Лекция: «Обмен веществ и превращение энергии в клетке.
Общая характеристика обмена веществ и энергии в клетке.
Энергетический обмен»
Понятие о метаболизме
Метаболизм - совокупность всех химических реакций, протекающих в живом организме. Значение метаболизма состоит в создании необходимых организму веществ и обеспечении его энергией. Выделяют две составные части метаболизма - катаболизм и анаболизм.
Катаболизм (или энергетический обмен, или диссимиляция) - совокупность реакций, приводящих к образованию простых веществ из более сложных (гидролиз полимеров до мономеров и расщепление последних до низкомолекулярных соединений углекислого газа, воды, аммиака и др. веществ). Катаболические реакции идут обычно с высвобождением энергии.
Анаболизм (или пластический обмен, или ассимиляция) - понятие, противоположное катаболизму, — совокупность реакций синтеза сложных веществ из более простых (образование углеводов из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза, реакции матричного синтеза). Для протекания анаболических реакций требуются затраты энергии.
Процессы пластического и энергетического обмена неразрывно связаны между собой. Все синтетические (анаболические) процессы нуждаются в энергии, поставляемой в ходе реакций диссимиляции. Сами же реакции расщепления (катаболизма) протекают лишь при участии ферментов, синтезируемых в процессе ассимиляции.
АТФ и её роль в метаболизме
АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) - мононуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэргическими связями. В этих связях запасена энергия, которая высвобождается при их разрыве:
Энергия, накопленная в молекулах АТФ, используется организмом в анаболических реакциях (реакциях биосинтеза). Молекула АТФ является универсальным хранителем и переносчиком энергии для всех живых существ.
Подготовительный этап.
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.
Потеря электронов называется окислением, приобретение - восстановлением, при этом донор электронов окисляется, акцептор восстанавливается. Биологическое окисление в клетках происходит с участием кислорода: А + О2 ® АО2 и без его участия, за счет переноса атомов водорода от одного вещества к другому, например, вещество А окисляется за счет вещества В: АН2 + В ® А + ВН2, или за счет переноса электронов, например, двухвалентное железо окисляется до трехвалентного: Fe2+ ® Fe3+ + e-,
Процесс энергетического обмена можно разделить на три этапа: на первом 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.
Бескислородное окисление.
Первые организмы, появившиеся 3,0 - 3,5 млрд. лет назад, жили в бескислородных условиях, были анаэробными гетеротрофами. Они использовали органические вещества абиогенного происхождения в качестве питательных веществ, энергию получали за счет бескислородного окисления и брожения. До настоящего времени сохранился анаэробный путь использования глюкозы - гликолиз, завершающийся образованием молочной кислоты и образованием на моль глюкозы двух моль АТФ.
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, при этом суммарно образуется 2 моль АТФ и восстановленная форма переносчика водорода НАД·Н2 (никотинамидадениндинуклеотид). При этом образуется 200 кДж энергии, 120 рассеивается в форме тепла, 80 кДж запасается в форме 2 моль АТФ:
С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 + 2НАД+ ® 2С3Н4О3 + 2АТФ + 2Н2О + 2НАД·Н2
Дальнейшая судьба ПВК зависит от присутствия О2 в клетке, если О2 нет, происходит анаэробное дыхание, причем у грибов (например, дрожжей) происходит спиртовое брожение, при котором сначала происходит образование уксусного альдегида, а затем этилового спирта:
I. С3Н4О3 ® СО2 + СН3СОН (уксусный альдегид)
II. СН3СОН + НАД·Н2 ® С2Н5ОН + НАД+
У животных, растений и некоторых бактерий при недостатке О2 происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:
С3Н4О3 + НАД·Н2 ® С3Н6О3 + НАД+
Кислородное окисление