Какие вещества являются конечными продуктами подготовительного этапа
Энергетический обмен
Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме АТФ и других высокоэнергетических соединений. АТФ — универсальный источник энергообеспечения клетки. Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования — присоединения неорганического фосфата к АДФ.
У аэробных организмов (живущих в кислородной среде) выделяют три этапа энергетического обмена: подготовительный, бескислородное окисление и кислородное окисление; у анаэробных организмов (живущих в бескислородной среде) и аэробных при недостатке кислорода — два этапа: подготовительный, бескислородное окисление.
Подготовительный этап
Заключается в ферментативном расщеплении сложных органических веществ до простых: белковые молекулы — до аминокислот, жиры — до глицерина и карбоновых кислот, углеводы — до глюкозы, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. Распад высокомолекулярных органических соединений осуществляется или ферментами желудочно-кишечного тракта или ферментами лизосом. Вся высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла. Образовавшиеся небольшие органические молекулы могут быть использованы в качестве «строительного материала» или могут подвергаться дальнейшему расщеплению.
Бескислородное окисление, или гликолиз
Этот этап заключается в дальнейшем расщеплении органических веществ, образовавшихся во время подготовительного этапа, происходит в цитоплазме клетки и в присутствии кислорода не нуждается. Главным источником энергии в клетке является глюкоза. Процесс бескислородного неполного расщепления глюкозы — гликолиз.
Потеря электронов называется окислением, приобретение — восстановлением, при этом донор электронов окисляется, акцептор восстанавливается.
Следует отметить, что биологическое окисление в клетках может происходить как с участием кислорода:
А + О2 → АО2,
так и без его участия, за счет переноса атомов водорода от одного вещества к другому. Например, вещество «А» окисляется за счет вещества «В»:
АН2 + В → А + ВН2
или за счет переноса электронов, например, двухвалентное железо окисляется до трехвалентного:
Fe2+ → Fe3+ + e—.
Гликолиз — сложный многоступенчатый процесс, включающий в себя десять реакций. Во время этого процесса происходит дегидрирование глюкозы, акцептором водорода служит кофермент НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид). Глюкоза в результате цепочки ферментативных реакций превращается в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), при этом суммарно образуются 2 молекулы АТФ и восстановленная форма переносчика водорода НАД·Н2:
С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 + 2НАД+ → 2С3Н4О3 + 2АТФ + 2Н2О + 2НАД·Н2.
Дальнейшая судьба ПВК зависит от присутствия кислорода в клетке. Если кислорода нет, у дрожжей и растений происходит спиртовое брожение, при котором сначала происходит образование уксусного альдегида, а затем этилового спирта:
- С3Н4О3 → СО2 + СН3СОН,
- СН3СОН + НАД·Н2 → С2Н5ОН + НАД+.
У животных и некоторых бактерий при недостатке кислорода происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:
С3Н4О3 + НАД·Н2 → С3Н6О3 + НАД+.
В результате гликолиза одной молекулы глюкозы высвобождается 200 кДж, из которых 120 кДж рассеивается в виде тепла, а 80% запасается в связях АТФ.
Кислородное окисление, или дыхание
Заключается в полном расщеплении пировиноградной кислоты, происходит в митохондриях и при обязательном присутствии кислорода.
Пировиноградная кислота транспортируется в митохондрии (строение и функции митохондрий — лекция №7). Здесь происходит дегидрирование (отщепление водорода) и декарбоксилирование (отщепление углекислого газа) ПВК с образованием двухуглеродной ацетильной группы, которая вступает в цикл реакций, получивших название реакций цикла Кребса. Идет дальнейшее окисление, связанное с дегидрированием и декарбоксилированием. В результате на каждую разрушенную молекулу ПВК из митохондрии удаляется три молекулы СО2; образуется пять пар атомов водорода, связанных с переносчиками (4НАД·Н2, ФАД·Н2), а также одна молекула АТФ.
Суммарная реакция гликолиза и разрушения ПВК в митохондриях до водорода и углекислого газа выглядит следующим образом:
С6Н12О6 + 6Н2О → 6СО2 + 4АТФ + 12Н2.
Две молекулы АТФ образуются в результате гликолиза, две — в цикле Кребса; две пары атомов водорода (2НАДЧН2) образовались в результате гликолиза, десять пар — в цикле Кребса.
Последним этапом является окисление пар атомов водорода с участием кислорода до воды с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. Водород передается трем большим ферментным комплексам (флавопротеины, коферменты Q, цитохромы) дыхательной цепи, расположенным во внутренней мембране митохондрий. У водорода отбираются электроны, которые в матриксе митохондрий в конечном итоге соединяются с кислородом:
О2 + e— → О2—.
Купить проверочные работы
и тесты по биологии
Протоны закачиваются в межмембранное пространство митохондрий, в «протонный резервуар». Внутренняя мембрана непроницаема для ионов водорода, с одной стороны она заряжается отрицательно (за счет О2—), с другой — положительно (за счет Н+). Когда разность потенциалов на внутренней мембране достигает 200 мВ, протоны проходят через канал фермента АТФ-синтетазы, образуется АТФ, а цитохромоксидаза катализирует восстановление кислорода до воды. Так в результате окисления двенадцати пар атомов водорода образуется 34 молекулы АТФ.
1 — наружная мембрана; 2 — межмембранное пространство, протонный резервуар;
3 — цитохромы; 4 — АТФ-синтетаза.
При перфорации внутренних митохондриальных мембран окисление НАД·Н2 продолжается, но АТФ-синтетаза не работает и образования АТФ в дыхательной цепи не происходит, энергия рассеивается в форме тепла (клетки «бурого жира» млекопитающих).
Суммарная реакция расщепления глюкозы до углекислого газа и воды выглядит следующим образом:
С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + 38АТФ + Qт,
где Qт — тепловая энергия.
Перейти к лекции №10 «Понятие об обмене веществ. Биосинтез белков»
Перейти к лекции №12 «Фотосинтез. Хемосинтез»
Смотреть оглавление (лекции №1-25)
Источник
Проверочная работа по теме: «Энергетический обмен» 10 класс
(Часть А – выберите один правильный ответ из четырех предложенных)
1.При окислении каких веществ освобождается больше энергии?
1) углеводов 2) липидов 3) белков 4)нуклеиновых кислот
2. Какие вещества ускоряют химические реакции в клетке ?
1)гормоны 2) витамины 3) ферменты 4) ингибиторы
3. Какие вещества являются конечными продуктами подготовительного этапа катаболизма?
1) и-РНК , АТФ
2) СО2,H2O
3) аминокислоты, глюкоза, глицерин, жирные кислоты
4) белки, жиры, углеводы.
5. Какие вещества являются конечными продуктами гликолиза одной молекулы глюкозы?
1) аминокислоты, глюкоза, глицерин, жирные кислоты
2) СО2,H2O, 38 молекул АТФ
3) СО2,H2O, 36 молекул АТФ
4) 2 молекулы молочной кислоты, 2 молекулы АТФ
6. Какие вещества являются конечными продуктами гидролиза одной молекулы глюкозы?
1) аминокислоты, глюкоза, глицерин, жирные кислоты
2) СО2,H2O, 38 молекул АТФ
3) СО2,H2O, 36 молекул АТФ
4) 2 молекулы пировиноградной кислоты, 2 молекулы АТФ
7. При окислении каких веществ образуются соединения, содержащие азот?
1) белков 2) липидов 3) углеводов 4) глюкозы
8. Сколько молекул АТФ синтезируется в результате подготовительного этапа энергетического обмена?
1) 0 2) 2 3) 36 4) 38
9. Сколько молекул АТФ синтезируется в результате бескислородного этапа катаболизма?
1) 0 2) 2 3) 36 4) 38
10. Сколько молекул АТФ синтезируется в результате кислородного этапа энергетического обмена?
1) 0 2) 2 3) 36 4) 38
11. Сколько молекул АТФ синтезируется в результате энергетического обмена (полного расщепления одной молекулы глюкозы)?
1) 0 2) 2 3) 36 4) 38
( Часть В – выберите три верных ответа из шести предложенных)
Как называют составную часть метаболизма, в результате которой синтезируется АТФ?
анаболизм 4) пластический обмен
энергетический обмен 5) диссимиляция
катаболизм 6) ассимиляция
___________________________
Как называют составную часть метаболизма, в результате которой происходит синтез сложных органических веществ?
анаболизм 4) пластический обмен
энергетический обмен 5) диссимиляция
катаболизм 6) ассимиляция
___________________________
В чем отличие катаболизма от анаболизма?
синтезируются органические вещества
органические вещества распадаются
АТФ расходуется
энергия запасается в виде АТФ
клеточное дыхание (энергетический обмен в клетке)
биосинтез белка, фотосинтез, хемосинтез
____________________________________
Каковы особенности автотрофов?
источник углерода- углекислый газ
преобладают процессы распада органических веществ
синтезируют органические вещества из неорганических
органические вещества получают с пищей
используют органические источники углерода
преобладают процессы синтеза органических веществ
(Часть В –установите соответствие между содержанием первого и второго столбцов, впишите в таблицу цифры выбранных ответов)
Установите соответствие между процессами и сопоставляющими частями метаболизма.
ПРОЦЕССЫ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ЧАСТИ
А) синтез белка МЕТАБОЛИЗМА
Б) дыхание
В) гликолиз 1) анаболизм
Г) хемосинтез 2) катаболизм
Д) фотосинтез
Е) брожение
_______________________________
Установите соответствие между процессами и этапами энергетического обмена (катаболизма).
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ЭТАПЫ КАТАБОЛИЗМА
А) протекает в полости кишечника, 1) подготовительный
пищеварительных вакуолях 2) бескислородный
Б) протекает в митохондриях 3) кислородный
В) АТФ не образуется
Г) протекает в цитоплазме
Д) 60% энергии рассеивается в виде
тепла, а 40% идет на образование
2-х молекул АТФ
Е) образуется 36 молекул АТФ
____________________________________
Установите соответствие между характеристикой и способом питания.
ХАРАКТЕРИСТИКА СПОСОБ ПИТАНИЯ
А) используют готовые органические 1) автотрофный
вещества
Б) характерен для растений и животных 2) гетеротрофный
В) характерен для животных, грибов,
бактерий и вирусов
Г) органические вещества синтезируются
из неорганических
Д) источники энергии: солнечный свет и
энергия окисления неорганических
соединений
Е) источник энергии- реакции окисления органических
веществ
__________________________________________
Установите соответствие между характеристикой и видом обмена веществ.
ХАРАКТЕРИСТИКА ВИД ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ
А) ассимиляция 1) пластический
Б) диссимиляция 2) энергетический
В) синтез органических веществ
Г) обеспечивает рост организма
Д) распад органических веществ
Е) обеспечивает все виды деятельности организма
_________________________________
5. Установите последовательность стадий энергетического обмена.
А) рассеивание всей энергии в виде тепла
Б) образование 2-х молекул молочной кислоты
В) окисление молочной кислоты до СО2 и H2O
Г) расщепление сложных органических веществ под действием ферментов
Д) разложение молекулы глюкозы на 2-молекулы ПВК (пировиноградной кислоты)
Е) образование 2-х молекул АТФ
Ж) образование 36 молекул АТФ
__________________________________
6 Установите последовательность процессов, происходящих при катаболизме.
А) гликолиз
Б) расщепление сложных органических соединений
В) образование 36 молекул АТФ
Г) образование тепловой энергии
Д) гидролиз
Е) образование 2-х молекул АТФ
______________________________
7. Установите последовательность процессов, происходящих при катаболизме.
А) под действием ферментов биополимеры расщепляются до мономеров
Б) ПВК И О2 поступают в митохондрии
В) ПВК окисляется до СО2 и H2O, синтезируется 36 молекул АТФ
Г) пищевая частица сливается с лизосомой
Д) глюкоза расщепляется до ПВК, происходит синтез 2-х молекул АТФ
Е) образуется пищеварительная вакуоль
(Часть С5 –дайте полный развернутый ответ)
Какое из двух типов брожения – спиртовое или молочнокислое являются энергетически более эффективным? Эффективность рассчитывается по формуле:
Эф = Езап *100%, где Езап-запасенная энергия; Еобщ
Еобщ
Энергия, запасенная в 1 моль АТФ, составляет 30,6 кДж/моль. Энергия общая – 150 кДж/моль (спиртовое брожение); энергия общая- 210 кДж/моль (молочнокислое брожение). Ответ поясните.
В процессе гликолиза образовалось 68 молекул пировиноградной кислоты (ПВК).
Определите, какое количество молекул глюкозы подверглось расщеплению и сколько молекул АТФ образовалось при полном окислении. Ответ поясните.
В процессе гидролиза образовалось 972 молекулы АТФ. Определите, какое количество молекул глюкозы подверглось расщеплению и сколько молекул АТФ образовалось в результате гликолиза и полного окисления. Ответ поясните.
Ответы:
Часть А. 1.2; 2.3; 3.3; 5.4; 6.3; 7.1; 8.1; 9.2; 10.3; 11.4;
Часть В 1-2,3,5 2-1,4,5 3-2,4,5 4-1,3,6
1-1,2,2,1,1,2 2-1,3,1,2,2,3 3-2,1, 2,1,1,2
4- 1,2,1,1,2,2 5-Г,А,Д,Б,Е,Ж 6-Б,Г,А,Е,Д,В 7-Г,Е,А,Д,Б,В
Часть С.
1) при спиртовом и молочнокислом брожении образуется 2 моль АТФ, т.е. 2*30,6 кДж/моль=61,2кДж
2) эффективность спиртового брожения и молочнокислого брожения
Эфспирт.брож = 61,2 *100%=40,8 %
150
Эфмлочн.брожен = 61.2 *100%, =29,1%
210
3)энергетически более эффективно спиртовое брожение
2. 1) при гликолизе одна молекула глюкозы расщепляется с образованием 2 молекул ПВК, следовательно гликолизу подверглось 68:2=34 молекулы глюкозы
2) при полном окислении глюкозы образуется 38 молекул АТФ
3) при полном окислении 34 молекул глюкозы образуется 34*38=1292 молекулы АТФ
1) при гидролизе из 1 молекулы глюкозы образуется 36 молекул АТФ, следовательно гидролизу подверглось 972:36=27 молекул глюкозы
2) при гликолизе из 1 молекулы АТФ образуется 2 молекулы АТФ, значит из 27 молекул глюкозы образуется 27*2=54 молекулы АТФ
3) при полном окислении из 1 молекулы глюкозы образуется 38 АТФ, следовательно из 27 молекул 27*38=1026 молекул АТФ
Или 972+54=1026 молекул
Источник
Универсальным источником энергии во всех клетках служит АТФ (аденозинтрифосфат, или аденозинтрифосфорная кислота).
Все энергетические затраты любой клетки обеспечиваются за счёт универсального энергетического вещества — АТФ.
АТФ синтезируется в результате реакции фосфорилирования, то есть присоединения одного остатка фосфорной кислоты к молекуле АДФ (аденозиндифосфата):
АДФ + H3PO4+ 40 кДж = АТФ + H2O.
Энергия запасается в форме энергии химических связей АТФ. Химические связи АТФ, при разрыве которых выделяется много энергии, называются макроэргическими.
При распаде АТФ до АДФ клетка за счёт разрыва макроэргической связи получит приблизительно (40) кДж энергии.
Энергия для синтеза АТФ из АДФ выделяется в процессе диссимиляции.
Энергетический обмен (диссимиляция, катаболизм) — это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ.
В зависимости от среды обитания организма, диссимиляция может проходить в два или в три этапа.
Процессы расщепления органических соединений у аэробных организмов происходят в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный.
В результате этого органические вещества распадаются до простейших неорганических соединений.
У анаэробных организмов, обитающих в бескислородной среде и не нуждающихся в кислороде (а также у аэробных организмов при недостатке кислорода), диссимиляция происходит в два этапа: подготовительный и бескислородный.
В двухэтапном энергетическом обмене энергии запасается гораздо меньше, чем в трёхэтапном.
Первый этап — подготовительный
Подготовительный этап заключается в распаде крупных органических молекул до более простых: полисахаридов — до моносахаридов, липидов — до глицерина и жирных кислот, белков — до аминокислот.
Этот процесс называется пищеварением. 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.
Второй этап — бескислородный (гликолиз)
Второй (бескислородный) этап заключается в ферментативном расщеплении органических веществ, которые были получены в ходе подготовительного этапа. Кислород в реакциях этого этапа не участвует.
Биологический смысл второго этапа заключается в начале постепенного расщепления и окисления глюкозы с накоплением энергии в виде (2) молекул АТФ.
Процесс бескислородного расщепления глюкозы называется гликолиз.
Гликолиз происходит в цитоплазме клеток.
Он состоит из нескольких последовательных реакций превращения молекулы глюкозы C6H12O6 в две молекулы пировиноградной кислоты — ПВК C3H4O3 и две молекулы АТФ (в виде которой запасается примерно (40) % энергии, выделившейся при гликолизе). Остальная энергия (около (60) %) рассеивается в виде тепла.
C6H12O6+2H3PO4+2АДФ=2C3H4O3+2АТФ +2H2O.
Получившаяся пировиноградная кислота при недостатке кислорода в клетках животных, а также клетках многих грибов и микроорганизмов, превращается в молочную кислоту C3H6O3.
HOOC−CO−CH3пировиноградная кислота→НАД⋅H+H+лактатдегидрогеназаHOOC−CHOH−CH3молочная кислота.
В мышцах человека при больших нагрузках и нехватке кислорода образуется молочная кислота и появляется боль. У нетренированных людей это происходит быстрее, чем у людей тренированных.
При недостатке кислорода в клетках растений, а также в клетках некоторых грибов (например, дрожжей), вместо гликолиза происходит спиртовое брожение: пировиноградная кислота распадается на этиловый спирт C2H5OH и углекислый газ CO2:
C6H12O6+2H3PO4+2АДФ=2C2H5OH+2CO2+2АТФ+2H2O.
Третий этап — кислородный
В результате гликолиза глюкоза распадается не до конечных продуктов (CO2 и H2O), а до богатых энергией соединений (молочная кислота, этиловый спирт) которые, окисляясь дальше, могут дать её в больших количествах. Поэтому у аэробных организмов после гликолиза (или спиртового брожения) следует третий, завершающий этап энергетического обмена — полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание.
Этот этап происходит на кристах митохондрий.
Третий этап, так же как и гликолиз, является многостадийным и состоит из двух последовательных процессов — цикла Кребса и окислительного фосфорилирования.
Третий (кислородный) этап заключается в том, что при кислородном дыхании ПВК окисляется до окончательных продуктов — углекислого газа и воды, а энергия, выделяющаяся при окислении, запасается в виде (36) молекул АТФ ((2) молекулы в цикле Кребса и (34) молекулы в ходе окислительного фосфорилирования).
Этот этап можно представить себе в следующем виде:
2C3H4O3+6O2+36H3PO4+36АДФ=6CO2+42H2O+36АТФ.
Вспомним, что ещё две молекулы АТФ запасаются в ходе бескислородного расщепления каждой молекулы глюкозы (на втором, бескислородном, этапе). Таким образом, в результате полного расщепления одной молекулы глюкозы образуется (38) молекул АТФ.
Суммарная реакция энергетического обмена:
C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O+38АТФ.
Для получения энергии в клетках, кроме глюкозы, могут быть использованы и другие вещества: липиды, белки. Однако ведущая роль в энергетическом обмене у большинства организмов принадлежит сахарам.
Источники:
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. 9 класс // ДРОФА.
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.
Лернер Г. И. Биология: Полный справочник для подготовки к ЕГЭ: АСТ, Астрель.
Источник