15. Поток вещества и энергии в клетке
а) Анаболизм и катаболизм.
Анаболизм — совокупность метаболических реакций, ведущих к образованию (синтезу) веществ и сопровождающихся потреблением энергии. В основе лежит ассимиляция.
Катаболизм — совокупность метаболических реакций, ведущих к расщеплению сложных молекул, клеточных структур до простых веществ. Сопровождается образованием энергии. В основе лежит диссимиляция.
б) Обмен веществ и энергией у аутотрофов. Фотосинтез: биологическая роль, фазы и их характеристика.
Автотрофы (autos – сам, trophe – пища: самопитающиеся) – это организмы, которые способны синтезировать органические соединения из неорганических.
Классификация автотроф:
1) Фотосинтезирующие (фототрофы) – используют световую энергию. Это растения, в листьях которых осуществляется фотосинтез.
2) Хемосинтезирующие (хемотрофы) – микроорганизмы, нитрифицирующие серобактерии и железобактерии. Свободный азот усиливают азотофиксирующие бактерии.
Фотосинтез — процесс образования органических соединений из неорганических при участии энергии света.
Центральная роль в нём принадлежит пигменту хлорофиллу, находящемуся в специальных органоидах растительных клеток – хлоропластах.
Фотосинтез включает две фазы:
1) Световая фаза. Начинается с освещения хлоропласта видимым светом. Фотон света попав в молекулу хлорофилла приводит её в возбуждённое состояние. Энергия солнечного излучения инициирует три процесса:
1. образование молекулярного кислорода в результате разложения воды;
2. синтез АТФ (фотофосфорилирование);
3. образование атомарного водорода.
2) Темновая фаза (цикл Кальвина). В темновую фазу происходит фиксация углерода из атмосферы.
Суммарное уравнение реакции фотосинтеза:
в) Энергетический обмен у аэробов, его характеристика и биоэнергетика.
Важную роль в обеспечении энергетических потребностей организма играют углеводы. Процесс окисления глюкозы называется гликолизом.
Окисление глюкозы без участия кислорода называется анаэробным гликолизом, при участии кислорода – аэробным гликолизом.
Аэробный гликолиз представляет собой множество отдельных ферментативных реакций и служит важным источником энергообеспечения у аэробных организмов. Данный процесс включает два основных этапа: бескислородный этап и кислородный этап или цикл Кребса.
При аэробном окислении процесс расщепления углеводов выражается следующим суммарным уравнением:
С6Н12О6 (глюкоза) + 38АДФ + 38Ф + 6О2 → 38АТФ + 6СО2 + 44Н2О
Таким образом, аэробный гликолиз является более энергетически эффективным процессом, так как при окислении 1 молекулы глюкозы образуется 2850 кДж/ моль энергии (38 молекул АТФ).
г) Энергетический обмен у анаэробов, его характеристика и биоэнергетика.
Анаэробный гликолиз служит основным источником энергообеспечения у анаэробных организмов или в случае недостатка кислорода у аэробов (мышечные клетки при работе; в эритроцитах).
Процесс анаэробного гликолиза включает два этапа: бескислородный этап (соответствует первому этапу аэробного гликолиза) и брожение.
Таким образом, анаэробный гликолиз является энергетически малоэффективным – образуется лишь 2 молекулы АТФ (150 кДж/моль).
д) Значение АТФ в энергетическом обмене. Химический состав и биоэнергетическая характеристика.
По химической структуре АТФ является нуклеотидом, и, как у всякого нуклеотида, в ней имеются азотистое основание (аденин), углевод (рибоза) и фосфорная кислота. Однако в части, содержащей фосфорную кислоту, молекула АТФ имеет существенные отличия от обычных нуклеотидов. У нее в этой части сконденсированы три молекулы фосфорной кислоты. Это очень неустойчивая структура. Самопроизвольно и значительно быстрее под влиянием фермента в АТФ разрывается связь между Р и О и к освободившимся связям присоединяется одна или две молекулы воды, при чем отщепляется одна или две молекулы фосфорной кислоты. Если отщепляется одна молекула фосфорной кислоты, то АТФ переходит в АДФ, т.е. в аденозиндифосфорную кислоту. Если отщепляются две молекулы фосфорной кислоты, то АТФ переходит в АМФ, т. е. в аденозинмонофосфорную кислоту. Реакция отщепления каждой молекулы фосфорной кислоты от АТФ сопровождается большим энергетическим эффектом, а именно на отщепление одной грамм-молекулы фосфорной кислоты затрачивается 30,6 кДж/моль (7,3 ккал/моль). Все другие экзотермические реакции клетки сопровождаются значительно меньшим выходом энергии. Самые эффективные из них дают не более 8 кДж. Чтобы подчеркнуть такую особенно высокую энергетическую эффективность фосфорнокислородной связи в АТФ, ее называют макроэргической связью и наличие такой связи обозначают знаком ~. В АТФ имеются две макроэргические связи.
Значение АТФ в жизни клетки очень велико. Она играет центральную роль в клеточных превращениях энергии. АТФ в реакциях, как правило, теряет одну молекулу фосфорной кислоты и переходит при этом в АДФ. Из АДФ путем присоединения фосфорной кислоты снова синтезируется АТФ. Понятно, что эта реакция идет с поглощением энергии 40 кДж/моль (10 ккал/моль).