цикл кребса какой этап энергетического обмена
Энергетический обмен
Обмен веществ
Энергетический обмен
Возможно три этапа диссимиляции: подготовительный, анаэробный и аэробный. Среда обитания определяет количество этапов диссимиляции. Их может быть три, если организм обитает в кислородной среде, и два, если речь идет об организме, обитающем в бескислородной среде (к примеру, в кишечнике).
Подготовительный этап осуществляется ферментами в ЖКТ. В результате действия ферментов сложные вещества превращаются в более простые: полимеры распадаются на мономеры. Это сопровождается разрывом химических связей и выделением энергии, большая часть которой рассеивается в виде тепла.
Этот этап является последним для организмов-анаэробов, обитающих в условиях, где кислород отсутствует. На этапе гликолиза происходит расщепление молекулы глюкозы: образуется 2 молекулы АТФ и 2 молекулы пировиноградной кислоты (ПВК). Происходит данный этап в цитоплазме клеток.
Таким образом, суммарно с одной молекулы глюкозы можно получить 38 АТФ (гликолиз + кислородный этап).
Кислородный этап протекает на кристах митохондрий (складках, выпячиваниях внутренней мембраны), где наибольшая концентрация окислительных ферментов. Главную роль в этом процессе играет так называемый цикл Кребса, который подробно изучает биохимия.
Пластический обмен
АТФ является универсальным источником энергии в клетке: энергия макроэргических связей АТФ используется для реакций пластического обмена (ассимиляции), протекающих с затратой энергии: синтеза белка на рибосоме (трансляции), удвоению ДНК (репликации) и т.д.
В результате пластического обмена в нашем организме происходит синтез белков, жиров и углеводов.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Энергетический обмен
Этапы энергетического обмена
Энергетический обмен состоит из трех этапов: подготовительного, бескислородного (гликолиз, анаэробное дыхание) и кислородного (аэробное дыхание). У многих многоклеточных животных связан с пищеварительной, дыхательной и кровеносной системами.
Подготовительный этап энергетического обмена
Происходит в цитоплазме клеток всех организмов, в желудочно-кишечном тракте у большинства многоклеточных животных и человека. Под действием ферментов большие органические молекулы расщепляются на мономеры. Эти процессы происходят с выделением незначительного количества энергии, которое рассеивается в виде тепла.
Бескислородный (анаэробный) этап энергетического обмена
Происходит в клетках, всегда предшествует аэробному у большинства организмов (способных использовать кислород).
Анаэробное расщепление – это простейшая известная форма образования и аккумулирования энергии в макроэргических связях молекул АТФ. Суть его состоит в расщеплении молекулы глюкозы преимущественно путем гликолиза на две молекулы пировиноградной или молочной кислоты (особенно в мышечных клетках). Две молекулы пировиноградной кислоты (С3Н403) при определенных условиях могут восстанавливаться до молочной (С3Н603). Суммарное уравнение гликолиза:
Во время гликолиза выделяется около 200 кДж энергии, часть которой расходуется на синтез двух молекул АТФ (84 кдж), а часть рассеивается в виде тепла (116 кДж).
Процесс гликолиза энергетически малоэффективный, так как в макроэргических связях АТФ аккумулируется лишь 35-40 % энергии. Это связано с тем, что не происходит полного распада веществ. Конечные продукты гликолиза еще содержат в себе много энергии в химических связях.
Гликолиз имеет чрезвычайно большое физиологическое значение, несмотря на его низкую эффективность. В условиях дефицита кислорода организм благодаря гликолизу может получать энергию. И вдобавок конечные продукты – пировиноградная и молочная кислоты – в аэробных условиях подвергаются дальнейшему ферментативному расщеплению.
Некоторые микроорганизмы и беспозвоночные животные (преимущественно паразиты) являются анаэробами и не могут использовать кислород. Им присущ лишь анаэробный энергетический обмен.
Существует несколько типов преобразования глюкозы, органических соединений без доступа кислорода с аккумуляцией энергии в виде АТФ, которые называются брожением. Известны спиртовое брожение (у некоторых дрожжей и бактерий с образованием спирта), маслянокислое (с образованием масляной кислоты), молочнокислое (у молочнокислых бактерий с образованием молочной кислоты) и т. п.
Суммарное уравнение спиртового брожения:
Кислородный этап энергетического обмена (аэробное дыхание)
Происходит в митохондриях. Органические соединения, которые образовались в бескислородном этапе, окисляются до конечных продуктов (углекислого газа и воды). Соединения окисляются с отщеплением от них водорода. С помощью веществ-переносчиков он передается кислороду с образованием воды. Этот процесс называется тканевым дыханием. При этом выделяется большое количество энергии, которое аккумулируется в связях АТФ. В кислородном этапе можно выделить реакции цикла Кребса и те, что протекают на дыхательной цепи.
Цикл Кребса
В 1937 году английский биохимик X. Кребс открыл этот процесс. Происходит в матриксе митохондрий.
Начинается с реакции продукта гликолиза – пировиноградной кислоты с щавлевоуксусной. При этом образуется лимонная кислота, которая после целого ряда преобразований на другие кислоты, снова становится щавлевоуксусной. Щавлевоуксусная кислота снова вступает в реакцию с пировиноградной.
Во время реакций цикла Кребса образуются 4 пары атомов водорода и 2 молекулы углекислого газа. Углекислый газ выводится из клетки.
Дыхательная цепь
Организация дыхательной цепи
Протекает на внутренних мембранах митохондрий, где расположен ряд ферментов в определенной последовательности (дыхательная цепь). Атомы водорода попадают на мембраны митохондрий. Через ряд этапов происходит с их помощью восстановление АТФ.
Возникает разница электрических потенциалов, концентраций ионов водорода по разные стороны внутренней мембраны.
АДФ и фосфорная кислота восстанавливают АТФ с помощью особой ферментной системы, которая использует для этого разницу электрических потенциалов, различие концентраций ионов водорода. Эта ферментная система переводит ионы водорода на внутреннюю поверхность внутренней мембраны с внешней поверхности. Процесс образования АТФ из АДФ и фосфорной кислоты называется окислительным фосфорилированием. Процесс перенесения электрона по дыхательной цепи митохондрий имеет название сопряжение окисления.
При окислении двух молекул молочной кислоты выделяется энергия, которая обеспечивает образование 36 молекул АТФ:
Суммарное уравнение энергетического обмена:
Выделяется почти 2,8 тыс. кДж энергии. 1596 кДж (55 %) – запасается в виде макроэргических связей АТФ. Оставшиеся (45 %) рассеиваются в виде тепла.
Экскреция
Экскреция — это выделение из организма продуктов обмена веществ, особенно азотосодержащих соединений (белков и т. п.). Жиры и углеводы расщепляются на воду и углекислый газ.
Аммиак выделяют прокариоты, растения и большинство водных животных. Он хорошо растворяется в воде.
Мочевую кислоту выделяет большинство наземных животных: насекомые, пресмыкающие, птицы. Она плохо растворяется в воде.
Гуанин выделяют паукообразные, частично – птицы.
Этапы энергетического обмена
Как устроен живой организм, в чем суть энергетического обмена? Узнаем, что такое синтез, катаболизм, и какие ученые одновременно открыли молекулу АТФ. А для самых внимательных – тест в конце статьи.
Живой организм построен из клеток. А некоторые, например, амеба или инфузория, состоят из одной клетки. Сложные многоклеточные особи представлены сочетаниями клеток, которые образуют различные системы организма: дыхательную или пищеварительную. Весь организм пронизан клетками нервной ткани, которые обеспечивают регуляцию и управление макроорганизмом.
Живая клетка от неживой отличается тем, что в ней постоянно и непрерывно протекает два разнонаправленных процесса:
В живых особях баланс между ассимиляцией и диссимиляцией поддерживается не всегда. Если наблюдать за жизнью организма, можно заметить, что сначала тело становится больше по размерам, крепче и выносливее. Чем старше становится организм, тем меньше заметен рост, а в старости начинают преобладать процессы распада, организм не успевает восстанавливаться и погибает.
Чтобы машина ехала, ей нужен бензин. А бензин делают из нефти. Чтобы макроорганизм существовал, ему нужна энергия. В учебниках биологии часто можно встретить фразу глюкоза — ресурс энергии для клетки. Это так. Но глюкоза — как нефть для автомобиля. Поэтому сначала глюкозу нужно превратить в бензин. И таким бензином для клетки будет молекула АТФ.
Молекула АТФ известна миру довольно давно. Через десять лет, в 2029 году отпразднует сто лет со дня открытия вещество, благодаря которому в живой клетке поддерживается упорядоченность структур и она может противостоять хаосу и растущей энтропии (почему так происходит, подробно рассказано на странице 30 учебника «Естествознание 11 класс» под редакцией Титова С.А.).
В 1929 году, практически одновременно, сотрудники Института биологии кайзера Вильгельма в Берлине Карл Ломан и Отто Мейергоф и ученые Гарвардской Медицинской школы Сайрус Фиске и Йеллапрагад Суббарао в Гарвардской Медицинской школе опубликовали работы, в которых описали молекулу АТФ.
В 30 годах ХХ века в лаборатории Мейергофа появился молодой ученый, Фриц Липман, который заинтересовался энергетическими аспектами клеточного метаболизма, и в 1941 году талантливый биохимик доказал, что АТФ – основной двигатель энергетических реакций в живой клетке. А в 1953 году его вклад в физиологию совместно с Х. Кребсом был удостоен Нобелевской премии.
АТФ — аденозинтрифосфат, нуклеотид, глобальный ресурс энергии для сложных реакций обмена веществ, происходящих в клетках организма. Схематично молекула АТФ представлена на странице 99 учебника «Естествознание 11 класс» под редакцией Титова С.А..
Вся суть энергетического обмена сводится к решению задачи, как энергию из сложных молекул пищи превратить в молекулу АТФ. В процессе эволюции эта задача была решена.
Так как же булочка из Макдональдса превращается в энергию макроэргических связей АТФ?
В энергетическом обмене выделяют несколько процессов, разделенных не только временем, но и протекающих в различных частях клетки:
Подготовительный этап у человека и других многоклеточных макроорганизмов начинается в ротовой полости, продолжается в желудочно-кишечном тракте и представляет собой многоступенчатый процесс распада сложных полимеров белков, жиров и углеводов пищи до мономеров.
Из курса химии помним, что во время разрыва связей элементов выделяется энергия. Для образования аденозинтрифосфата этой энергии недостаточно, и она вся уходит во внешнюю среду.
Что же происходит у простых одноклеточных организмов, у которых нет ротиков и животиков? Пища, захваченная одноклеточным организмом, попадает в пищеварительную вакуоль или лизосому, где при помощи ферментов-катализаторов, способствующих пищеварению, протекает начальный этап диссимиляции.
Подготовленные во время предварительного этапа вещества переходят во второй бескислородный этап энергетического обмена, который называется гликолиз.
Два греческих слова (гликос – «сладкий» и лизис – «расщеплять») дали название второй бескислородной фазе энергетического обмена — глико́лизу.
Гликолиз является цепочкой из 10 биохимических превращений, итогом которых является трансформация стабильной молекулы глюкозы в трехуглеродные молекулы пирувата, – или пировиноградной кислоты.
Глюкоза всасывается в желудочно-кишечном тракте, попадает в кровоток, током крови разносится ко всем тканям и клеткам организма, и благодаря белку-переносчику инсулину попадает в клетку.
Цитоплазма отдельной клетки – место осуществления реакций гликолиза. Энергии при этом выделяется совсем немного. Ее хватает лишь на формирование 2-х молекул АТФ. Казалось бы, энергия получена, и процесс может остановиться. Так и происходит у некоторых бактерий. Но никакому нормальному многоклеточному организму таких запасов АТФ не хватит. В пировиноградной кислоте остался еще достаточный запас энергии, которую тоже хотелось бы использовать макроорганизму.
У многоклеточных тел пируват переходит в третью фазу диссимиляции — клеточное дыхание в митохондриях. Дыханием процесс называется, поскольку в ходе химических реакций в митохондриях происходит потребление кислорода и выделение углекислого газа в цитоплазму клетки, а дальше, с помощью кровообращения и дыхания, – во внешнюю среду.
Клеточное дыхание представлено двумя этапами:
Итогом кислородного этапа энергетического обмена является выделение количества энергии, достаточного для образования 36 молекул АТФ, воды и СО2. При этом нужно помнить, что аденозинтрифосфат содержит три остатка фосфата, а макроэргических связей образуется только две. Суммарное уравнение биохимических реакций, протекающих в третьей фазе диссимиляции, можно записать так:
В итоге этих реакций происходит накопление огромного количества энергии — 36 молекул аденозинтрифосфата против 2-х, что запасаются в процессе гликолиза. Однако поскольку эта фаза требует кислорода для своих реакций, в бескислородной среде процесс протекать не может.
При дефиците кислорода пируват окисляется до лактата. Именно ему принадлежит ощущение приятной боли после хорошей тренировки. У хорошо тренированных людей с активным кровоснабжением и хорошо развитой сетью капилляров нужно затратить большую физическую нагрузку перед тем, как начнет накапливаться молочная кислота.
Вспомним, что еще 2 молекулы аденозинтрифосфата накапливаются на этапе гликолиза. Таким образом, при распаде одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.
На портале LECTA В параграфе 22 учебника «Естествознание 11 класс» под редакцией Титова С.А. внимательные ученики найдут ответ на вопрос, почему цианистый калий – любимое средство убийц в детективных романах.
Цикл кребса какой этап энергетического обмена
Что характерно для кислородного этапа энергетического процесса?
1) протекает в цитоплазме клетки
2) образуются молекулы ПВК
3) встречается у всех известных организмов
4) протекает процесс в матриксе митохондрий
5) наблюдается высокий выход молекул АТФ
6) имеются циклические реакции
1 ЭТАП (подготовительный):
1) происходит в ЖКТ и лизосомах (вторичных лизосомах – пищеварительных вакуолях);
2) происходит гидролиз: высокомолекулярные соединения (полисахариды, белки, липиды) расщепляются до низкомолекулярных (моносахаридов (глюкозы), аминокислот, глицерин и жирных кислот);
3) энергия не запасается, а рассеивается в виде тепла.
2 ЭТАП (бескислородный, или анаэробный):
1) происходит в гиалоплазме (цитоплазме);
2) происходит гликолиз: бескислородное расщепление молекулы глюкозы до 2 молекул пировиноградной кислоты (ПВК);
3) запасается 2 молекулы АТФ.
3 ЭТАП (кислородный, или аэробный):
1) происходит в митохондриях;
2) в матриксе происходит окисление органических веществ (ПВК) до углекислого газа и воды (цикл Кребса, или цикл трикарбоновых кислот, или цикл лимонной кислоты), на кристах – окислительное фосфорилирование (синтез АТФ);
3) синтезируется более 30 молекул АТФ (в ЕГЭ обычно указывают 36 АТФ, по другим источникам – меньше).
(1) протекает в цитоплазме клетки — бескислородный этап энергетического обмена;
(2) образуются молекулы ПВК — бескислородный этап энергетического обмена;
(3) встречается у всех известных организмов — бескислородный этап энергетического обмена (характерен и для анаэробов, и для аэробов);
(5) наблюдается высокий выход молекул АТФ — кислородный этап энергетического обмена;
(6) имеются циклические реакции — кислородный этап энергетического обмена.
История изучения
Биологическая роль некоторых реакций цикла Кребса (ЦК) была изучена американским биохимиком венгерского происхождения Альбертом Сент-Дьердьи. В частности, он выделил ключевой компонент ЦТК — фумарат. Исследования в этом направлении продолжил Ганс Кребс. В итоге он установил всю последовательность реакций и соединений, образующиеся на всех этапах процесса. Ученый не смог определить, с преобразования какой кислоты начинается цикл — лимонной или изолимонной. Сейчас известно, что это лимонная кислота. Поэтому ЦК называют также цитратным или циклом лимонной кислоты.
Позднее американец Альберт Ленинджер, занимающийся биоэнергетикой, определил, что все реакции ЦК протекают в митохондриях клеток. С получением доступа к изотопам углерода появилась возможность более досконального изучения и уточнения данных о промежуточных соединениях на разных этапах цикла.
Метаболизм веществ
С пищей в организм поступают три основные группы сложных биохимических соединений — белки, жиры и углеводы. Они являются первичными метаболитами, потому что участвуют в обмене веществ или в метаболизме. Этот процесс происходит между любыми живыми клетками и окружающей средой непрерывно. Суть цикла Кребса заключается в том, что он является областью схождения двух путей метаболизма. Это следующие процессы:
После попадания в пищеварительную систему сложные вещества расщепляются под действием ферментов на более простые, которые внутри клеток превращаются сначала в пируват (пировиноградную кислоту), а затем — в ацетильный остаток. Все эти преобразования можно назвать подготовкой к ЦК, а образование остатка — его запуском или начальным этапом.
Дальнейшие стадии цикла трикарбоновых кислот являются частью катаболизма. Процесс идет каскадно. Каждый предыдущий этап запускает последующий, а промежуточные продукты химических реакций служат не только для продолжения цикла, но и при определенных потребностях организма могут пополнять запасы веществ, необходимых для синтеза новых соединений (анаболизма).
Клеточное дыхание
Для нормальной жизнедеятельности живым клеткам постоянно требуется энергия. Ее главный универсальный источник — аденозинтрифосфат (АТФ), способный встраиваться в белки организма напрямую. Это соединение получается в результате ряда реакций окисления, носящих общее название «клеточное дыхание». При этом происходит постепенный распад органических веществ вплоть до простейших неорганических — углекислого газа CO2 и воды H2O.
Структурное строение молекул АТФ содержит фосфорангидридные связи, которые имеют свойство накапливать высвобожденную при прохождении реакций клеточного дыхания энергию, поэтому называются макроэргическими. Так создаются энергетические запасы клеток, которые могут высвобождается при необходимости разрывом этих связей. Процесс синтеза АТФ и класса вспомогательных соединений включает три этапа:
Преобразование аденозиндифосфата (АДФ) в АТФ характерно для всех этапов. Но наибольшее суммарное количество молекул с макроэргическими связями образуется при фосфорилировании. Это не значит, что процессы гликолиза и ЦК менее важны. Многие соединения, образующиеся во время их протекания, участвуют в регуляции клеточного дыхания.
Описание процесса
Протекание ЦК достаточно экономно с точки зрения энергозатрат. Такой эффект достигается благодаря тому, что он связывает два метаболических направления. В процесс вовлекаются вещества, подлежащие утилизации, которые либо служат энергетическим «топливом», либо возвращаются в круг анаболизма. Подготовительная стадия ЦК заключается в распаде глюкозы, аминокислот и жирных кислот на молекулы пирувата или лактата.
Органеллы митохондрий способны преобразовывать пируват в ацетильный остаток (ацетил-коэнзим А или ацетил-КоА), представляющий собой вместе с тиольной группой, которая может его переносить, кофермент А. Некоторое соединения могут сразу распадаться до ацетил-КоА, минуя стадию пирувата. При этом пировиноградная кислота может вовлекаться непосредственно в ЦК, не преобразуясь в ацетил-КоА.
Начальные этапы
Первая стадия необратима и состоит из конденсации ацетил-КоА с четырехуглеродным веществом — оксалоацетатом (щавелевоуксусной кислотой или ЩУК), что приводит к образованию шестиуглеродного цитрата (лимонной кислоты). Во время реакции метильная группа ацетил-КоА соединяется с карбонильной группой ЩУК. Благодаря быстрому гидролизу промежуточного соединения цитроил-КоА этот этап проходит без затрат энергии извне.
На второй стадии образуется изоцитрат (изолимонная кислота) из цитрата через цис-аконитат. Это реакция обратимой изомеризации через образование промежуточной трикарбоновой кислоты, в которой катализатором выступает фермент аконитатгидратаза.
Далее происходит дегидрирование и декарбоксилирование изоцитрата до промежуточного соединения оксалосукцинат с выделением углекислого газа. После декарбоксилирования оксалосукцината образуется енольное соединение, которое перестраивается и превращается в пятиуглеродную кислоту — α-кетоглутарат (оксоглутарата), чем и завершает третью ступень ЦК. Четвертый этап — α-кетоглутарат декарбоксилирует и реагирует с ацетил-КоА. При этом получается сукцинил-КоА, соединение янтарной кислоты и коэнзима-А, выделяется СО2.
Замыкание цикла
На пятой стадии сукцинил-КоА преобразуется в сукцинат (янтарную кислоту). Для этого этапа характерно субстратное фосфолирование, подобное синтезу АТФ при гликолизе. Введение в ЦК фосфорной группы РО3 становится возможным благодаря присутствию фермента ГДФ (гуанозиндифосфата) или АДФ (аденозиндифосфата), которые в процессе синтеза сукцината из дифосфатов становятся трифосфатами.
Начиная с шестой стадии, цикл начинает постепенно замыкаться. Сначала сукцинат под действием каталитического фермента сукцинатдегидрогеназы дегидрирует до фумарата. Дальнейшее дигидрирование приводит к седьмому этапу — образованию L-малата (яблочной кислоты) из фуратата через переходное соединение с карбанионом.
Последняя реакция цикла трикарбоновых кислот малат окисляется до щавелевоуксусной кислоты. Первая стадия следующего ЦК начинается с новой молекулы ацетил-КоА.
Значение и функции
Этот восьмиэтапный циклический процесс, итогом которого является окисление ацетильного остатка до углекислого газа, может показаться излишне сложным. Тем не менее, он имеет огромное значение в метаболизме промежуточных реакций и выполняет ряд функций. К ним относятся:
Цикл Кребса участвуют в катаболизме жиров и углеводов. Соединения, образующиеся на разных стадиях процесса, участвуют в синтезе многих необходимых для организма веществ — глутамина, порфиринов, глицина, фенилаланина, цистеина и других. Когда промежуточные продукты покидают ЦК для участия в синтезе, происходит их замещение с помощью так называемых анаплеротических реакций, которые катализируются регуляторными ферментами, например, пируваткарбоксилазой.
Транспортная функция ЦК заключается в содействии гликолизу. Глюкозу невозможно превратить сразу в АТФ, поэтому механизм гликолиза действует поэтапно и сопровождается постоянным перемещением атомов и катионов водорода от одних соединений к другим. Для их транспортировки нужны специальные соединения, которые получаются на одной из стадий ЦТК. Участвующие в гликолизе коферменты цикла Кребса:
Реакции ЦК имеют и большое клиническое значение. Хотя для людей не свойственны мутации, связанные с генами ферментов, участвующих в цикле, однако их редкие проявления губительны для здоровья. Они могут приводить к опухолям мышц и почек, нарушениям работы нервной системы.
Существует множество видов визуального и слухового отображения цикла Кребса — схемы с формулами, уравнения химических реакций, разнообразные таблицы и даже мнемонические способы для полного запоминания его главных «участников».