14. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В ОРГАНИЗМЕ: энергетический обмен

• Для чего организму нужна энергия?
• Как энергия используется в организме?
• Из каких этапов складывается энергетический обмен?

Любому организму постоянно требуется энергия для обеспечения самых различных сторон жизнедеятельности: роста, движения, транспорта веществ, размножения и др.

У покрытосеменных растений особенно много энергии уходит на процессы размножения. Только представьте себе, сколько питательных веществ теряют с плодами виноград, яблоня, арбуз! А ведь на их синтез пришлось потратить массу энергии АТФ каждого из этих растений. Огромны затраты энергии и у животных, и у людей. Например, очень велики затраты энергии, воды, солей у сталеваров в горячем цехе. Да и учительница, стоя 45 минут у доски, устаёт больше, чем тракторист за это же время. Затраты энергии у женщин при рождении ребёнка превышают таковые при восхождении альпинистов на Эльбрус или Казбек. У животных и человека, например, очень много энергии требует работа мозга, руководящего всей деятельностью организма, а также функционирование печени, в которой разрушаются ядовитые для организма вещества.

Где же организмы берут энергию? Как уже говорилось, универсальный источник энергии в любой клетке любого организма — это молекулы АТФ. Но чтобы тратить АТФ, её нужно сначала синтезировать за счёт энергии окисления пищевых или запасённых заранее органических молекул. При участии ферментов эти молекулы распадаются до более простых соединений; при этом высвобождается энергия, большая часть которой запасается в виде АТФ. Далее энергия АТФ используется для различных нужд клетки, в том числе и для реакций биосинтеза. Совокупность реакций распада сложных органических веществ в организме, сопровождающихся выделением энергии, получила название диссимиляции или энергетического обмена.

Энергетический обмен. Энергетический обмен проходит в три этапа (рис. 52).

Первый этап — подготовительный. В ходе этого этапа крупные полимерные молекулы под действием ферментов распадаются на фрагменты и мономеры. Например, белки — до аминокислот, крахмал — до глюкозы. Но на этом этапе энергия высвобождается и рассеивается в виде тепла, и АТФ не запасается.

Второй этап — неполное ферментативное окисление продуктов, полученных на первом этапе, прежде всего глюкозы, являющейся основным источником энергии в организме. У животных и некоторых микроорганизмов ферментативное расщепление глюкозы называют гликолизом. При гликолизе из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы трёхуглеродной пировиноградной кислоты (С3Н403), которая во многих клетках, например в мышечных, превращается в молочную кислоту (С3Н603), причём высвобождающейся при этом энергии достаточно для превращения двух молекул АДФ в две молекулы АТФ.

Суммарно гликолиз можно представить в виде уравнения

С₆Н₁₂0₆ + 2Н₃Р0₄ + 2АДФ -> 2С₃Н₄0₃ + 2АТФ + 2С0₂.

Гликолиз — сложный многоступенчатый процесс, протекающий в цитоплазме клеток, в котором участвует большое количество ферментов.

У большинства растительных клеток и у многих грибов вместо гликолиза вторым этапом энергетического обмена является спиртовое брожение:

С₆Н₁₂0₆ + 2Н₃Р0₄ + 2АДФ -> 2С₂Н₅ОН + 2АТФ + 2СО₂.

В спиртовое брожение вступают те же вещества, что и в гликолиз, но образуются этиловый спирт, С02 и две молекулы АТФ.

В третьем этапе энергетического обмена участвуют продукты, которые образовались на втором этапе и которые ещё можно окислить для получения энергии. На этом этапе роль окислителя выполняет кислород воздуха, получаемый в результате внешнего дыхания, а окисление молочной кислоты или этилового спирта происходит до конечных продуктов: С02 и Н20. АТФ на этом этапе образуется гораздо больше, чем на предыдущем. Если пересчитывать на одну молекулу глюкозы, вступившую в реакции второго этапа, суммарная реакция третьего этапа выглядит следующим образом:

С₆Н₁₂0₆ + 60₂ + 30H₃P0₄ + ЗОАДФ -> 6С0₂ + 42Н₂0 + ЗОАТФ.

Эффективность полного окисления глюкозы до углекислого газа и воды очень высока: около 55% освобождающейся энергии запасается в виде макроэргических связей в молекулах АТФ, а 45% рассеивается в виде тепла. Таким образом, коэффициент полезного действия этого процесса составляет 55%.

Третий этап энергетического обмена называют также клеточным дыханием, поскольку в нём активно используется кислород воздуха. Реакции клеточного дыхания проходят в митохондриях. 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.

Итак, главным продуктом реакций энергетического обмена является АТФ — соединение, содержащее в своём составе две макроэргические связи. Энергия, запасённая в этих связях, .необходима для обеспечения всех процессов жизнедеятельности клеток и организма в целом. Она тратится на процессы синтеза самых разных органических веществ, на осуществление различных видов движения, переноса через биологические мембраны ионов и других веществ, на процессы секреции и т. д. Таким образом, АТФ является «универсальной энергетической валютой» клеток — веществом, обеспечивающим связь между процессами диссимиляции (энергетического обмена) и ассимиляции (пластического обмена).

Запомнить: диссимиляция; гликолиз; клеточное дыхание.

Выводы

Энергетический обмен в клетке происходит в три этапа: подготовительный, ферментативный и клеточное дыхание. В результате в клетках запасается универсальный источник энергии — АТФ.

ДУМАЙ, ДЕЛАЙ ВЫВОД, ДЕЙСТВУЙ

Проверь свои знания

1. Какова роль энергетического обмена в жизни организма?
2. Какое место в обмене веществ занимает АТФ?
3. Какой этап энергетического обмена называют клеточным дыханием?

Выполни задание

Перечислите и охарактеризуйте этапы энергетического обмена.

Обсуди с товарищами

Что такое АТФ и какова её роль в организме? Верно ли определение АТФ как «универ¬сальной энергетической валюты»?

Выскажи мнение

Почему, по вашему мнению, митохондрии называют энергетическими станциями клетки?

ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ

• Наиболее древние организмы на Земле, зародившиеся в те эпохи, когда зелёных растений ещё не было и атмосфера была бескислородной, называют анаэробами. Сейчас на нашей планете осталось не так много видов анаэробов: это некоторые микроорганизмы и некоторые паразитические макроорганизмы (например, взрослые аскариды или цепни).
• Важно понимать, что независимо от способа питания основным источником энергии на Земле является излучение Солнца.