Краткое содержание: Параграф §22 / Биология 10 класс

Основные этапы энергетического обмена

Энергетический обмен (катаболизм) — это процесс расщепления органических веществ, сопровождающийся выделением энергии. Основным источником энергии для большинства организмов являются углеводы, которые расщепляются до конечных продуктов — углекислого газа и воды.

Энергетический обмен можно разделить на три ключевых стадии:

• Подготовительная стадия: Полимеры (как в пище, так и запасенные) расщепляются до мономеров (например, полисахариды до моносахаридов, таких как глюкоза) пищеварительными ферментами в желудочно-кишечном тракте или лизосомах. Выделяющаяся энергия рассеивается в виде тепла.
• Бескислородная стадия (анаэробная, или неполное окисление): Происходит в цитоплазме клеток. Главный путь — гликолиз — ферментативный процесс расщепления одной молекулы глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты (пирувата). В результате синтезируется 2 молекулы АТФ. При отсутствии кислорода пируват превращается в молочную кислоту (лактат) или, в случае дрожжей, в этиловый спирт и \( \mathrm{CO}_{2} \) (спиртовое брожение). При этом дальнейшего высвобождения энергии не происходит.
• Кислородная стадия (аэробная, или клеточное дыхание): Происходит в митохондриях. Это сложный многоступенчатый окислительно-восстановительный процесс, в результате которого органические вещества полностью окисляются до \( \mathrm{CO}_{2} \) и \( \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \), высвобождая значительно больше энергии.

Кислородное расщепление (Клеточное дыхание)

При наличии достаточного количества кислорода пировиноградная кислота, образованная в процессе гликолиза, поступает в митохондрии. Кислородная стадия включает:

• Окисление пирувата: Пируват декарбоксилируется и превращается в ацетил-КоА (ацетилкофермент А), с образованием \( \mathrm{CO}_{2} \) и НАДН. Ацетил-КоА также может образовываться при окислении жирных кислот и аминокислот.
• Цикл Кребса (цикл лимонной кислоты): Ацетил-КоА вступает в цикл Кребса (матрикс митохондрий), где происходит его дальнейшее окисление до \( \mathrm{CO}_{2} \). Суммарная реакция цикла Кребса для двух молекул ацетил-КоА (из одной глюкозы) выглядит как: \( \mathrm{2Ацетил-КоА} + \mathrm{6НАД}^{+} + \mathrm{2ФАД} + \mathrm{2ГДФ} + \mathrm{2Ф}_{\mathrm{н}} + \mathrm{2Н}_{2} \mathrm{О} \ \mathrm{4СО}_{2} + \mathrm{6НАДН} + \mathrm{2ФАДН}_{2} + \mathrm{2ГТФ} + \mathrm{2КоАШ} \). В цикле образуются восстановленные переносчики электронов (НАДН и \(\mathrm{ФАДН}_{2}\)) и 2 молекулы АТФ (через ГТФ).
• Окислительное фосфорилирование: Восстановленные НАДН и \(\mathrm{ФАДН}_{2}\) передают электроны на дыхательную цепь (цепь переноса электронов), расположенную на внутренней мембране митохондрий. В процессе переноса электронов освобождается энергия, которая используется для перекачивания ионов \( \mathrm{H}^{+} \) из матрикса в межмембранное пространство, создавая протонный градиент. Протоны возвращаются в матрикс через фермент АТФ-синтазу (протонный канал), и энергия градиента используется для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата (\( \mathrm{Ф}_{\mathrm{н}} \)). Окончательным акцептором электронов и протонов является кислород, с образованием \( \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \).

Общая энергоэффективность

Полное окисление одной молекулы глюкозы до \( \mathrm{CO}_{2} \) и \( \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \) (гликолиз + клеточное дыхание) сопровождается суммарным образованием до 32 молекул АТФ (2 АТФ в гликолизе и до 30 АТФ в митохондриях). Энергетическая эффективность полного окисления глюкозы составляет до 55–70% высвобождаемой энергии, запасенной в молекулах АТФ.