Биология

Обеспечение клеток энергией

Энергия необходима всем живым клеткам – она используется для различных биологических и химических реакций, протекающих в клетке. Одни организмы используют энергию солнечного света для биохимических процессов, – это растения (Рис. 1), а другие используют энергию химических связей в веществах, получаемых в процессе питания, – это животные организмы. Извлечение энергии осуществляется путем расщепления и окисления этих веществ, в процессе дыхания, это дыхание называется биологическим окислением, или клеточным дыханием.

Рис. 1. Энергия солнечного света

Клеточное дыхание – это биохимический процесс в клетке, протекающий с участием ферментов, в результате которого выделяется вода и углекислый газ, энергия запасается в виде макроэргических связей молекул АТФ. Если этот процесс протекает в присутствии кислорода, то он носит название аэробный, если же он происходит без кислорода, то он называется анаэробным.                                                                                           

Биологическое окисление включает три основные стадии:

1. Подготовительную.

2. Бескислородную (гликолиз).

3. Полное расщепление органических веществ (в присутствии кислорода).

Поступившие с пищей вещества расщепляются до мономеров. Этот этап начинается в желудочно-кишечном тракте или в лизосомах клетки. Полисахариды распадаются на моносахариды, белки – на аминокислоты, жиры – на глицерин и жирные кислоты. Выделяющаяся на этой стадии энергия рассеивается в виде тепла. Надо отметить, что для энергетических процессов клетки используют именно углеводы, а лучше – моносахариды, а мозг может использовать для своей работы только моносахарид – глюкозу (Рис. 2).

Рис. 2. Подготовительный этап

Глюкоза в процессе гликолиза распадается на две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты. Дальнейшая судьба пировиноградной кислоты зависит от присутствия в клетке кислорода. Если в клетке присутствует кислород, то пировиноградная кислота переходит в митохондрии для полного окисления до углекислого газа и воды (аэробное дыхание). Если кислорода нет, то в животных тканях пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту. Эта стадия проходит в цитоплазме клетки.

Гликолиз – это последовательность реакций, в результате которых одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты, при этом выделяется энергия, которой достаточно для превращения двух молекул АДФ в две молекулы АТФ (Рис. 3).

Рис. 3. Бескислородный этап

Для полного окисления глюкозы обязательно необходим кислород. На третьем этапе в митохондриях происходит полное окисление пировиноградной кислоты до углекислого газа и воды, в результате образуется еще 36 молекул АТФ, так как эта стадия происходит с участием кислорода, ее называют кислородной, или аэробной (Рис. 4).                        

Рис. 4. Полное расщепление органических веществ

Всего на трех этапах образуется 38 молекул АТФ из одной молекулы глюкозы, учитывая две АТФ, полученные в процессе гликолиза.

Таким образом, мы рассмотрели энергетические процессы, происходящие в клетках, охарактеризовали этапы биологического окисления.

Отличие дыхания от горения

Дыхание, происходящее в клетке с выделением энергии, нередко сравнивают с процессом горения. Оба процесса происходят в присутствии кислорода, выделения энергии и продуктов окисления – углекислого газа и воды. Но, в отличие от горения, дыхание – это упорядоченный процесс биохимических реакций, протекающий в присутствии ферментов. При дыхании углекислый газ возникает как конечный продукт биологического окисления, а в процессе горения образование углекислого газа происходит путем прямого соединения водорода с углеродом. Также во время дыхания, помимо воды и углекислого газа, образуется определенное количество молекул АТФ, то есть дыхание и горение – это принципиально разные процессы (Рис. 5). 

Рис. 5. Отличия дыхания от горения

Гликолиз: биомедицинское значение

Гликолиз – это не только главный путь метаболизма глюкозы, но и главный путь метаболизма фруктозы и галактозы, поступающих с пищей. Особенно важна в медицине способность гликолиза к образованию АТФ в отсутствие кислорода. Это позволяет поддерживать интенсивную работу скелетной мышцы в условиях недостаточной эффективности аэробного окисления. Ткани с повышенной гликолитической активностью способны сохранять активность в периоды кислородного голодания. В сердечной мышце возможности осуществления гликолиза ограничены. Она тяжело переносит нарушение кровоснабжения, что может привести к ишемии. Известно несколько болезней, обусловленных недостаточной активностью ферментов гликолиза, одной из которых является гемолитическая анемия (в быстрорастущих раковых клетках гликолиз идет со скоростью, превышающей возможности цикла лимонной кислоты), что способствует повышенному синтезу молочной кислоты в органах и тканях (Рис. 6).    

Рис. 6. Гемолитическая анемия

Повышенное содержание молочной кислоты в организме может быть симптомом рака. Эта особенность метаболизма иногда используется для терапии некоторых форм опухоли.

Брожение

Микробы способны получать энергию в процессе брожения. Брожение известно людям с незапамятных времен, например при изготовлении вина, еще ранее было известно о молочнокислом брожении (Рис. 7).  

Рис. 7. Изготовление вина и сыра

Люди потребляли молочные продукты, не подозревая, что эти процессы связаны с деятельностью микроорганизмов. Термин «брожение» был введен голландцем Ван Хельмонтом для процессов, идущих с выделением газа. Это впервые доказал Луи Пастер. Причем разные микроорганизмы выделяют разные продукты брожения. Мы поговорим о спиртовом и молочнокислом брожении. Спиртовое брожение – это процесс окисления углеводов, в результате которого образуется этиловый спирт, углекислота и выделяется энергия. Пивовары и виноделы использовали способность некоторых видов дрожжей для стимуляции брожения, в результате которого сахара превращаются в спирт. Брожение производят главным образом дрожжи, а также некоторые бактерии и грибы (Рис. 8).

Рис. 8. Дрожжи, мукоровые грибы, продукты брожения – квас и уксус

В нашей стране традиционно используются дрожжи сахаромицеты, в Америке – бактерии из рода Псевдомонас, в Мексике используются бактерии «подвижные палочки», в Азии используют мукоровые грибы. Наши дрожжи, как правило, сбраживают гексозы (шестиуглеродные моносахариды), такие как глюкоза или фруктоза. Процесс образования спирта можно представить следующим образом: из одной молекулы глюкозы образуется две молекулы спирта, две молекулы углекислого газа и выделяются две молекулы АТФ.

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH +2CO₂ + 2АТФ 

Если сравнивать с дыханием, такой процесс менее выгоден в энергетическом отношении, чем аэробные процессы, но позволяет поддерживать жизнь в условиях отсутствия кислорода. При молочнокислом брожении одна молекула глюкозы образует две молекулы молочной кислоты, и при этом выделяется две молекулы АТФ, это можно описать уравнением:

C₆H₁₂O₆ → 2C₃H₆O₃ + 2АТФ

Процесс образования молочной кислоты очень близок к процессу спиртового брожения, глюкоза так же, как и при спиртовом брожении, расщепляется до пировиноградной кислоты, затем она переходит не в спирт, а в молочную кислоту. Молочнокислое брожение широко используется для производства молочных продуктов: сыр, творог, простокваша, йогурты (Рис. 9).

Рис. 9. Молочнокислые бактерии и продукты молочнокислого брожения

В процессе образования сыров сначала участвуют молочнокислые бактерии, которые вырабатывают молочную кислоту, потом пропионовокислые бактерии переводят молочную кислоту в пропионовую, за счет этого у сыров достаточно специфический острый вкус. Молочнокислые бактерии используются при консервировании плодов и овощей, молочная кислота используется в кондитерской промышленности и изготовлении безалкогольных напитков.

 

Список литературы

1. Мамонтов С.Г., Захаров В.Б., Агафонова И.Б., Сонин Н.И. Биология. Общие закономерности. – Дрофа, 2009.

2. Пономарева И.Н., Корнилова О.А., Чернова Н.М. Основы общей биологии. 9 класс: Учебник для учащихся 9 класса общеобразовательных учреждений/ Под ред. проф. И.Н. Пономаревой. – 2-е изд., перераб. – М.: Вентана-Граф, 2005.

3. Пасечник В.В., Каменский А.А., Криксунов Е.А. Биология. Введение в общую биологию и экологию: Учебник для 9 класса, 3-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2002.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-сайт «Биология и медицина» (Источник)

2. Интернет-сайт meduniver.com (Источник)

3. Интернет-сайт «Медицинская энциклопедия» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Что такое биологическое окисление и его этапы?

2. Что такое гликолиз?

3. В чем сходство и различие спиртового и молочнокислого брожения?