САДЫКОВ БОРИС ФАГИМОВИЧ, к.б.н., доцент. Приглашаю на занятия по биологии и генетике. boris.sadykov@gmail.com; +7 (927) 32-32-052
САДЫКОВ БОРИС ФАГИМОВИЧ, к.б.н., доцент. Приглашаю на занятия по биологии и генетике. boris.sadykov@gmail.com; +7 (927) 32-32-052

Энергетический обмен. Дыхание

Главная - А. Общая биология - Энергетический обмен. Дыхание

Здравствуйте, уважаемые читатели блога репетитора  биологии по Скайпу biorepet-ufa.ru.

В этой статье, посвященной теме энергетического обмена в клетках, будут рассматриваться процессы расщепления  углеводов как основных органических веществ, служащих для энергетических нужд организмов.

Большинство живых существ на Земном шаре являются аэробными организмами. То есть для жизни им необходим кислород воздуха.

Но на вопрос  для чего мы дышим,

большинство ответит: «для того, чтобы кровь, а посредством нее и все ткани организма насытить кислородом». И всё!

А для чего надо ткани насыщать кислородом? Этот вопрос уже   ставит в затруднительное положение многих.  

Как репетитор биологии по Скайпу,  должен подчеркнуть, что  потребляемый аэробными организмами КИСЛОРОД необходим лишь для того, чтобы попасть в МИТОХОНДРИИ  и осуществить окисление органических веществ для выработки энергии АТФ.

Отсюда и двойное название у  митохондрий. Их  называют и    дыхательным центром и энергетическими станциями  клетки.  Выходит,  кислород больше ни для чего  и не нужен.

Меньшая часть организмов на Земле получают энергию не используя кислород для расщепления органических веществ (анаэробные организмы), но их энергетический обмен протекает с гораздо меньшей эффективностью, чем у аэробов.

           Разберем вкратце все три этапа энергетического обмена у аэробных организмов

Первый этап энергетического обмена, называется подготовительным. Он заключается в расщеплении крупных молекул органических веществ  до более мелких составных частей при участии воды (реакции гидролиза):

а) если расщеплению подвергаются чужеродные органические вещества пищи, то этот процесс протекает в желудочно-кишечном тракте;
б) если расщеплению подвергаются собственные органические вещества клеток, то этот процесс происходит за счет ферментов клеточных лизосом.  При этом вся энергия расщепления выделяется в виде тепла и молекулы АТФ не образуются.

Второй этап, называемый гликолизом. Рассмотрим  его на примере расщепления самого распространенного источника энергии в клетке — молекулы глюкозы, являющейся гексозой, то есть С6 соединением.

Одна молекула глюкозы, подвергаясь бескислородному окислению (расщеплению) в цитоплазме клеток дает 2 молекулы пировиноградной кислоты ПВК (С3 соединение). Выход энергии при этом незначительный, за счет субстратного фосфорилирования запасается всего 2 молекулы АТФ.

Для анаэробных организмов, собственно, таким запасанием энергии расщепления глюкозы в 2 молекулы АТФ, энергетический обмен и ограничивается. В зависимости от вида микроорганизмов конечными продуктами брожения (бескислородного расщепления) у них являются  крупные органические молекулы молочной кислоты  — С3 соединение (молочно-кислые бактерии), уксусной кислоты — С2 соединение (уксусно-кислые бактерии), этилового спирта — С соединение (дрожжи) и т.д.

А вот аэробные организмы «научились» извлекать максимум энергии. У них в специализированных   клеточных органеллах — митохондриях, осуществляется процесс окислительного фосфорилирования (создается большой запас энергии в виде еще 36 молекул АТФ).

Итак, мы помним, что второй бескислородный этап у аэробов закончился образованием из одной молекулы глюкозы двух молекул ПВК (пировиноградная кислота — лишь при недостатке поступления в организм молекулярного кислорода при беге, интенсивной работе, ПВК переходит в молочную кислоту, которая, временно накапливаясь, может вызвать  усталость мышечной ткани).

При достаточном обеспечении митохондрий клеток кислородом,  ПВК в матриксе митохондрий поступает в цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислототкрытый Кребсом и поэтому названный его именем), где расщепляясь на многих стадиях до  СО2 и воды, образует на каждом этапе молекулы НАДН.

Молекулы НАДН «питают» своей энергией цепь переноса электронов (ЦПЭ), которая находится на кристах митохондрий и служит окислительному фосфорилированию (образованию из АДФ  —> АТФ). Причем без молекулярного кислорода ЦПЭ вообще не будет работать. Кислород, как сильный окислитель, являясь конечным акцептором электронов в цепи переноса электронов,  обеспечивает её бесперебойную работу. 

Такое тесное «сотрудничество» цепи переноса электронов с циклом Кребса в митохондриях обеспечивает осуществление процесса образования АТФ путем окислительного фосфорилирования с высокой эффективностью.

***************************************

У кого есть вопросы по  статье к репетитору биологии по Скайпу,  замечания, пожелания — прошу в комментарии.

Репетитор по биологии Садыков Борис Фагимович, 1956 г. рождения. Кандидат биологических наук, доцент. Живу в замечательном городе Уфе. Преподавательский стаж с 1980 года. Репетитор биологии по Скайпу.
А. Общая биология | анаэробные организмыаэробные организмыброжениегликолиздыханиемитохондрииокисление органических веществокислительное фосфорилированиерепетитор ЕГЭ по биологии по Скайпуцепь переноса электроновцикл Кребсаэнергетические станции клеткиэнергетический обменэтапы энергетического обмена | Отзывов (30)
Отзывов (30)
  1. Татьяна

    Здравствуйте, Борис Фагимович. Встретилось вот такое задание. В процессе гидролиза образовалось 972 молекулы АТФ. Определите, какое количество молекул глюкозы подверглось расщеплению и сколько молекул АТФ образовалось в результате гликолиза и полного окисления? В пояснениях к задаче дано. В процессе энергического обмена из одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ, следовательно, гликолизу, а затем полному окислению подверглось: 1368:38= 36 молекул глюкозы. Откуда появилось число 1368? Куда делось 972? Спасибо. С уважением Татьяна Александровна.

    Ответить
    • Борис Садыков

      Здравствуйте, Татьяна Александровна! Я уже кому-то пояснял это нелепое задание. Оно явно не из открытого банка заданий ФИПИ. «Гидролизу» могут подвергаться полисахариды и дисахариды (но не моносахара). Значит у авторов задания ошибка уже в том, что они пишут «гидролиз глюкозы». Да и пояснение никуда не годится, так как цифра 1368 явно взята «с неба». Думается, что они под «гидролизом» подразумевали третий этап энергетического обмена (кислородный). Поэтому решение может выглядеть так:
      1) на третьем кислородном этапе диссимиляции из одной молекулы глюкозы образуется 36 молекул АТФ, следовательно, окислению подвергалось 972 : 36 = 27 молекул глюкозы (а реально 54 молекулы ПВК);
      2) поскольку при гликолизе, одна молекула глюкозы, расщепляясь до 2-х молекул ПВК, дает 2 молекулы АТФ, то общее количество молекул АТФ, образуемых на этом этапе, равно: 27 х 2 = 54;
      3) при полном окислении одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ, следовательно, при полном окислении 27 молекул глюкозы образуется: 27 х 38 = 1026 молекул АТФ (или 972 + 54 = 1026).

      Ответить
      • Татьяна

        Спасибо, огромное за ответ. Вариант взят с сайта Решу ЕГЭ с Дмитрием Гущиным.

        Ответить
        • Борис Садыков

          Сказать о сайте «Решу ЕГЭ» что он хороший — это значит ничего не сказать. ОН ОЧЕНЬ хороший и по качеству, и по замечательно-умопомрачительному объему материала (но от ошибок, к сожалению, не застрахован никто).

          Ответить
      • Татьяна

        Добрый день, поясните, пожалуйста, почему рассматривают, что на третьем этапе катаболизма происходит расщепление глюкозы, там расщепляется ПВК либо молочная кислота, а значит по этой задачке получается, что для определения количества молекул глюкозы необходимо 972 молекулы АТФ разделить не на 36, а 38 молекул АТФ (т.е. подразумевается полное окисление+неполное окисление, глюкоза вначале в любом случае проходит этап бескислородный). Или я что-то упустила?

        Ответить
        • Борис Садыков

          Здравствуйте, Татьяна. Конечно, на третьем этапе катаболизма «в топку» цикла Кребса поступает не сама глюкоза, а С3 соеденения, но лишь для удобства расчета баланса выхода энергии, пересчет делают на 1 молекулу глюкозы. Вот эта самая пресловутая молекула глюкозы расщепляясь на втором этапе дает 2 молекулы АТФ, а то, что от неё останется 2 молекулы ПВК на третьем этапе дают еще 36 молекул АТФ. У конкретно этого задания какое-то исходное условие непонятное. Можно полагать, что 972 молекулы АТФ образовалось именное только на третьем этапе (а не на втором + третьем, как думаете Вы).

          Ответить
          • Татьяна

            Спасибо

            Ответить
            • Татьяна

              Помогите, пожалуйста, с решением еще одной задачи. В результате диссимиляции в клетках образовалось 5 молей молочной кислоты и 27 молей углекислого газа. Определите: а) сколько всего молей глюкозы израсходовано; б) сколько из них подверглось только неполному и сколько полному расщеплению? (задачу переписала слово в слово) Мой ответ не сходится с ответом методички, а еще я не понимаю как может уйти меньше глюкозы на неполное расщепление, а на полное больше согласно этой задачке.

              Ответить
              • Борис Садыков

                Здравствуйте, Татьяна! В 5 молях молочной кислоты содержится 5 х 3 = 15 атомов С и еще 27 атомов в 27 молях СО2. а) Всего подверглось окислению 42 атома С или 42 : 6 = 7 молей глюкозы. б) Из них 2,5 моля подверглось неполному, а 4,5 моля — полному окислению.
                А что Вас смущает: может вообще не образовываться ни одного моля молочной кислоты, а все до одной молекулы ПВК, образовавшиеся при гликолизе, могли пойти в «топку» цикла Кребса.

                Ответить
                • Татьяна

                  смущает то, что пвк образуется в любом случае и только после этого его молекулы уже поступают в митохондрии, следовательно они должны учитываться. А тут получается — 2,5 моль глюкозы ушло на первый этап катаболизма, а 4,5 моль перескочив первый этап сразу перешли к полному окислению.

                  Ответить
                  • Борис Садыков

                    Ни один моль глюкозы никуда «не перескакивает». Второй этап сводится к расщеплению глюкозы до ПВК и только в таком виде (в виде С3 соединения) бывшая глюкоза поступает в цикл Кребса. Будет ли при этом часть ПВК трансформироваться в молочную кислоту или совсем не будет — «это нас не должно «волновать вовсе». В данном задании часть ПВК перешло в молочную кислоту и не попало в «топку», ну и что? Вот эта часть глюкозы просто не будет учитываться в балансе глюкозы, подвергнутой окислению на третьем этапе… Понимаете, Татьяна, я до сих пор не понимаю, чего Вам не понятно?

                    Ответить
  2. StanislavNedoseev

    Здравствуйте, Борис Фагимович! Вопрос из реального ЕГЭ 2015 г. Теплообразование происходит при:
    1) сужении сосудов
    2) расширении сосудов
    3) окислении органических веществ
    4) синтезе органических веществ.
    Мой ответ 3, так как в ходе окисления органики происходит выделение тепла (подготовительная стадия энергетического обмена). Правильный ли мой ответ?

    Ответить
    • Борис Садыков

      Да, Станислав, Вы выбрали ответ правильно. При расширении сосудов идет не выработка тепла организмом, а его отдача в окружающую среду.

      Ответить
  3. Светлана

    Борис Фагимович! День добрый. Посмотрите задачу, правильно ли я её решила? В результате гликолиза образовалось 56 молекул ПВК. Определите какое количество молекул глюкозы подверглось расщеплению? Сколько молекул АТФ образовалось при гидролизе? Сколько молекул АТФ образовалось при полном окислении? Решение: глюкозы образовалось 28 молекул, При гидролизе 0 молекул АТФ, при полном окислении 1064 молекул АТФ

    Ответить
    • Борис Садыков

      Здравствуйте, Светлана! Расщеплению подверглось (а не «глюкозы образовалось», как Вы пишите) 28 молекул глюкозы. Второй вопрос в задании должен, по моему, быть таким: сколько молекул АТФ образовалось при ГЛИКОЛИЗЕ? Там, видимо, ошибка в вопросе. При гликолизе: сколько образовалось молекул ПВК, столько же будет и молей АТФ — 56. Да, при полном окислении 28 молекул глюкозы образуется 28 х 38 = 1064 молекул АТФ.

      Ответить
      • Светлана

        Добрый день, Борис Фагимович! Аэробное дыхание называют ещё и гидролизом, в инете нашла. По моему и на подготовительном этапе тоже происходит гидролиз.

        Ответить
        • Борис Садыков

          Да, только подготовительный этап энергетического обмена (расщепление крупных органических молекул с присоединением воды, приводящий к образованию мономеров) и называется гидролизом.

          Ответить
  4. Даниил

    Здравствуйте, Борис Фагимович! Спасибо за замечательный блог и материалы! Я сам пару лет назад закончил биофак- сейчас учусь в аспирантуре, но возникла необходимость помочь сестре подготовиться к ЕГЭ по биологии…и в процессе разбора материала для занятий и заданий ЕГЭ у меня возникло много сложностей, так как материал зачастую не соответствует, а то и противоречит тому, как должно быть в университетской биологии. Был бы очень Вам признателен, если поможете разобраться в одном моменте…
    Вот есть три этапа катаболизма, на первом не образуется АТФ, на втором 2 молекулы и третий… в течение кислородного этапа у эукариот проходит одновременно 2 процесса: цикл Кребса в матриксе митохондрий (в течение него образуется 2 молекулы АТФ) и окислительное фосфорилирование на кристах митохондрий (в течение него образуется 34 молекулы АТФ). Так же дается в ряде пособий: у Ярыгина, у Садовниченко. В итоге получается 36 молекул АТФ. Но почему то в задачах на расчет молекул АТФ и глюкозы слова кислородный этап и окислительное фосфорилирование отождествляют друг с другом…Например, вот такая задача: «В процессе энергетического обмена образовалось 950 молекул АТФ. Сколько молекул глюкозы вступило в реакции энергетического обмена? Сколько молекул АТФ образовалось при гликолизе и сколько на этапе окислительного фосфорилирования?» В ответе дается, что на этапе окислительного фосфорилирования образовалось 900 молекул АТФ (то есть они считают по 36 молекулам), хотя, на мой взгляд, верно считать по 34 молекулам и тогда будет 850 молекул АТФ… в чем я не прав? Заранее спасибо Вам.

    Ответить
    • Борис Садыков

      Здравствуйте, Даниил. Вы правы, что нельзя отождествлять окислительное фосфорилирование, дающее 34 молекулы АТФ на 1 молекулу окисленной глюкозы, с общим количеством АТФ, образованном в митохондриях на третьем кислородном этапе катаболизма (равном 36 молекулам). Нельзя-то нельзя, но авторы школьных учебников (из-за соображений большей доступности не простого для школьников материала), видимо, сознательно идут на это. А все тестовые задания по ЕГЭ должны составляться по школьным учебникам. Поэтому, в приведенной Вами задаче, фразу «Сколько молекул АТФ образовалось при гликолизе и сколько на этапе окислительного фосфорилирования?» надо читать так: «Сколько молекул АТФ образовалось при гликолизе и сколько на третьем кислородном этапе?».
      Даниил, чтобы «реально» помочь сестре в подготовке в сдаче ЕГЭ, а не оказать помощь в знании биологию, Вам надо просто руководствоваться её школьным учебником, а не своими университетскими знаниями биохимии. Вообще-то подобных казусов встречается совсем не много по сравнению с порой неважнецки составленными тестами даже по школьной программе.

      Ответить
      • Даниил

        Большое спасибо за ответ, Борис Фагимович! Наверное, Вы правы, и мне нужно постараться «упроститься», не впадать в шок от таких вещей и не смущать ими сестренку, ведь ей и так не просто ориентироваться в этом огромном биологическом «мире».
        Ваши статьи и книги очень помогают доступно объяснять те подводные камни биологии, которые очень важны, но почему-то всегда ускользают как песок сквозь пальцы… Например, чередование спорофита и гаметофита у растений… или задачки на сцепленное наследование. Найти образный, простой язык для объяснения сложных вещей — это, на мой взгляд, и есть настоящий преподавательский дар….и этого очень не хватает сейчас не только в школах, но и на биологических специальностях в ВУЗе…так что спасибо еще раз за такой замечательный сайт!

        Ответить
        • Борис Садыков

          Даниил, а Вам большое спасибо за такую эмоциональную поддержку, за понимание значимости моего труда. Успехов Вам во всем и во взращивании хотя бы еще одного хорошего биолога в лице Вашей сестры.

          Ответить
  5. Игорь

    Добрый день, Борис Фагимович! Замечательная статья, которая легко запоминается с помощью иллюстраций. Скажите, пожалуйста, Вы не мог ли бы осветить такой вопрос: почему наступает мышечное жжение и мышечный отказ? Везде бытует мнение, что это из-за накопления молочной кислоты, но здесь сказано, что она сама является источником энергии. Что же в таком случае является камнем преткновения? Заранее спасибо.

    Ответить
    • Борис Садыков

      Здравствуйте!
      Никакого «камня» здесь нет. Игорь, спасибо за вопрос. Благодаря вашему вопросу я добавил в текст несколько строк, поясняющих его и думаю, что теперь вопрос снят?
      Игорь, совсем бы не был против, если бы Вы обнаружили не ясные для Вас моменты и в других статьях.

      Ответить
      • Игорь

        Спасибо большое за ответ, Борис Фагимович! Скажите, пожалуйста, а что представляет собой цепь переноса электронов или где можно узнать об этом побольше?

        Ответить
        • Борис Садыков

          Игорь, раз вы спрашиваете, значит в вашем школьном учебнике по общей биологии третий этап энергетического обмена рассмотрен слишком поверхностно. Об электронтранспортной цепи для сдачи экзамена по биологии в школе больше того, чем я описываю в своей статье знать и не нужно. В вузовском учебнике «Биохимии» Ленинджера этот вопрос разбирается подробно.
          Цепь переноса электронов (ЦПЭ) или дыхательная электронтранспортная цепь (ЭТЦ) это система структурно и функционально связанных белков и переносчиков электронов, располагающихся на кристах митохондрий. ЭТЦ позволяет запасти энергию, выделяющуюся в ходе окисления НАД∙Н (образующуюся в цикле Кребса) молекулярным кислородом в форме трансмембранного протонного потенциала за счёт последовательного переноса электрона по цепи, сопряжённого с перекачкой протонов через мембрану (думаю, что «легче» не стало).

          Ответить
          • Игорь

            Борис Фагимович, а здесь есть сходство с фотосинтезом при котором во время световой фазы при напряжении более 200 мВ происходит движение протонов из тилакоидов в строму? Та же цепь?

            Ответить
            • Борис Садыков

              Да, Игорь, сходство есть. Природа очень рациональна и что-либо хорошее «применяется» ею в разных процессах. Сходство в том, что внутренние мембраны митохондрий (кристы) и хлоропластов (тилакоиды) обеспечивают фосфорилирование (присоединение фосфата к АДФ с образованием АТФ). Но в митохондриях работает именно многоступенчатая цепь переноса электронов, которая обеспечивает окислительное фосфорилирование, а в хлоропластах такой электронтранспортной цепи нет и в них происходит фотофосфорилирование.

              Ответить
              • Игорь

                Спасибо большое, стало гораздо понятнее

                Ответить
              • Игорь

                Борис Фагимович, здравствуйте, хотелось бы еще узнать что-нибудь про гликолиз на примере расщепления жиров и аминокислот, в каких случаях они происходят и какие следствия из всего этого. Помогите, пожалуйста, или подскажите литературу, где это можно прочесть.

                Ответить
                • Борис Садыков

                  Здравствуйте, Игорь. Лучшего учебника по биохимии, чем учебник «Биохимия» 1975 г. А.Ленинджера не существовало. В 1985 году вышел 3-х томник А.Ленинджера «Основы биохимии». Все эти книги можно скачать в интернете.

                  Ответить
Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *