещества следует вписать на месте пропуска в суммарном уравнении фотосинтеза?
А – угарного газа Б – углекислого газа В – кислорода Г – хлорофилла
10. Верны ли следующие суждения о процессах метаболизма?
А. Основная функция фотосинтеза – образование кислорода.
В. Основная функция клеточного дыхания – поглощение кислорода.
А – верно только А
Б – верно только Б
В – оба суждения верны
Г – оба суждения неверны
ЭТАПЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА
Энергетический обмен происходит в несколько этапов. Первый этап протекает в __________ (А) системе животного. Он характеризуется тем, что сложные органические вещества расщепляются до менее сложных. Второй этап протекает в __________ (Б) и назван бескислородным этапом, так как осуществляется без участия кислорода. Другое его название – __________ (В). Третий этап энергетического обмена – кислородный – осуществляется непосредственно внутри __________ (Г) на кристах, где при участии ферментов происходит синтез АТФ.
Читайте также: