Теория:
В любой клетке главным источником энергии для всех протекающих в ней процессов служит универсальное энергетическое соединение — АТФ.
Рис. \(1\).Строение АТФ
АТФ образуется в результате присоединения к АДФ (аденозиндифосфату) одного остатка фосфорной кислоты. Этот процесс называется фосфорилированием:
.
В молекуле АТФ есть две богатые энергией химические связи. Это связи между остатками фосфорной кислоты. Такие высокоэнергетические связи называют макроэргическими. При разрыве одной макроэргической связи АТФ превращается в АДФ и выделяется около \(40\) кДж/моль энергии.
Энергия для синтеза АТФ из АДФ выделяется в процессе энергетического обмена, или диссимиляции.
Энергетический обмен (диссимиляция, катаболизм) — это реакции расщепления и окисления органических веществ, протекающие с выделением энергии, частично расходующейся на образование АТФ.
Энергетический обмен в клетках может быть двухэтапным или трёхэтапным.
В кислородсодержащей среде (у аэробных организмов) диссимиляция протекает в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный. В результате образуются простые неорганические вещества.
Рис. \(2\). Этапы энергетического обмена
В бескислородной среде (у анаэробных организмов), а также при недостатке кислорода у аэробных организмов, энергетический обмен протекает в два этапа: подготовительный и бескислородный. В этом случае количество запасённой энергии намного меньше, чем в присутствии кислорода.
Первый этап — подготовительный
На подготовительном этапе большие молекулы органических веществ распадаются до более простых: из полисахаридов образуются моносахариды, из жиров — смесь глицерина и жирных кислот, а из белков — смесь аминокислот.
Этот процесс происходит в лизосомах и в органах пищеварения под действием пищеварительных ферментов.
На подготовительном этапе АТФ не образуется, а небольшое количество выделяющейся энергии рассеивается.
Второй этап — бескислородный (гликолиз)
На втором этапе происходит расщепление продуктов подготовительного этапа под действием ферментов. Кислород при этом не используется.
Бескислородный этап расщепления глюкозы имеет название гликолиз. Этот процесс протекает в цитоплазме клеток.
При гликолизе происходит несколько реакций, в результате которых из молекулы глюкозы образуется \(2\) молекулы пировиноградной кислоты (ПВК) , а также \(2\) молекулы АТФ. В них запасается около \(40\) % выделившейся энергии, остальные \(60\) % рассеиваются.
.
Образовавшаяся пировиноградная кислота в анаэробных условиях превращается в молочную кислоту :
.
Такой процесс происходит в клетках животных, некоторых грибов и бактерий. Молочная кислота может образоваться и в мышцах человека при длительных нагрузках и недостатке кислорода. Тогда мышцы начинают болеть.
В растительных клетках и клетках дрожжей из пировиноградной кислоты образуется этиловый спирт и углекислый газ , т. к. происходит спиртовое брожение:
.
Третий этап — кислородный
В кислородной среде после гликолиза протекает третий этап энергетического обмена — кислородный, или клеточное дыхание. Полное кислородное расщепление осуществляется на мембранах митохондрий.
Этот этап тоже является многостадийным. В нём выделяют два процесса — цикл Кребса и окислительное фосфорилирование.
Сущность третьего (кислородного) этап заключается в окислении ПВК до углекислого газа и воды При этом выделившаяся энергия запасается в \(36\) молекулах АТФ (\(2\) — в цикле Кребса и \(34\) — при окислительном фосфорилировании).
Схема кислородного этапа:
.
Так как \(2\) молекулы АТФ образуются при гликолизе, то в сумме при полном окислении одной молекулы глюкозы образуется \(38\) молекул АТФ.
Суммарное уравнение энергетического обмена:
.
В реакциях энергетического обмена используется не только глюкоза, но и липиды, белки. Но главным источником энергии в большинстве клеток являются углеводы.
В реакциях энергетического обмена используется не только глюкоза, но и липиды, белки. Но главным источником энергии в большинстве клеток являются углеводы.
Обрати внимание!
В некоторых учебниках приводятся другие данные о количестве АТФ, образующейся на третьем этапе энергетического обмена.
Источники:
Рис. 1. Строение АТФ. https://image.shutterstock.com/image-illustration/atp-energy-currency-cell-600w-1509423494
Рис. 2. Этапы энергетического обмена. © ЯКласс.