Обеспечение клеток энергией

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. Эти соединения поступают извне готовыми.

донор
акцептор
энергия

С6Н12О6
Крахмал
Гликоген
Субстраты для дыхания

Первый этап — подготовительный
Подготовительный этап заключается в распаде крупных органических молекул до более простых:
У многоклеточных организмов он осуществляется в желудочно-кишечном тракте с помощью пищеварительных ферментов. У одноклеточных организмов — происходит под действием ферментов лизосом.
В ходе биохимических реакций, происходящих на этом этапе, энергии выделяется мало, она рассеивается в виде тепла, и АТФ не образуется.

Глюкоза
Полисахариды
2 ПВК
Гликолиз – бескислородный этап
к л е т к а
10 реакций
(пируват)
гликолиз

Глюкоза
2 ПВК
Гликолиз
к л е т к а
10 реакций
(пируват)
гликолиз
2 АТФ
2 НАД·Н

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+2НАД۰Н2+2АТФ+2Н2О+
ТЕПЛО
Большая часть энергии (60%) в реакции гликолиза рассеивается в виде тепла, и только 40% идет на синтез АТФ.
Анаэробное дыхание

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

Аэробный этап
О2
Митохон-дрия
2 ПВК
гликолиз
к л е т к а
Глюкоза

Аэробное дыхание
Дегидрогеназа
декарбоксилаза

Витамин В3

О2
Митохондрия
ПВК
Цикл Кребса
Ацетил-КоА
переносчики Е
АТФ
Аэробный этап

В цикле Кребса ВСЕ АТОМЫ УГЛЕРОДА, оставшиеся от глюкозы, окисляются до СО2
Но основная масса АТФ еще не образовалась!
И кислород еще в реакции не вступал!

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 производное уксусной кислоты (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.

лимонная
кислота
ЩУК
Цикл
Кребса
НАД
НАД
НАД
НАД Н
НАД Н
НАД Н
ФАД Н2
ФАД
ГДФ
ГТФ
АДФ
АТФ
изо-
лимонная
кислота
α−кето-
глута-
ровая
кислота
янтарная
кислота
фумаро-
вая
кислота
яблоч-
ная
кислота
КоА
сукци-
нил-
КоА
ацетил-КоА
10 реакций

В результате работы цикла Кребса:
- Выделяется 2 СО2
4 пары атомов Н
Биологическое значение цикла Кребса:
Синтез АТФ
Образование НАД*Н
Промежуточные продукты используются для биосинтеза

е
НАДН
НАД+
е
О2
Н+
Н+
Н+
Н+ Н+ Н+ Н+ Н+ Н+ Н+ Н+ Н+ Н+ Н+
Н2О
Н+

РАБОТА
ЭНЕРГИЯ
Можно запасти в АТФ !

H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+

АТФ-синтаза

Последний шаг к АТФ – цепь переноса электронов на внутренней мембране МХ
Цикл Кребса
НАД·Н ФАД·Н2
О2

Цикл Кребса
НАД·Н ФАД·Н2
Энергия этих электронов позволяет накачивать
протоны против градиента
О2
АТФ-синтаза синтезирует АТФ
АТФ
1. Цепь переноса электронов
2. Окислительное фосфорилирование

Жиры
Белки
Углеводы
АТФ
Глицерин
Жирные
кислоты
Амино-кислоты
Сахара
Ацетил-Ко А

Глюкоза
Ацетил-Ко А
2ПВК
2 АТФ
2 АТФ
Цикл Кребса
СО2
Н
Дыхательная цепь
34 АТФ
38 АТФ
1/2О2
Н2О
СО2

Энергетический выход

ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП
БЕЛКИ
УГЛЕВОДЫ
ЖИРЫ
пищеварительный
канал
АМИНОКИСЛОТЫ
ГЛЮКОЗА
C6 H12 O 6
ГЛИЦЕРИН
ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ
ЦИТОПЛАЗМА
КЛЕТКИ
ПИРОВИНОГРАДНАЯ
КИСЛОТА
2C3H4O3
ГЛИКОЛИЗ (БЕСКИСЛОРОДНЫЙ ЭТАП)
2АТФ + 2НАД۰Н2
2Н2О + ТЕПЛО
КЛЕТОЧНОЕ ДЫХАНИЕ (КИСЛОРОДНЫЙ ЭТАП)
42Н2О + 6СО2 + ТЕПЛО
МИТОХОНДРИИ
36АТФ + 2НАД۰Н2
ИТОГО:
38АТФ + 4НАД۰Н2

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.