Обеспечение клеток энергией вследствие окисления органических веществ

Клетки растений и фотосинтезирующих бактерий используют энергию солнца для образования АТФ.
Бактерии-хемосинтетики получают энергию вследствие окисления неорганических веществ.
автотрофы
гетеротрофы
организмы
Животные и грибы получают энергию в результате окисления органических соединений. Автотрофы также способны получать энергию благодаря окислению органических веществ. Однако у гетеротрофов эти соединения поступают извне готовыми, а у автотрофов они синтезируются в клетках из неорганических соединений.

Почему при окислении органических соединений освобождается энергия?
Электроны в составе молекул органических веществ обладают большим запасом энергии , поскольку находятся на высоких энергетических уровнях этих молекул. Перемещаясь с высшего на более низкий энергетический уровень электроны освобождают энергию. Конечным акцептором электронов часто служит кислород. В этом и состоит его главная биологическая роль , именно для этой цели аэробам необходим кислород воздуха.
Процессы биологического окисления:
протекают ступенчато;
при участии ферментов и переносчиков электронов;
55% энергии превращается в энергию высокоэнергетических связей АТФ;
45% энергии превращается в тепло .
Глюкоза – один из основных источников энергии для клеток.

ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП
БЕЛКИ
УГЛЕВОДЫ
ЖИРЫ
пищеварительный
канал
АМИНОКИСЛОТЫ
ГЛЮКОЗА
C6 H12 O 6
ГЛИЦЕРИН
ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ
ЦИТОПЛАЗМА
КЛЕТКИ
ПИРОВИНОГРАДНАЯ
КИСЛОТА
2C3H6O3
ГЛИКОЛИЗ (БЕСКИСЛОРОДНЫЙ ЭТАП)
2АТФ + 2НАД۰Н2
2Н2О + ТЕПЛО
КЛЕТОЧНОЕ ДЫХАНИЕ (КИСЛОРОДНЫЙ ЭТАП)
42Н2О + 6СО2 + ТЕПЛО
МИТОХОНДРИИ
36АТФ + 2НАД۰Н2
ИТОГО:
38АТФ + 4НАД۰Н2
Заполни
таблицу

Это путь получения энергии наиболее древний, поскольку на ранних
этапах развития жизни на Земле кислород в атмосфере отсутствовал.
ГЛИКОЛИЗ – процесс ферментативного анаэробного расщепления глюкозы и других органических соединений.
Этот процесс так же называется брожением. Термин «брожение» обычно применяют по отношению к процессам, протекающим в клетках микроорганизмов или растений.
Гликолиз идет в цитоплазме клеток и не связан с какими-либо мембранными системами.
С6Н12О6+ 2АДФ + 2Н3РО4 + 2НАД+  2С3Н4О3 + 2НАД۰ Н2 + 2АТФ + 2Н2О + ТЕПЛО
Большая часть энергии (60%) в реакции гликолиза рассеивается в виде тепла, и только 40% идет на синтез АТФ.
Анаэробное дыхание
Заполни
таблицу

У прокариот клеточное дыхание происходит на впячиваниях
плазматической мембраны, а у эукариот – на мембранах специальных
клеточных органоидов – митохондрий.
Наружная
мембрана
Внутренняя
мембрана
кристы
Клеточное дыхание
матрикс
Митохондрии иногда называют «клеточными электростанциями». В клетке их количество сильно зависит от активности клетки.
Каждая митохондрия окружена двумя мембранами. Внутренняя мембрана сложена в складки, называемые кристами.
Важнейшей функцией митохондрий является синтез АТФ, происходящий за счёт
окисления органических веществ.

СХЕМА БИОЛОГИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ ПИРОВИНОГРАДНОЙ КИСЛОТЫ В МИТОХОНДРИЯХ.
ПВК(2С3Н4О3)
2СО2
АКТИВИЗИРОВАННАЯЯ
УКСУСНАЯ КИСЛОТА
Ацетил-КоА
(2СН3СО-)
Цикл
Кребса
4СО2
4Н
16Н
Q
Е
10НАД+
10НАД۰2Н
ГЛИКОЛИЗ
2НАД ۰ 2Н
ДЫХАТЕЛЬНАЯ
ЦЕПЬ ФЕРМЕНТОВ
Е ~ 24Н
12Н2О
2АТФ
36АТФ
6О2
34АТФ
+
подробнее

Третий этап – биологическое окисление, или дыхание
Этот этап протекает только в присутствии кислорода и иначе называется
кислородным.
Пировиноградная кислота (ПВК) из цитоплазмы поступает в
митохондрии, где теряет молекулу углекислого газа и превращается в
активированную уксусную кислоту (ацетил-коэнзим А, ацетил-КоА),
и НАД•Н2.
В матриксе митохондрий уксусная кислота вступает в сложный цикл
биохимических превращений, который получил название Цикл Кребса.
В результате ряда последовательных реакций происходит отщепление
углекислого газа и окисление – снятие водорода с образующихся
веществ. Углекислый газ, выделяется из митохондрий, а далее из клетки
и организма в процессе дыхания. Весь водород, который снимается
с промежуточных веществ, соединяется с переносчиком НАД+, и
образуется НАД•2Н.
Общее уравнение декарбоксилирования и окисления ПВК:
2С3Н4О3 + 6Н2О + 10НАД+  6СО2 + 10НАД•2Н
Проследим теперь путь молекул НАД•2Н.
Заполни
таблицу

Молекулы НАД•2Н поступают на кристы митохондрий, где расположена дыхательная цепь ферментов. На этой цепи происходит отщепление водорода от переносчика с одновременным снятием электронов. Каждая молекула восстановленного НАД•2Н отдает два водорода и два электрона. Они поступают на дыхательную цепь ферментов, которая состоит из белков – цитохромов. Перемещаясь по этой системе каскадно, электрон теряет энергию. За счет этой энергии в присутствии фермента АТФ-азы синтезируются молекулы АТФ. Одновременно с этими процессами происходит перекачивание ионов водорода через мембрану на наружную её сторону. В процессе окисления 12 молекул НАД•2Н, которые образовались при гликолизе (2молекулы) и в результате реакций в цикле Кребса (10 молекул), синтезируются 36 молекул АТФ.
Конечным акцептором электронов является молекула кислорода, поступающая в митохондрии при дыхании. Атомы кислорода на наружной стороне мембраны принимают электроны и заряжаются отрицательно. Положительные ионы водорода соединяются с отрицательно заряженным кислородом, и образуются молекулы воды.
2 С3Н4О3 + 4Н + 6О2  6СО2 + 6Н2О
36АДФ  36АТФ

Пировиноградная
кислота (ПВК)
СН3СОСООН
Спиртовое
брожение
Молочно-кислое
брожение
БРОЖЕНИЕ – один из способов использования живыми организмами
углеводов. В зависимости от конечного продукта реакции различают
несколько видов брожения.
Пропионово-кислое
брожение
Муравьино-кислое
брожение
Масляно-кислое
брожение
Недостатком процессов брожения является извлечением незначительной
доли той энергии, которая заключена в связях органических молекул.
Для многих одноклеточных и многоклеточных
(особенно ведущих паразитический образ жизни)этого вполне достаточно.

Спиртовое брожение
Дрожжи — мельчайшие
одноклеточные грибы.
Их размеры сравнимы
с размерами бактерий.
С6Н12О6  2СО2 + 2С2Н5ОН (ЭТИЛОВЫЙ СПИРТ)
Среди прокариот этот тип брожения распространен не очень широко, наиболее часто он встречается в группе дрожжей.
Важно подчеркнуть, что дрожжи – эукариотические организмы и аэробы, но в анаэробных условиях брожение идет наиболее эффективно. Если добавить кислород, то брожение ослабнет.
Этот эффект был обнаружен Л. Пастером при исследовании способов изготовления вина и пива. Он же изобрел способ остановки превращения спирта в уксус уксуснокислыми бактериями – пастеризацию
(нагревание вина или пива до 65-70оС). При этом бактерии гибнут, и уксус не образуется.
Спиртовое брожение происходит у хвойных растений зимой, когда устьица хвои закупориваются смолой, и газообмен с внешней средой прекращается.

Молочнокислое брожение
С6Н12О6  2С3Н6О3 (молочная кислота)
Молочнокислые бактерии (лактобактерии) относятся к группе стрептококков. Это анаэробные организмы, которые могут жить и в присутствии кислорода тоже. Лактобактерии живут в молоке и продуктах его переработки, на растениях и растительных остатках, в кишечнике и на слизистых оболочках человека и животных; практически не встречаются в почве и воде. Более 90% продуктов брожения этих бактерий составляет молочная кислота.
Молочнокислые бактерии используются человеком в его хозяйственной деятельности. Запасание корма для скота (изготовление силоса), квашение капусты, изготовление различных кисломолочных продуктов: сметаны, йогурта, кефира, простокваши, творога, кумыса и тд.
Молочнокислые бактерии предотвращают развитие гнилостных процессов в кишечнике, и поэтому употребление молочнокислых продуктов очень полезно для здоровья.
У человека накопление молочной кислоты путем брожения в мышечных клетках происходит при интенсивной физической нагрузке.
Кроме того, хрусталик и роговица глаза человека слабо снабжается кровью, поэтому и окислительный метаболизм
выражен незначительно, а энергия в основном образуется при сбраживании глюкозы до молочной кислоты.

Пропионовокислое брожение
Пропионовая кислота, как конечный продукт данного брожения, образуется из молочной.
Большинство этих бактерий – жесткие анаэробы, которые не выдерживают присутствия кислорода.
У человека пропионовокислые бактерии вызывают воспаление волосяных фолликулов, что приводит к образованию угрей.
Муравьинокислое брожение
У представителей группы энтеробактерий конечным продуктом брожения муравьиная кислота СН2О2,, которая часто распадается на водород и углекислый газ. Поэтому эти бактерии часто называют газообразующими.
Они исключительно нетребовательны к источникам питания. Наиболее типичным представителем этих бактерий служит кишечная палочка – обычный обитатель кишечника и животных.
К этой группе микроорганизмов также принадлежат бактерии, вызывающие очень опасные заболевания человека: возбудитель тифа, холерный вибрион, чумная палочка.