Здравствуйте, уважаемые читатели блога репетитора биологии по Скайпу biorepet-ufa.ru.
В этой статье, посвященной теме энергетического обмена в клетках, будут рассматриваться процессы расщепления углеводов как основных органических веществ, служащих для энергетических нужд организмов.
Большинство живых существ на Земном шаре являются аэробными организмами. То есть для жизни им необходим кислород воздуха.
Но на вопрос для чего мы дышим,
большинство ответит: «для того, чтобы кровь, а посредством нее и все ткани организма насытить кислородом». И всё!
А для чего надо ткани насыщать кислородом? Этот вопрос уже ставит в затруднительное положение многих.
Как репетитор биологии по Скайпу, должен подчеркнуть, что потребляемый аэробными организмами КИСЛОРОД необходим лишь для того, чтобы попасть в МИТОХОНДРИИ и осуществить окисление органических веществ для выработки энергии АТФ.
Отсюда и двойное название у митохондрий. Их называют и дыхательным центром и энергетическими станциями клетки. Выходит, кислород больше ни для чего и не нужен.
Меньшая часть организмов на Земле получают энергию не используя кислород для расщепления органических веществ (анаэробные организмы), но их энергетический обмен протекает с гораздо меньшей эффективностью, чем у аэробов.
Разберем вкратце все три этапа энергетического обмена у аэробных организмов
Первый этап энергетического обмена, называется подготовительным. Он заключается в расщеплении крупных молекул органических веществ до более мелких составных частей при участии воды (реакции гидролиза):
а) если расщеплению подвергаются чужеродные органические вещества пищи, то этот процесс протекает в желудочно-кишечном тракте;
б) если расщеплению подвергаются собственные органические вещества клеток, то этот процесс происходит за счет ферментов клеточных лизосом. При этом вся энергия расщепления выделяется в виде тепла и молекулы АТФ не образуются.
Второй этап, называется гликолизом. Рассмотрим его на примере расщепления самого распространенного источника энергии в клетке — молекулы глюкозы, являющейся гексозой, то есть С6 соединением.
Одна молекула глюкозы, подвергаясь бескислородному окислению (расщеплению) в цитоплазме клеток, дает 2 молекулы пировиноградной кислоты ПВК (С3 соединение). Выход энергии при этом незначительный, за счет субстратного фосфорилирования запасается всего 2 молекулы АТФ.
Для анаэробных организмов, собственно, таким запасанием энергии расщепления глюкозы в 2 молекулы АТФ, энергетический обмен и ограничивается. В зависимости от вида микроорганизмов конечными продуктами брожения (бескислородного расщепления) у них являются крупные органические молекулы молочной кислоты — С3 соединение (молочно-кислые бактерии), уксусной кислоты — С2 соединение (уксусно-кислые бактерии), этилового спирта — С2 соединение (дрожжи) и т.д.
А вот аэробные организмы «научились» извлекать максимум энергии. У них в специализированных клеточных органеллах — митохондриях, осуществляется процесс окислительного фосфорилирования (создается большой запас энергии в виде еще 36 молекул АТФ).
Итак, мы помним, что второй бескислородный этап у аэробов закончился образованием из одной молекулы глюкозы двух молекул ПВК (пировиноградная кислота — лишь при недостатке поступления в организм молекулярного кислорода при беге, интенсивной работе, ПВК переходит в молочную кислоту, которая, временно накапливаясь, может вызвать усталость мышечной ткани).
При достаточном обеспечении митохондрий клеток кислородом, ПВК в матриксе митохондрий поступает в цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, открытый Кребсом и поэтому названный его именем), где расщепляясь на многих стадиях до СО2 и воды, обеспечивает энергией восстановление НАД (никотин-амиддинуклеотида) до НАД*Н.
Молекулы НАД*Н «питают» своей энергией цепь переноса электронов (ЦПЭ), которая находится на кристах митохондрий и служит окислительному фосфорилированию (образованию из АДФ —> АТФ). Причем без молекулярного кислорода ЦПЭ вообще не будет работать. Кислород, как сильный окислитель, являясь конечным акцептором электронов в цепи переноса электронов, обеспечивает её бесперебойную работу.
Такое тесное «сотрудничество» цепи переноса электронов с циклом Кребса в митохондриях обеспечивает осуществление процесса образования АТФ путем окислительного фосфорилирования с высокой эффективностью.
***************************************
У кого есть вопросы по статье к репетитору биологии по Скайпу, замечания, пожелания — прошу в комментарии.
Здравствуйте. Помогите ответить на вопрос. Характеристика подготовительного этапа гликолиза:
а) проходит в цитоплазме клетки
в) синтезируется 6 молекул АТФ
с) кислород не участвует
d) органические вещества распадаются до простых веществ
е) кислород участвует
f) протекает на внутренней мембране митохондрий
g) полное расщепление глюкоза
н) синтезирует две молекулы АТФ
Здравствуйте, Анна! Такого вопроса в настоящих тестах для подготовки к сдаче ЕГЭ или ОГЭ существовать не может. Это явно какой-то «левый» тест, так как просто не существует «подготовительного этапа гликолиза». Энергетический обмен состоит из: 1) подготовительного этапа; 2) гликолиза (бескислородного этапа) и 3) кислородного этапа. Ответами на вопрос, что происходит при гликолизе будут: а); с); н). В моей статье выше всё ведь довольно подробно описано.
Аня, старайтесь решать тесты только ФИПИшные (их в Открытом банке заданий на сайте ФИПИ уже около 6 тыс.) Все вопросы ОБЗ ФИПИ по ЕГЭ и ОГЭ помещены и у меня на блоге тоже. Решайте сначала самостоятельно, а потом при желании можете сверить с моими платными ответами по любому из разделов.
Здравствуйте, Борис Фагимович! Спасибо за замечательный блог и материалы! Я сам пару лет назад закончил биофак- сейчас учусь в аспирантуре, но возникла необходимость помочь сестре подготовиться к ЕГЭ по биологии…и в процессе разбора материала для занятий и заданий ЕГЭ у меня возникло много сложностей, так как материал зачастую не соответствует, а то и противоречит тому, как должно быть в университетской биологии. Был бы очень Вам признателен, если поможете разобраться в одном моменте…
Вот есть три этапа катаболизма, на первом не образуется АТФ, на втором 2 молекулы и третий… в течение кислородного этапа у эукариот проходит одновременно 2 процесса: цикл Кребса в матриксе митохондрий (в течение него образуется 2 молекулы АТФ) и окислительное фосфорилирование на кристах митохондрий (в течение него образуется 34 молекулы АТФ). Так же дается в ряде пособий: у Ярыгина, у Садовниченко. В итоге получается 36 молекул АТФ. Но почему то в задачах на расчет молекул АТФ и глюкозы слова кислородный этап и окислительное фосфорилирование отождествляют друг с другом…Например, вот такая задача: «В процессе энергетического обмена образовалось 950 молекул АТФ. Сколько молекул глюкозы вступило в реакции энергетического обмена? Сколько молекул АТФ образовалось при гликолизе и сколько на этапе окислительного фосфорилирования?» В ответе дается, что на этапе окислительного фосфорилирования образовалось 900 молекул АТФ (то есть они считают по 36 молекулам), хотя, на мой взгляд, верно считать по 34 молекулам и тогда будет 850 молекул АТФ… в чем я не прав? Заранее спасибо Вам.
Здравствуйте, Даниил. Вы правы, что нельзя отождествлять окислительное фосфорилирование, дающее 34 молекулы АТФ на 1 молекулу окисленной глюкозы, с общим количеством АТФ, образованном в митохондриях на третьем кислородном этапе катаболизма (равном 36 молекулам). Нельзя-то нельзя, но авторы школьных учебников (из-за соображений большей доступности не простого для школьников материала), видимо, сознательно идут на это. А все тестовые задания по ЕГЭ должны составляться по школьным учебникам. Поэтому, в приведенной Вами задаче, фразу «Сколько молекул АТФ образовалось при гликолизе и сколько на этапе окислительного фосфорилирования?» надо читать так: «Сколько молекул АТФ образовалось при гликолизе и сколько на третьем кислородном этапе?».
Даниил, чтобы «реально» помочь сестре в подготовке в сдаче ЕГЭ, а не оказать помощь в знании биологии, Вам надо просто руководствоваться её школьным учебником, а не своими университетскими знаниями биохимии. Вообще-то подобных казусов встречается совсем не много по сравнению с порой неважнецки составленными тестами даже по школьной программе.
Большое спасибо за ответ, Борис Фагимович! Наверное, Вы правы, и мне нужно постараться «упроститься», не впадать в шок от таких вещей и не смущать ими сестренку, ведь ей и так не просто ориентироваться в этом огромном биологическом «мире».
Ваши статьи и книги очень помогают доступно объяснять те подводные камни биологии, которые очень важны, но почему-то всегда ускользают как песок сквозь пальцы… Например, чередование спорофита и гаметофита у растений… или задачки на сцепленное наследование. Найти образный, простой язык для объяснения сложных вещей — это, на мой взгляд, и есть настоящий преподавательский дар….и этого очень не хватает сейчас не только в школах, но и на биологических специальностях в ВУЗе…так что спасибо еще раз за такой замечательный сайт!
Даниил, а Вам большое спасибо за такую эмоциональную поддержку, за понимание значимости моего труда. Успехов Вам во всем и во взращивании хотя бы еще одного хорошего биолога в лице Вашей сестры.
Добрый день, Борис Фагимович! Замечательная статья, которая легко запоминается с помощью иллюстраций. Скажите, пожалуйста, Вы не мог ли бы осветить такой вопрос: почему наступает мышечное жжение и мышечный отказ? Везде бытует мнение, что это из-за накопления молочной кислоты, но здесь сказано, что она сама является источником энергии. Что же в таком случае является камнем преткновения? Заранее спасибо.
Здравствуйте!
Никакого «камня» здесь нет. Игорь, спасибо за вопрос. Благодаря вашему вопросу я добавил в текст несколько строк, поясняющих его и думаю, что теперь вопрос снят?
Игорь, совсем бы не был против, если бы Вы обнаружили не ясные для Вас моменты и в других статьях.
Спасибо большое за ответ, Борис Фагимович! Скажите, пожалуйста, а что представляет собой цепь переноса электронов или где можно узнать об этом побольше?
Игорь, раз вы спрашиваете, значит в вашем школьном учебнике по общей биологии третий этап энергетического обмена рассмотрен слишком поверхностно. Об электронтранспортной цепи для сдачи экзамена по биологии в школе больше того, чем я описываю в своей статье знать и не нужно. В вузовском учебнике «Биохимии» Ленинджера этот вопрос разбирается подробно.
Цепь переноса электронов (ЦПЭ) или дыхательная электронтранспортная цепь (ЭТЦ) это система структурно и функционально связанных белков и переносчиков электронов, располагающихся на кристах митохондрий. ЭТЦ позволяет запасти энергию, выделяющуюся в ходе окисления НАД∙Н (образующуюся в цикле Кребса) молекулярным кислородом в форме трансмембранного протонного потенциала за счёт последовательного переноса электрона по цепи, сопряжённого с перекачкой протонов через мембрану (думаю, что «легче» не стало).
Борис Фагимович, а здесь есть сходство с фотосинтезом при котором во время световой фазы при напряжении более 200 мВ происходит движение протонов из тилакоидов в строму? Та же цепь?
Да, Игорь, сходство есть. Природа очень рациональна и что-либо хорошее «применяется» ею в разных процессах. Сходство в том, что внутренние мембраны митохондрий (кристы) и хлоропластов (тилакоиды) обеспечивают фосфорилирование (присоединение фосфата к АДФ с образованием АТФ). Но в митохондриях работает именно многоступенчатая цепь переноса электронов, которая обеспечивает окислительное фосфорилирование, а в хлоропластах такой электронтранспортной цепи нет и в них происходит фотофосфорилирование.
Спасибо большое, стало гораздо понятнее
Борис Фагимович, здравствуйте, хотелось бы еще узнать что-нибудь про гликолиз на примере расщепления жиров и аминокислот, в каких случаях они происходят и какие следствия из всего этого. Помогите, пожалуйста, или подскажите литературу, где это можно прочесть.
Здравствуйте, Игорь. Лучшего учебника по биохимии, чем учебник «Биохимия» 1975 г. А.Ленинджера не существовало. В 1985 году вышел 3-х томник А.Ленинджера «Основы биохимии». Все эти книги можно скачать в интернете.