Какие вещества являются конечными продуктами подготовительного этапа катаболизма
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
Катаболизм (диссимиляция ) – это энергетический обмен, часть метаболизма, распада сложных веществ на более простые (или окисления вещества), который протекает с освобождением энергии в виде тепла и в виде молекулы АТФ, универсального источника энергии всех биохимических процессов.
Схема катаболизма пищевых веществ, его этапы, пути и процессы
На схеме наглядно представлен катаболизм пищевых веществ, который состоит из 3-х основных этапов (стадий), первый и второй этапы относятся к специфическим путям катаболизма, а третий этап относится к общему пути катаболизма.
ATP (АТФ) – это аденозинтрифосфорная кислота (нуклеотид), универсальный источник и переносчик энергии, который участвует во всех биохимических процессах.
NAD (НАД) – никотинамидадениндинуклеотидфосфата, является коферментом, переносит электроны из одной реакции в другую в метаболизме.
NADH (НАД*Н) – востановленная форма NAD.
Пируват – это соли пировиноградной кислоты, конечный продукт в процессе гликолиза.
Этапы катаболизма | Протекание процессов катаболизма | Энергетическая ценность |
1-й этап катаболизма (подготовительный) расщепление больших макромолекул на простые субьединицы | На первом этапе происходит расщепление пищевых веществ (белки, полисохариды, жиры) до мономеров. У многоклеточных организмов это осуществляется в пищеварительном тракте (у простейших в лизосомах при самообновленнии клеток) под воздействием соответствующих ферментов, после чего полученные мономеры всасываются в кровь (моносахариды аминокислоты) и в лимфу (жирные кислоты). | Небольшое количество энергии рассеивается ввиде тепла |
2-й этап катаболизма (бескислородный) расщепление простых субьединиц на ацетил-СоА, сопровождающийся образованием ограниченного количества АТP и NADH | На втором этапе все пищевые продукты которые поступают в клетку из крови образуют ацетилкоэнзим А (ацетил-СоА). Это соединение, а также другие ферменты, включающие в себя КоА, являются ключевыми звеньями множества разнообразных биохимических реакций. — При гликолизе моносахариды образуют пировиноградную кислоту. — При катаболизме аминокислот образуются ацетил-CoA, пируват, другие кетокислоты — При β-окислении жирных кислот образуется ацетил-CoA Второй этап происходит в цитозоли и митохондрии. | При расщеплении глюкозы 60% выделившейся энергии дает тепло, 40% идет на синтез 2х молекул ATP, эта часть энергии запасается. |
3-й этап катаболизма (кислородный) при полном окислении ацетил-СоА до H2O и CO2 образуется большое количество NADH, что обеспечивает синтез большого количества ATP при переносе электронов | Третий этап и его реакции проходят в митохондриях. Ацетил-CoA участвует в реакциях цикла лимонной кислоты (цикл трикарбоновых кислот Кребса), там углероды окисляются до углекислого газ CO2. Происходит полное окисление ацетильной группы ацетил-СоА до Н2O и СO2, при этом большое количество электронов и протонов запасается на молекулах NADH (процесс “окислительное фосфолирование”). В дальнейшем энергия электронов используется для образования протонного градиента, что обеспечивает последующий синтез АТР. 2C3H6O3 + 6O2 + 36H3PO4 + 36ADP —> 6CO2 + 38H2O + 36ATP | При окислении 2х молекул кислоты образуется 36 молекул ATP |
_______________
Источник информации: Биология для поступающих в вузы / Г.Л. Билич, В.А. Крыжановский. — 2008
Поделитесь ссылкой с друзьями:
Источник
Катаболи́зм (от греч. καταβολή, «сбрасывание, разрушение»), также энергетический обмен, или диссимиляция — процесс метаболического распада (деградации) сложных веществ на более простые или окисления какого-либо вещества, обычно протекающий с освобождением энергии в виде тепла и в виде молекулы АТФ, универсального источника энергии всех биохимических процессов.[1]
Катаболические реакции лежат в основе диссимиляции: утраты сложными веществами своей специфичности для данного организма в результате распада до простых.
Примерами катаболизма являются:
- превращение этанола через стадии ацетальдегида (этаналя, СH3СHO) и уксусной кислоты (этановой кислоты, CH3COOH) в углекислый газ (СO2) и воду (H2O).
- гликолиз — превращение глюкозы в молочную кислоту либо пировиноградную кислоту и далее в процессе клеточного дыхания — в углекислый газ (СO2) и воду (H2O).
Интенсивность катаболических процессов и преобладание тех или иных катаболических процессов в качестве источников энергии в клетках регулируется гормонами. Например:
- глюкокортикоиды повышают интенсивность катаболизма белков и аминокислот, одновременно тормозя катаболизм глюкозы
(точнее, увеличивая её анаболизм, индуцируя накопление глюкозы в виде гликогена в печени и мышечной ткани, уменьшая тем самым концентрацию глюкозы в крови и лимфе, опосредуя гипогликемию),
- инсулин, напротив, ускоряет катаболизм глюкозы и тормозит катаболизм белков.
Катаболизм является противоположностью анаболизма — процессу синтеза или ресинтеза новых, более сложных, соединений из более простых, протекающему с расходованием, затратой энергии АТФ. Соотношение катаболических и анаболических процессов в клетке регулируется гормонами. Например, адреналин или глюкокортикоиды сдвигают баланс обмена веществ в клетке в сторону преобладания катаболизма, а инсулин, соматотропин, тестостерон — в сторону преобладания анаболизма.
Обмен веществ и энергии[править | править код]
Пластический и энергетический обмены[править | править код]
Питательные вещества — это любое вещество, пригодное для еды и питья живым организмам для пополнения запасов энергии и необходимых ингредиентов для нормального течения химических реакций обмена веществ: белков, жиров, углеводов, витаминов, минералов и микроэлементов.
Метаболизм — это совокупность всех химических реакций, происходящих в организме. Значение метаболизма состоит в создании необходимых организму веществ и обеспечении его энергией. Выделяют две составные части метаболизма — катаболизм и анаболизм.
Катаболизм (энергетический обмен) — процесс метаболического распада, разложения на более простые вещества (дифференциация) или окисления какого-либо вещества, обычно протекающий с высвобождением энергии в виде тепла и в виде АТФ.
Анаболизм (пластический обмен) — совокупность химических процессов, составляющих одну из сторон обмена веществ в организме, направленных на образование клеток и тканей. За счет анаболизма происходит рост, развитие и деление каждой клетки.
Обмен веществ между организмом и окружающей средой — необходимое условие существования живых существ, это один из основных признаков живого. Из внешней среды организм получает кислород, органические вещества, минеральные соли, воду. Во внешнюю среду отдаёт конечные продукты распада: углекислый газ, излишки воды, минеральных солей, мочевину, соли мочевой кислоты и некоторые другие вещества.
У человека в течение жизни почти все клетки организма сменяются несколько раз. Кровь за год полностью обновляется 3 раза, за сутки меняется 450 млрд эритроцитов, до 30 млрд лейкоцитов, 1/75 всех костных клеток скелета, до 50 % эпителиальных клеток желудка и кишечника.
Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается ею в виде высокоэнергетических соединений, как правило, в виде АТФ. АТФ — нуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэргическими связями.
В этих связях запасена энергия, которая высвобождается при их разрыве:
- АТФ+Н2О -> АДФ+Н3РО4+Q1,
- АДФ+Н2О->АМФ+Н3РО4+Q2,
- АМФ+Н2О->аденин+рибоза+Н3РО4+Q3,
где АТФ-аденозинтрифосфорная кислота; АДФ-аденозиндифосфорная кислота; АМФ-аденонмонофосфорная кислота; Q1 = Q2 = 30,6 кДж.
Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования. Фосфорилирование — присоединение остатка фосфорной кислоты к АДФ (АДФ+Ф->АТФ). В результате превращений эти вещества попадают в клетки. Здесь они расщепляются (глюкоза – до воды и углекислого газа). Высвобожденная энергия используется клетками для поддержания своей жизнедеятельности. Этот процесс называется энергетическим обменом. Пластический и энергетический обмены происходят одновременно и неразрывно связаны друг с другом, но не всегда являются уравновешенными. Чаще всего это связано с возрастом человека.
Этапы диссимиляции[править | править код]
I этап, подготовительный[править | править код]
Сложные органические соединения распадаются на простые под действием пищеварительных ферментов, при этом выделяется только тепловая энергия.
- Белки → аминокислоты
- Жиры → глицерин и жирные кислоты
- Крахмал → глюкоза
II этап, гликолиз (бескислородный)[править | править код]
Осуществляется в цитоплазме, с мембранами не связан. В нём участвуют ферменты; расщеплению подвергается глюкоза и происходит образование двух молекул пировиноградной кислоты CH3COCOOH. 60 % энергии рассеивается в виде тепла, а 40 % — используется для синтеза 2 молекул АТФ. Кислород не участвует.
III этап, клеточное дыхание (кислородный)[править | править код]
Осуществляется в митохондриях, связан с матриксом митохондрий и внутренней мембраной. В нём участвуют ферменты, кислород. Расщеплению подвергается молочная кислота. СО2 выделяется из митохондрий в окружающую среду. Атом водорода включается в цепь реакций, конечный результат которых — синтез АТФ.
См. также[править | править код]
- Анаболизм
- Метаболизм
- Основной обмен
- Цикл трикарбоновых кислот
- Углеводы (сахара)
- Белки
- Липиды (жиры)
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Биологический энциклопедический словарь / глав. ред. М. С. Гиляров. — М.: Советская энциклопедия, 1986. — С. 250.
Источник
МЕТАБОЛИЗМ. КАТАБОЛИЗМ И АНАБОЛИЗМ
Совокупность реакций обмена веществ, протекающих в организме, называется метаболизмом.
Процессы синтеза специфических собственных веществ из более простых называется анаболизмом, или ассимиляцией, или пластическим обменом. В результате анаболизма образуются ферменты, вещества, из которых построены клеточные структуры, и т.п. Этот процесс, как правило, сопровождается большим потреблением энергии.
Эта энергия получается организмом в других реакциях, в которых более сложные вещества расщепляются до простых. Эти процессы называются катаболизмом, или диссимиляцией, или энергетическим обменом. Продуктами катаболизма у аэробных организмов являются СО2, Н2О, АТФ и
восстановленные переносчики водорода (НАД∙Н и НАДФ∙Н), которые принимают атомы водорода, отщепляемые от органических веществ в процессах окисления. Некоторые низкомолекулярные вещества, которые образуются в ходе катаболизма, в дальнейшем могут служить предшественниками необходимых клетке веществ (пересечение катаболизма и анаболизма).
Катаболизм и анаболизм тесно связаны: анаболизм использует энергию и восстановители, образующиеся в реакциях катаболизма, а катаболизм осуществляется под действием ферментов, образующихся в результате реакций анаболизма.
Как правило, катаболизм сопровождается окислением используемых веществ, а анаболизм — восстановлением.
| пластический обмен (анаболизм) | энергетический обмен (катаболизм) |
|---|---|
| синтез и накопление (ассимиляция) сложных веществ | распад сложных веществ на простые (диссимиляция) |
| идет с затратой энергии (расходуется АТФ) | выделяется энергия (синтезируется АТФ) |
| может быть источником органических веществ для энергетического обмена | является источником энергии для пластического обмена |
Пример: биосинтез белков, жиров, углеводов; фотосинтез (синтез углеводов растениями и сине-зелеными водорослями); хемосинтез | Пример: анаэробное дыхание ( = гликолиз = брожение); аэробное дыхание (окислительное фосфорилирование) |
Реакции анаболизма у разных организмов могут иметь некоторые отличия (см. тему “Способы получения энергии живыми организмами”).
АТФ — аденозинтрифосфат
В процессе катаболизма выделяется энергия в виде тепла и в виде АТФ.
АТФ — единый и универсальный источник энергообеспечения клетки.
АТФ нестабильна.
АТФ является “энергетической валютой”, которую можно потратить на синтезы сложных веществ в реакциях анаболизма.
Гидролиз (распад) АТФ:
АТФ + $Н_{2}О$ = АДФ + $Н_{3}РО_{4}$ + 40 кДж/моль
Энергетический обмен
Живые организмы получают энергию в результате окисления органических соединений.
Окисление — процесс отдачи электронов.
Расход полученной энергии:
50% энергии выделяется в виде тепла в окружающую среду;
50% энергии идет на пластический обмен (синтез веществ).
В клетках растений:
крахмал → глюкоза → АТФ
В клетках животных:
гликоген → глюкоза → АТФ
Подготовительный этап
Ферментативное расщепление сложных органических веществ до простых в пищеварительной системе:
белковые молекулы — до аминокислот
липиды — до глицерина и жирных кислот
углеводы — до глюкозы
Распад (гидролиз) высокомолекулярных органических соединений осуществляется или ферментами желудочно-кишечного тракта или ферментами лизосом.
Вся высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла.
Простые вещества всасываются ворсинками тонкого кишечника:
аминокислоты и глюкоза — в кровь;
жирные кислоты и глицерин — в лимфу;
и переносятся к клеткам тканей организма.
Образовавшиеся небольшие органические молекулы могут быть использованы в качестве «строительного материала» или могут подвергаться дальнейшему расщеплению (гликолизу).
На подготовительном этапе может происходить гидролиз запасные вещества клеток: гликогена — у животных (и грибов) и крахмала — у растений. Гликоген и крахмал являются полисахаридами и распадаются на мономеры — молекулы глюкозы.
Гликоген печени используется не столько для собственных нужд печени, сколько для поддержания постоянной концентрации глюкозы в крови, и, следовательно, обеспечивает поступление глюкозы в другие ткани.
Рис. Функции гликогена в печени и мышцах
Гликоген, запасенный в мышцах, не может распадаться до глюкозы из-за отсутствия фермент. Функция мышечного гликогена заключается в освобождении глюкозо-6-фосфата, потребляемого в самой мышце для окисления и использования энергии.
Распад гликогена до глюкозы или глюкозо-6-фосфата не требует энергии.
Гликолиз (анаэробный этап)
Гликолиз — расщепление глюкозы с помощью ферментов.
Идет в цитоплазме, без кислорода.
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:
$С_{6}Н_{12}О_{6}$ + 2АДФ + 2$Н_{3}РО_{4}$ + 2$НАД^{+}$ → 2$С_{3}Н_{4}О_{3}$ + 2АТФ + 2$Н_{2}О$ + 2($НАДН+Н^{+}$).
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:
$С_{3}Н_{4}О_{3}$ → $СО_{2}$ + $СН_{3}СОН$,
$СН_{3}СОН$ + $НАДН+Н^{+}$ → $С_{2}Н_{5}ОН$ + $НАД^{+}$.
У животных и некоторых бактерий при недостатке кислорода происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:
$С_{3}Н_{4}О_{3}$ + $НАДН+Н^{+}$ → $С_{3}Н_{6}О_{3}$ + $НАД^{+}$.
В результате гликолиза одной молекулы глюкозы высвобождается 200 кДж, из которых 120 кДж рассеивается в виде тепла, а 80кДж запасается в связях 2 молекул АТФ.
дыхание, или Окислительное фосфорилирование (аэробный этап)
Окислительное фосфорилирование — процесс синтеза АТФ с участием кислорода.
Идет на мембранах крист митохондрий в присутствии кислорода.
Пировиноградная кислота, образовавшаяся при бескислородном расщеплении глюкозы, окисляется до конечных продуктов СО2 и Н2О. Этот многоступенчатый ферментативный процесс называется циклом Кребса, или циклом трикарбоновых кислот.
В результате клеточного дыхания при распаде двух молекул пировиноградной кислоты синтезируются 36 молекул АТФ:
2$С_{3}Н_{4}О_{3}$ + 32$О_{2}$ + 36АДФ + 36$Н_{3}РО_{4}$ → 6$СО_{2}$ + 58$Н_{2}О$ + 36АТФ.
Кроме того, нужно помнить, что две молекулы АТФ запасаются в ходе бескислородного расщепления каждой молекулы глюкозы.
Суммарная реакция расщепления глюкозы до углекислого газа и воды выглядит следующим образом:
$С_{6}Н_{12}О_{6}$ + 6$О_{2}$ + 38АДФ → 6$СО_{2}$ + 6$Н_{2}О$ + 38АТФ + Qт,
где Qт — тепловая энергия.
Таким образом при окислительном фосфорилировании образуется в 18 раз больше энергии (36 АТФ), чем при гликолизе (2 АТФ).
Гликолиз используют некоторые бактерии и паразиты, обитающие в анаэробных условиях.
Источник