Энергетический обмен Супрун З.М. МОУ школа 5 г. Ивантеевка

Энергетический обмен Гетеротрофное питание. Большинство животных и насекомоядные растения используют голозойный способ питания, состоящий из нескольких этапов, 1. Поглощение пищи (потребление сложных органических соединений). 2. Переваривание (расщепление больших, сложных, нерастворимых молекул органических соединений и превращение их в небольшие, растворимые молекулы, способные к диффузии).

3. Всасывание (всосавшиеся питательные вещества либо сразу поступают в клетку, либо вначале попадают в кровеносное русло и с кровью транспортируются к клеткам соответствующих участков тела). 4. Ассимиляция. Использование организмом всосавшихся молекул для получения энергии или для пластических нужд. 5. Экскреция. Удаление из организма непереваренных остатков пищи.

Где в клетке происходит процесс окисления органических веществ? Вспомним какое строение имеют митохондрии? Органические вещества клетки: Рассматривая энергетический обмен, какие вещества нас интересуют? Почему? Углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты, АТФ. Углеводы, АТФ.

В первую очередь для расщепления используются углеводы. Жиры вовлекаются в обмен тогда, когда исчерпан запас углеводов. Белки вовлекаются в обмен после израсходования всех запасов углеводов и жиров (после длительного голодания). Вся энергия, выделяющаяся при этом, рассеивается в виде тепла.

Одним из основных источников энергии для всех клеток является глюкоза. У растений в результате полимеризации из глюкозы образуется крахмал, а в клетках животных гликоген. Биологическое окисление органических веществ в клетках ведет к образованию Н 2 О и СО 2. Процесс протекает ступенчато при участии ряда ферментов и переносчиков е.

Энергетический обмен

1-й этап подготовительный. На первом этапе происходит гидролитическое расщепление органических веществ, идущее при участии воды. Оно протекает под действием ферментов в пищеварительном тракте многоклеточных животных, в пищеварительных вакуолях одноклеточных, а на клеточном уровне в лизосомах. (строение и функции лизосом)

Реакции подготовительного этапа: Полисахариды птиалин глюкоза + Q. жиры + Н 2 О липаза глицерин + высшие жирные кислоты + Q; белки + Н 2 О пептидгидролаз (пепсина, трипсина, химотрипсина) аминокислоты + Q; желудок 12-типерстная кишка ротовая полость

Глюкоза Аминокислоты Глицерин + высшие жирные кислоты кровь Клетка В лизосому В цитоплазму Клетка

Второй этап бескислородное окисление или гликолиз или (анаэробное дыхание). Гликолиз - последовательность реакций, в результате которых одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК). Второй этап осуществляется на клеточном уровне при отсутствии кислорода. Он протекает в цитоплазме клетки.

В ходе гликолиза образуется большое количество энергии, часть которой рассеивается в виде тепла, а часть используется на синтез АТФ. Суммарное уравнение реакций гликолиза выглядит следующим образом:

Гликолиз. Механизм. 1. Глюкоза преобразуется во фруктозу, 2. фосфорилируется активируется двумя молекулами АТФ и превращается во фруктозодифосфат.

Далее молекула шестиатомного углевода распадается на два трех углеродных соединения две молекулы глицерофосфата (триозы). В результате этих реакций синтезируются четыре молекулы АТФ. Так как первоначально на активацию глюкозы было затрачено две молекулы АТФ, то общий итог составляет 2АТФ. Глюкоза 2 молекулы ПВК 1 М глюкозы выделяется 200 к Дж энергии, Окисление 2 молекулы ПВК Потеря 4-х атомов Н 60% - тепло 40% - АТФ

Четыре атома водорода, которые были сняты при окислении глицерофосфата, соединяются с переносчиком водорода НАД + (никотинамид динуклеотид). Это такой же переносчик водорода, как и НАДФ +, но участвует в реакциях энергетического обмена. Обобщенная схема реакций гликолиза: С 6 Н 12 О 6 + 2НАД + 2С 3 Н 4 О 3 + 2НАД 2Н 2АДФ 2АТФ Восстановленные молекулы НАД 2Н поступают в митохондрии, где окисляются, отдавая водород.

В зависимости от типа клеток, ткани или организмов пировиноградная кислота в бескислородной среде может превращаться далее в молочную кислоту, этиловый спирт, масляную кислоту или другие органические вещества. У анаэробных организмов эти процессы называются брожением. В растительных клетках этиловый спирт.

Спиртовое брожение С 6 Н 12 О 6 + 2НАД + 2С 3 Н 4 О 3 + 2НАД 2Н 2С 2 Н 5 ОН + 2СО 2 + 2НАД+ Молочнокислое брожение: С 6 Н 12 О 6 + 2НАД + 2С 3 Н 4 О 3 + 2НАД 2Н 2С 3 Н 6 О 3 + 2НАД + глюкоза ПВК этиловый спирт Молочная кислота Молочная кислота, этиловый спирт далее претерпевают изменения и подвергаются окислению кислородом.

Он стал возможным после накопления в атмосфере достаточного количества молекулярного кислорода. Происходит в митохондриях клеток. Третий этап кислородный, состоящий из цикла Кребса и окислительного фосфорилирования.

Этапы энергетического обмена

Условия: Участие ферментов Участие молекул-переносчиков Наличие кислорода Целостность митохондриальных мембран.

Стадии аэробного дыхания: 1) Окислительное декарбоксилирование 2) Цикл Кребса 3) Электронтранспортная цепь

Окислительное декарбоксилирование Пировиноградная кислота из цитоплазмы поступает в митохондрии, где теряет молекулу углекислого газа и превращается в уксусную кислоту, соединяясь с активатором и переносчиком коэнзимом-А. Образующийся ацетил-КоА далее вступает в серию циклических реакций. Окислительное декарбоксилирование Пировиноградная кислота из цитоплазмы поступает в митохондрии, где теряет молекулу углекислого газа и превращается в уксусную кислоту, соединяясь с активатором и переносчиком коэнзимом-А. Образующийся ацетил-КоА далее вступает в серию циклических реакций.

АЦЕТИЛ-КОА вступает в цикл Кребса. Данный цикл происходит в матриксе митохондрий и состоит из восьми последовательных реакций. АЦЕТИЛ-КОА вступает в цикл Кребса. Данный цикл происходит в матриксе митохондрий и состоит из восьми последовательных реакций.

Цикл превращения лимонной кислоты в живых клетках был открыт и изучен немецким биохимиком Хансом Кребсом, за эту работу он (совместно с Ф. Липманом) был удостоен Нобелевской премии (1953 год). 1) полное окисление ацетильного остатка до двух молекул СО 2, 2) образуются три молекулы восстановленного никотинамидадениндинуклеотида (НАДН) и одна восстановленного флавинадениндинуклеотида (ФАДН 2 ), что является главным источником энергии, производимой в цикле, 3) образуется одна молекула гуанозинтрифосфата (ГТФ) в результате так называемого субстратного окисления.

Лимонная кислота, начало синтеза Щавелевоуксусная кислота, окончание синтеза Атомы углерода окисляются до CO 2 Процесс декарбоксилирования Атомы углерода окисляются до CO 2 Процесс декарбоксилирования Атомы водорода частично акцептируются коферментами дегидрогеназ Общее уравнение декарбоксилирования и окисления ПВК: 2С 3 Н 4 О 3 + 6Н 2 О + 10НАД+ 6СО НАД 2Н.

Проследим теперь путь молекул НАД 2Н. Они 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. Энергия снятых электронов очень велика. 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.

Процесс происходит поэтапно

C 3 H 6 O 3 +3H 2 O=3CO 2 +12H СО 2 Н 0 - е = Н + НАД*Н2 НАД*Н 2 = НАД + 2Н Атомы водорода молекулами- переносчиками переносятся во внутреннюю митохондриальную мембрану, где они окисляются, т.е. теряют электроны.

НАД*Н2 = НАД + 2Н СО 2 О2О Н Н Н Н Н Н Н Н НН Н Н Н + Н 0 - е = Н - О 2 + е =О 2 НАД*Н2 C 3 H 6 O 3 +3H 2 O=3CO 2 +12H + Электроны соединяются с О 2, в результате образуются анионы. О-2О-2 О-2О-2 О-2О-2 О-2О-2 О-2О-2

НАД*Н2 = НАД + 2Н СО 2 О2О Н Н Н Н Н Н Н Н НН Н Н Н + Н 0 - е = Н + О 2 + е =О мВ НАД*Н2 C 3 H 6 O 3 +3H 2 O=3CO 2 +12H Критический уровень при котором Н + начинают двигаться через каналы О-2О-2 О-2О-2 О-2О-2 О-2О-2 О-2О-2 ПОСТОЯННО ИЗ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

СО 2 Н = е + Н О 2 + 4Н = 2Н 2 О + О2О2 200 мВ АДФ Н3РО4 АТФ Н Н Н Н Н Н Н Н НН Н Н Н Н Н Н Н НАД*Н2 = НАД + 2Н НАД*Н2 C 3 H 6 O 3 +3H 2 O=3CO 2 +12H О 2 + е =О 2 - О-2О-2 О-2О-2 О-2О-2 О-2О-2 О-2О-2 О-2О-2

Выделение энергии: 2600 к Дж - на 2 моля С 3 Н 6 О 3 45% Рассеивается в виде тепла Сберегается в виде АТФ 55%

Кислородное расщепление: 2С 3 Н 6 О 3 + 6О АДФ+36Н 3 РО 4 = 6СО 2 +6Н 2 О + 36АТФ+36H 2 О

Пищеварительная система Энергия рассеивается в виде тепла Глюкоза ПВК Ацетилкофермент А Цикл Кребса Все атомы водорода в дыхательную цепь ГЛИКОЛИЗГЛИКОЛИЗ Дыхательная цепь 38АТФ 2АТФ 34АТФ со 2 1/2О21/2О2 Н2ОН2О

Окислительное декарбоксилирован ие Потеря 1-ой молекулы Матрикс митохондрий

Суммарное уравнение бескислородного и кислородного этапов: 1. С 6 Н 12 О 6 + 2АДФ + 2Н 3 РО 4 = 2С 3 Н 4 О 3 + 2АТФ + 2Н 2 О 2. 2С 3 Н 6 О 3 +6О 2 +36АДФ+36Н 3 РО 4 = 6СО АТФ + 42Н 2 О

Суммарное уравнение: С 6 Н 12 О 6 +6О 2 +38АДФ+38Н 3 РО 4 = 6СО АТФ + 44Н 2 О

Окисление ПВК при аэробном дыхании происходит в: A. хлоропластах B. цитоплазме C. матриксе D. митохондриях

Ступенчатость окисления глюкозы позволяет: A.Получить больше энергии B.Предохранить клетку от перегрева C.Экономнее расходовать кислород D.Сократить количество получаемой энергии

Где протекает синтез АТФ: A. хлоропластах B. цитоплазме C. матриксе D. митохондриях

Задание. Заполните пропуски в тексте: Органические вещества образуются в растительных клетках из _____ и ________ в процессе ______________. Животные получают эти вещества в _________. В клетках гетеротрофных организмов при __________ органических веществ их энергия переходит в энергию ___________. При этом гетеротрофные организмы выделяют _____________ и __________. СО 2 Н2ОН2О фотосинтеза готовом виде окислении АТФ СО 2 Н2ОН2О

Выводы: Синтез АТФ в процессе гликолиза не нуждается в мембранах. Он идёт в пробирке, если имеются все необходимые субстраты и ферменты.

Выводы: Расщепление в клетке 1 молекулы глюкозы до СО 2 и Н 2 О обеспечивает синтез 38 молекул АТФ

Эффективность энергетического обмена. Общее количество энергии, выделившееся в процессе энергетического обмена, составляет 2880 к Дж/моль. Из них часть рассеивается в виде тепла, а часть запасается в 38 молекулах АТФ. Энергия, запасенная в 1 моль АТФ, составляет 30,6 к Дж/моль. В 38 молекулах АТФ запасается 38 · 30,6= 1162,8 к Дж/моль. Эффективность процесса дыхания составляет: (1162,8 : 2880) · 100% = 40,37%. (при аэробном дыхании)

При анаэробном окислении образуются лишь две молекулы АТФ. Рассчитаем эффективность этого процесса. Общее количество энергии спиртового брожения составляет 210 к Дж/моль. Эффективность составит: (2* 30,6 : 210) *100% = 29,14%

Общее количество энергии при молочнокислом брожении составляет 150 к Дж/моль. Эффективность составит: (2· 30,6 :150) · 100% = 40,8%

Горение и биологическое окисление При горении вся энергия переходит в световую и тепловую, ничего при этом на запасается. В процессе биологического окисления 45% рассеивается в виде тепла 55% запасается в виде АТФ Которая впоследствии используются в реакциях пластического обмена при синтезе органических веществ.

Используемая литература. Общая биология. В.Б. Захаров, С.Г. Мамонтов, Н.И. Сонин Москва «Дрофа» 2007 г. Общая биология А.А.Каменский, Е.А. Криксунов, В.В. Пасечник М. «Дрофа» 2005 г. Биология. Н.Грин, У Стаун, Д. Тейлор изд-во М. «Мир» 1990 г. Биология. Пособие для поступающих в ВУЗы под редакцией Н.В. Чебышева Москва «Новая волна» 2004 г. Общая биология кл. под редакцией пр. А.О. Рувинского. Москва «Просвещение» 1993 г. Задания демоверсий ЕГЭ 2002 – 2012 г. Фильмы сайта You Tube. Ерасова Надежда Анатольевна, учитель биологии. Слайды презентации(33 – 34) Статьи фестиваля.