Поток вещества и энергии в клетке

а) Анаболизм и катаболизм

Анаболизм – совокупность метаболических реакций, ведущих к образованию органических веществ, компонентов клетки и других структур, органов и тканей организма. Он сопровождается поглощением энергии и в его основе лежит ассимиляция (от лат. аssimulus-подобный).

Катаболизм – совокупность метаболических реакций, ведущих к расщеплению сложных молекул, компонентов клетки, органов и тканей до простых веществ. Он сопровождается высвобождением энергии, часть которой запасается в виде энергии АТФ. В основе катаболизма лежит диссимиляция (от лат. dissimulus-несходный).

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 (, O, соединения N, S).

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 синтеза органических соединений из неорганических, идущий за счёт энергии солнечного излучения.

Фотосинтез - это сложный процесс, осуществляющийся организмами, клетки которых содержат специальные фотосинтезирующие пигменты (растения, бурые и диатомовые водоросли).

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.

12 НАДФ + 12 Ф + 12 АДФ + 12 O → 12 НАДФ  + 12 АТФ + 6 О 2

2) Темновая фаза (цикл Кальвина). В темновую фазу происходит фиксация углерода из атмосферы.

6 СО 2 + 12 НАДФ  + 12 АТФ → С 6 Н 12 О 6 + 12 НАДФ + 12 Ф + 12 АДФ + 6 O

Суммарное уравнение реакции фотосинтеза:

6 СО 2 + 6 O → С 6 Н 12 О 6 + 6 О 2

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.

Этапы энергетического обмена (аэробного гликолиза)

Этап	Процессы энергетического обмена	Освобождение и использование энергии
I. Бескислородный	Расщепление глюкозы с участием АДФ и фосфорной кислоты с образованием 2 молекул пировиноградной кислоты (пируват), АТФ и воды. Процесс протекает в цитоплазме.	Распад одной молекулы глюкозы дает энергию, обеспечивающую синтез двух молекул АТФ.
С 6 Н 12 О 6 (глюкоза) + 2 АДФ +2 Ф → 2 С 3 Н 4 О 3 (пируват) + 2 АТФ + 2 Н 2 О
II. Кислородный (цикл Кребса)	Процесс идет в митохондриях с помощью ферментов окислительного фосфорилирования при участии кислорода. Расщепление двух молекул пировиноградной кислоты (пируват) идет с участием АДФ и фосфорной кислоты с образованием АТФ, воды и углекислого газа. Данный процесс проходит в митохондриях.	Распад двух молекул пирувата дает энергию для синтеза 36 молекул АТФ
2 С 3 Н 4 О 3 (пируват) + 6 О 2 + 36 АДФ + 36 Ф → 36 АТФ + 6 СО 2 +42 Н 2 О

При аэробном окислении процесс расщепления углеводов выражается следующим суммарным уравнением:

С 6 Н 12 О 6 (глюкоза) + 38АДФ + 38Ф + 6О 2 → 38АТФ + 6СО 2 + 44Н 2 О

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.

Этапы энергетического обмена (анаэробного гликолиза)

Этап	Процессы энергетического обмена	Освобождение и использование энергии
I. Бескислородный	Переработка пищевых веществ в органах пищеварения, расщепление полимеров до мономеров.	Распад одной молекулы глюкозы дает энергию, обеспечивающую синтез двух молекул АТФ.
С 6 Н 12 О 6 (глюкоза) + 2 АДФ +2 Ф → 2 С 3 Н 4 О 3 (пируват) + 2 АТФ + 2 Н 2 О
II. Брожение	В зависимости от вида брожения из пирувата образуются различные конечные продукты: этанол при спиртовом брожении; молочная кислота при молочнокислом брожении; масляная кислота при маслянокислом брожении и т.д.	Распад двух молекул пирувата до молочной кислоты. При этом на данном этапе энергия не образуется.
2 С 3 Н 4 О 3 + 2 НАДН + Н + → 2 С 3 Н 6 О 3 + 2 НАД

Таким образом, анаэробный гликолиз является энергетически мало эффективным – образуется лишь 2 молекулы АТФ (150 кДж/моль). Важной составляющей обмена веществ у растений является фотосинтез.

Аэробный	Анаэробный
36 АТФ	2 АТФ
2850 кДж/моль	150 кДж/моль

д) Значение АТФ в энергетическом обмене. Химический состав и биоэнергетическая характеристика

Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в виде АТФ (чаще). Это универсальный источник энергосбережения клетки.

АТФ- мононуклеотид, состоящий из: аденина, рибозы, 3 остатков фосфорной кислоты.

Энергия, высвобождающаяся при гидролизе АТФ, используется клетками для совершения всех видов работы. Значительные количества энергии расходуются на биологические синтезы.