Введение
Одним из главных признаков, отличающих живые организмы от неживых объектов, является метаболизм.
Метаболизм, или обмен веществ — это всё, что происходит с веществами и энергией в клетке или организме: то, как они распадаются, синтезируются и превращаются в другие вещества или другие формы энергии.
Это «всё, что происходит» подразделяется на катаболизм и анаболизм.
- Катаболизм (энергетический обмен, диссимиляция) — совокупность процессов распада веществ с выделением энергии.
- Анаболизм (пластический обмен, ассимиляция) — совокупность процессов синтеза веществ с поглощением энергии.
Для запоминания есть забавная формула: «Катя рушит, Аня строит».
Главное вещество всех реакций метаболизма
Главным веществом, участвующим в реакциях метаболизма, является АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Она состоит из:
- аденина (азотистое основание из двух колец на схеме ниже);
- рибозы (пятиугольный моносахарид на схеме);
- трёх остатков фосфорной кислоты, которые соединяют особые связи, выделяющие много энергии при разрушении — их называют макроэргическими.
Когда клетке необходима энергия, АТФ расщепляется до АДФ (аденозиндифосфата) и фосфорного остатка, а выделившаяся при этом энергия идёт на реакции анаболизма (синтез веществ). Затем АДФ может расщепиться до АМФ (аденозинмонофосфата), при этом тоже выделится энергия.
В реакциях катаболизма вещества разрушаются, энергия выделяется, а с её помощью из существующих в клетке АДФ синтезируется АТФ — этот процесс называется фосфорилирование.
Катаболизм
Катаболизм — это все реакции распада сложных веществ (полимеров) на простые вещества (мономеры). Как мы помним, энергия при этом выделяется и запасается в форме АТФ.
Катаболизм происходит в 3 этапа:
- Подготовительный.
- Бескислородный (анаэробный, гликолиз).
- Кислородный (аэробный, клеточное дыхание).
Подготовительный этап — это расщепление полимеров до мономеров.
У многоклеточных животных он проходит в органах пищеварения, а у простейших — в органеллах, заменяющих их.
О том, какие органоиды помогают питаться одноклеточным, ты можешь прочесть в статье «Клеточная теория. Строение клетки».
В конце этого этапа образуются свободные молекулы, входящие в состав белков (аминокислоты), жиров (глицерин и жирные кислоты) и углеводов (глюкоза).
А вот АТФ — нет! Вся энергия, образующаяся в ходе процессов пищеварения, переходит в тепловую энергию (поэтому нам становится теплее после еды в холодный день).
Анаэробный этап (гликолиз, бескислородный этап) — это расщепление глюкозы C6H12O6 на пировиноградную кислоту (ПВК) C3H4O3 без участия кислорода (в анаэробных условиях).
Гликолиз происходит у всех и всегда (в цитоплазме каждой клетки любого живого организма).
При этом в результате распада каждой молекулы глюкозы получаются 2 молекулы ПВК и синтезируются 2 АТФ.
Аэробный этап (клеточное дыхание, кислородный этап) — это расщепление ПВК до неорганических веществ (углекислого газа и воды) в присутствии кислорода.
Этот этап есть только у аэробов — организмов, которые используют кислород. У эукариот для этого есть специальная органелла — митохондрия, а вот аэробным бактериям приходится размещать АТФ-синтазу (фермент, помогающий синтезировать АТФ) прямо на внутренней стороне складок своей мембраны.
Основные процессы клеточного дыхания на раз-два-три:
- ПВК приходит в митохондрии, сразу окисляется до ацетила и образует соединение с коферментом А, которое называется ацетил-коА.
- Ацетил-коА вступает в цикл Кребса — это множество последовательных реакций окисления ацетил-коА с помощью кислорода до углекислого газа с образованием большого числа промежуточных соединений.
- Окислительное фосфорилирование — образование АТФ из АДФ за счёт выделившейся энергии с помощью той самой АТФ-синтазы на складках мембраны тех самых митохондрий.
При этом в результате распада 2 ПВК (помним, что 2 ПВК = 1 глюкозе) получается углекислый газ, вода и 36 молекул АТФ.
Энергетическая эффективность катаболизма
Использование кислорода в процессе окисления сильно повышает энергетическую эффективность катаболизма и позволяет получать во много раз больше энергии при расщеплении того же количества питательных веществ: если используем кислород, то получаем 38 АТФ с каждой молекулы глюкозы, а если нет — всего 2.
Поэтому большая часть организмов являются аэробами, то есть потребляют кислород для клеточного дыхания. К аэробам относятся большинство растений, животных, грибов и бактерий.
Энергетический обмен анаэробов
Анаэробы — организмы, которые не используют кислород для окисления веществ (не дышат). Кислород может даже быть токсичен для них. К анаэробам относятся некоторые бактерии и грибы, паразитические животные.
Этапы энергетического обмена анаэробов:
- Первый этап (такой же, как у аэробов).
- Гликолиз (такой же, как у аэробов).
- Брожение — альтернатива клеточному дыханию: превращение ПВК в условиях отсутствия кислорода.
Брожение, как и гликолиз, проходит прямо в цитоплазме и завершается образованием из ПВК различных органических соединений (кислот, спиртов).
АТФ при брожении почти не образуется, энергию анаэробы получают благодаря гликолизу, а брожение необходимо для восстановления участвующих в нём ферментов.
Основные типы брожения:
- Молочнокислое брожение — восстановление ПВК (C3H4O3) до молочной кислоты (лактата C3H6O3). Особенно любят им заниматься молочнокислые бактерии, благодаря чему они и применяются при изготовлении всех кисломолочных продуктов.
Лактат образуется также в мышцах при интенсивной работе и дефиците кислорода, когда его не хватает для окисления всей образующейся ПВК. Тогда её часть превращается в молочную кислоту и вызывает утомление мышц, а также характерную боль после сильной нагрузки. - Спиртовое брожение — окисление ПВК до этанола дрожжами (одноклеточными грибами). Используется для поднятия теста (потому что в процессе образуется углекислый газ) и изготовления алкоголя.
- Уксуснокислое брожение — окисление ПВК до уксусной кислоты. Производится бактериями и применяется при изготовлении уксуса.
- Маслянокислое брожение — окисление ПВК до масляной кислоты и ацетона клостридиями. Используется в производстве ацетона и растворителей.
Автор:
Хусаинова Валерия, руководитель направления методической разработки “100балльного репетитора” по предметам ОГЭ и 10 класса
