Этапы энергетического обмена

☰

Энергетический обмен — это по-этапный распад сложных органических соединений, протекающий с выделением энергии, которая запасается в макроэргических связях молекул АТФ и используется потом в процессе жизнедеятельности клетки, в том числе на биосинтез, т.е. пластический обмен.

В аэробных организмах выделяют три последовательных этапа энергетического обмена:

  1. Подготовительный — расщепление биополимеров до мономеров.
  2. Бескислородный — гликолиз — расщепление глюкозы до пировиноградной кислоты.
  3. Кислородный — расщепление пировиноградной кислоты до углекислого газа и воды.

Подготовительный этап

На подготовительном этапе энергетического обмена происходит расщепление поступивших с пищей органических соединений на более простые, обычно мономеры. Так углеводы расщепляются до сахаров, в том числе глюкозы; белки — до аминокислот; жиры — до глицерина и жирных кислот.

Хотя при этом выделяется энергия, она не запасается в АТФ и, следовательно, не может быть использована впоследствии. Энергия рассеивается в виде тепла.

Расщепление полимеров у многоклеточных сложноорганизованных животных протекает в пищеварительном тракте под действием выделяющихся сюда железами ферментов. Затем образовавшиеся мономеры всасываются в кровь в основном через кишечник. Уже кровью питательные вещества разносятся по клеткам.

При этом не все вещества разлагаются до мономеров в пищеварительной системе. Расщепление многих происходит непосредственно в клетках, в их лизосомах. У одноклеточных организмов поглощенные вещества попадают в пищеварительные вакуоли, где и перевариваются.

Образовавшиеся мономеры могут использоваться как для энергетического, так и пластического обмена. В первом случае они расщепляются, во-втором – из них синтезируются компоненты самих клеток.

Бескислородный этап энергетического обмена

Бескислородный этап протекает в цитоплазме клеток и в случае аэробных организмов включает только гликолиз — ферментативное многоступенчатое окисление глюкозы и ее расщепление до пировиноградной кислоты, которую также называют пируватом.

Молекула глюкозы включает шесть атомов углерода. При гликолизе она расщепляется до двух молекул пирувата, который включает три атома углерода. При этом отщепляется часть атомов водорода, которые передаются на кофермент НАД, который, в свою очередь, потом будет участвовать в кислородном этапе.

Часть выделяющейся при гликолизе энергии запасается в молекулах АТФ. На одну молекулу глюкозы синтезируется всего две молекулы АТФ.

Энергия, оставшаяся в пирувате, запасенная в НАД, у аэробов далее будет извлечена на следующем этапе энергетического обмена.

В анаэробных условиях, когда кислородный этап клеточного дыхания отсутствует, пируват «обезвреживается» в молочную кислоту или подвергается брожению. При этом энергия не запасается. Таким образом, здесь полезный энергетический выход обеспечивается только малоэффектвным гликолизом.

Кислородный этап

Кислородный этап протекает в митохондриях. В нем выделяют два подэтапа: цикл Кребса и окислительное фосфорилирование. Поступающий в клетки кислород используется только на втором. В цикле Кребса происходит образование и выделение углекислого газа.

Цикл Кребса протекает в матриксе митохондрий, осуществляется множеством ферментов. В него поступает не сама молекула пировиноградной кислоты (или жирной кислоты, аминокислоты), а отделившаяся от нее с помощью кофермента-А ацетильная группа, включающая два атома углерода бывшего пирувата. За многоступенчатый цикл Кребса происходит расщепление ацетильной группы до двух молекул CO

2 и атомов водорода. Водород соединяется с НАД и ФАД. Также происходит синтез молекулы ГДФ, приводящей к синтезу потом АТФ.

На одну молекулу глюкозы, из которой образуется два пирувата, приходится два цикла Кребса. Таким образом, образуется две молекулы АТФ. Если бы энергетический обмен заканчивался здесь, то суммарно расщепление молекулы глюкозы давало бы 4 молекулы АТФ (две от гликолиза).

Окислительное фосфорилирование протекает на кристах – выростах внутренней мембраны митохондрий.

Его обеспечивает конвейер ферментов и коферментов, образующий так называемую дыхательную цепь, заканчивающуюся ферментом АТФ-синтетазой.

По дыхательной цепи происходит передача водорода и электронов, поступивших в нее от коферментов НАД и ФАД. Передача осуществляется таким образом, что протоны водорода накапливаются с внешней стороны внутренней мембраны митохондрий, а последние ферменты в цепи передают только электроны.

В конечном итоге электроны передаются молекулам кислорода, находящимся с внутренней стороны мембраны, в результате чего они заряжаются отрицательно. Возникает критический уровень градиента электрического потенциала, приводящий к перемещению протонов через каналы АТФ-синтетазы. Энергия движения протонов водорода используется для синтеза молекул АТФ, а сами протоны соединяются с анионами кислорода с образованием молекул воды.

Энергетический выход функционирования дыхательной цепи, выраженный в молекулах АТФ, велик и суммарно составляет от 32 до 34 молекул АТФ на одну исходную молекулу глюкозы.

где происходит пластический и энергетический обмен?

Все вопросы /Биология / класс

0 /10000

Ответы2

Энергетический обмен, или катабализм или диссимиляция, происходит в митохондриях. В ходе него высвобождается энергия в виде молекул АТФ и тепла, которое рассеивается по клетке/ организму. Данный процесс называется гликолизом, имеет 3 стадии. Подготовительную, бескислородную- матрикс митохондрий, из глюкозы образуется 2 молекулы АТФ и пировиноградная кислота. Кислородный этап-кристы тех же митохондрий. Пировиноградная кислота окисляется до кислорода и воды, образуется 36 молекул АТФ.

Пластический, ассимиляция или анаболизм, происходит в результате синтеза организмом веществ. В первую очередь белков. Происходит на рибосомах.

        Чтобы максимально точно ответить на заданный вопрос рассмотрим понятия «пластический и энергетический обмен».

Понятия пластического и энергетического обмена

        Эти два понятия вытекают из определения обмена веществ.

Метаболизм или обмен веществ — это скорость химических соединений, которые ежедневно происходят в нашем организме. Обмен веществ состоит из двух компонентов: пластического и энергетического обмена. Рассмотрим подробнее эти два понятия:

  • Энергетический обмен — это обменный процесс, при котором происходит разделение питательных веществ до простейших соединений. Выделяют несколько этапов энергетического обмена.
  • Пластический обмен — это реакции, происходящие в организме, при которых синтезируется химические вещества из сложных в простые при помощи энергии. По-другому, пластический обмен именуется анаболизмом.

Стадии энергетического обмена

  • Подготовительная стадия. На данной стадии происходит в желудке человека, где белки под действием различного типа ферментов распадаются на простейшие аминокислоты, а углеводы — на моносахариды.
  • Анаэробная стадия. Расщепляются органические соединения до более простых и однородных веществ. Анаэробная стадия может протекать в организме, не включая в себя кислород. Данный этап протекает исключительно в цитоплазме.
  • Аэробная стадия должна происходит только при участии кислорода. На этой стадии промежуточные продукты обмена превращаются в переработанные продукты.

      Заканчивается процесс энергетического обмена непосредственно в клетке, а именно в митохондриях. 

Разновидности пластического обмена

      Пластический обмен веществ, в отличие от энергетического процесса происходит только на клеточном уровне. Пластический обмен имеет три разновидности:

  • Фотосинтез (Обладают исключительно растения и бактерии).
  • Хемосинтез (Используются определёнными бактериями без участия кислорода).
  • Биосинтез белков (Происходит обмен белков в организме человека, которые впоследствии превращаются в аминокислоты).

      Таким образом, пластический и энергетический обмен  имеют связь между собой. Энергетический обмен проходит несколько этапов и преимущественно протекает в митохондриях. А пластический обмен происходит исключительно в клетках.

 

Передача и преобразование энергии


Энергия не может быть создана или уничтожена, а это означает, что общее количество энергии во Вселенной всегда было и всегда будет постоянным. Однако это не означает, что энергия неизменна; он может менять форму и даже перемещаться между объектами.

Типичным примером передачи энергии, который мы наблюдаем в повседневной жизни, является передача кинетической энергии — энергии, связанной с движением — от одного движущегося объекта к неподвижному объекту посредством работы. В физике работа является мерой передачи энергии и относится к силе, прилагаемой объектом на расстоянии. Когда клюшка для гольфа замахивается и ударяет по неподвижному мячу для гольфа, часть кинетической энергии клюшки передается мячу, поскольку клюшка «воздействует» на мяч. При передаче энергии, подобной этой, энергия переходит от одного объекта к другому, но остается в той же форме. Передачу кинетической энергии легко наблюдать и понять, но другие важные передачи не так легко визуализировать.

Тепловая энергия связана с внутренней энергией системы из-за ее температуры. Когда вещество нагревается, его температура повышается, потому что молекулы, из которых оно состоит, движутся быстрее и получают тепловую энергию за счет теплопередачи. Температура используется как мера степени «горячости» или «холодности» объекта, а термин «тепло» используется для обозначения передачи тепловой энергии от более горячей системы к более холодной. Передача тепловой энергии происходит тремя путями: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Когда тепловая энергия передается между соседними молекулами, находящимися в контакте друг с другом, это называется теплопроводностью. Если металлическую ложку поместить в кастрюлю с кипящей водой, то даже ее конец, не касающийся воды, сильно нагреется. Это происходит потому, что металл является эффективным проводником, а это означает, что тепло легко проходит через материал. Колебания молекул на конце ложки, касающейся воды, распространяются по всей ложке, пока все молекулы не станут вибрировать быстрее (т. е. вся ложка не нагреется). Некоторые материалы, такие как дерево и пластик, не являются хорошими проводниками — тепло не проходит через эти материалы — и вместо этого известны как изоляторы.

Конвекция происходит только в жидкостях, таких как жидкости и газы. Когда вода кипятится на плите, молекулы воды на дне кастрюли находятся ближе всего к источнику тепла и первыми получают тепловую энергию. Они начинают двигаться быстрее и растекаются, создавая меньшую плотность молекул на дне горшка. Затем эти молекулы поднимаются наверх горшка, а на дне их заменяет более холодная и плотная вода. Процесс повторяется, создавая поток молекул, опускающихся, нагревающихся, поднимающихся, охлаждающихся и снова опускающихся.

Третий тип теплопередачи — излучение — имеет решающее значение для жизни на Земле и важен для нагревания водоемов. При излучении источник тепла не должен касаться нагреваемого объекта; излучение может передавать тепло даже через космический вакуум. Почти вся тепловая энергия на Земле исходит от Солнца и излучается на поверхность нашей планеты в виде электромагнитных волн, таких как видимый свет. Материалы на Земле затем поглощают эти волны для использования в качестве энергии или отражают их обратно в космос.

При преобразовании энергии энергия меняет форму. Мяч, стоящий на вершине холма, обладает гравитационной потенциальной энергией, которая представляет собой потенциал объекта для выполнения работы из-за его положения в гравитационном поле. Вообще говоря, чем выше на холме находится этот шар, тем больше у него гравитационной потенциальной энергии. Когда сила толкает его вниз по склону, эта потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию. Мяч продолжает терять потенциальную энергию и набирать кинетическую энергию, пока не достигнет подножия холма.

Во вселенной без трения мяч, достигнув дна, продолжал бы катиться вечно, так как у него была бы только кинетическая энергия. Однако на Земле мяч останавливается у подножия холма из-за того, что кинетическая энергия преобразуется в тепло противодействующей силой трения. Так же, как и при передаче энергии, при преобразованиях энергия сохраняется.

В природе передача и преобразование энергии происходят постоянно, например, в прибрежных дюнах.

Когда тепловая энергия излучается солнцем, она нагревает и сушу, и океан, но вода обладает большой удельной теплоёмкостью, поэтому нагревается медленнее, чем суша. Эта разница температур создает конвекционный поток, который затем проявляется в виде ветра.

Этот ветер обладает кинетической энергией, которую он может передавать песчинкам на пляже, перенося их на небольшое расстояние. Если движущийся песок сталкивается с препятствием, он останавливается из-за трения, создаваемого контактом, и его кинетическая энергия затем преобразуется в тепловую энергию или тепло. Когда со временем накапливается достаточное количество песка, эти столкновения могут создавать песчаные дюны и, возможно, даже целое поле дюн.

Эти новообразованные песчаные дюны создают уникальную среду обитания для растений и животных. Растение может расти в этих дюнах, используя световую энергию, излучаемую солнцем, для преобразования воды и углекислого газа в химическую энергию, которая запасается в сахаре. Когда животное ест растение, оно использует энергию, хранящуюся в этом сахаре, для обогрева своего тела и передвижения, преобразуя химическую энергию в кинетическую и тепловую энергию.

Хотя это может быть не всегда очевидно, вокруг нас постоянно происходят переносы и преобразования энергии, благодаря которым жизнь, какой мы ее знаем, существует.

Примеры и типы I StudySmarter

Термин перенос энергии относится к изменениям энергии, происходящим внутри и между организмами в экосистеме.

Организмы нуждаются в непрерывном потреблении энергии. Вся жизнь зависит от энергии и ее передачи между различными организмами. Это помогает поддерживать их высокоупорядоченные структуры и системы.

Каждое взаимозависимое сообщество организмов взаимодействует с другими сообществами в своей среде. Эти экосистемы поддерживаются за счет энергии солнца и фотосинтезирующих организмов, способных получать энергию от солнечного света.

По способу передачи энергии существуют два типа организмов: автотрофы и гетеротрофы . Некоторые примеры автотрофов включают растения, лишайники или водоросли, поскольку все три из этих организмов могут синтезировать свою собственную энергию. Гетеротрофы, с другой стороны, не могут синтезировать свою собственную энергию и полагаются на ее потребление, поедая другие организмы. Есть много примеров гетеротрофов, включая людей, собак или любых других потребителей в пищевой цепочке.

Как использовать формулу передачи энергии?

Большое количество энергии всегда теряется между каждым уровнем пищевой цепи, называемым трофическими уровнями . Это связано со вторым законом термодинамики. В нем говорится, что всякий раз, когда энергия преобразуется из одной формы в другую, в системе происходит увеличение энтропии (беспорядка). В контексте пищевой цепи это означает, что большое количество энергии теряется в виде тепла при потреблении организмами.

Эффективность передачи энергии между двумя трофическими уровнями называется TLTE . Это означает «эффективность переноса на трофическом уровне» и определяется по следующей формуле переноса энергии:

TLTE = продуктивность на нынешнем трофическом уровне продуктивность на предшествующем трофическом уровне × 100 получили 400 ккал при передаче энергии, расчет будет следующим:

400 ккал 5000 ккал × 100 = 8% TLTE

Еще одно уравнение, которое вам нужно знать, — это чистая эффективность производства (NPE). Чистая эффективность производства используется для расчета того, насколько эффективно организмы трофического уровня превращают энергию, которую они потребляют, в биомассу. Формула NPE:

NPE=netconsumerproductivityassimilation×100

Чистая продуктивность производства, или NPP, относится к количеству энергии, доступной для организмов на следующем трофическом уровне. Ассимиляция относится к биомассе текущего трофического уровня после потери некоторой энергии из-за неполного приема пищи, отходов и дыхания. Подробнее об этом можно прочитать в разделе «Потоки энергии в экосистемах».

Как изобразить на диаграмме передачу энергии?

Различные типы передачи энергии можно отображать по-разному. Однако мы обычно используем приведенную ниже диаграмму при обсуждении передачи энергии в экосистеме.

Рис. 1 – Поток энергии в пищевой цепи

На этой диаграмме показан поток энергии в пищевой цепи. Как вы увидите, энергия уменьшается с каждым трофическим уровнем. Суммарная энергия, аккумулированная первичными производителями, составила 41 620 ккал /м2/ год .

Поскольку все живые существа используют энергию для биологических функций, таких как дыхание, мы часто обращаем внимание на чистую первичную продуктивность экосистемы (ЧПП).

На этой диаграмме 26,374 из 41 620 KCAL / год использовали для дыхания или потерянного тепла, оставив 15,235 KCAL / /.

Какие существуют виды передачи энергии?

Энергия приобретается и передается через экосистему тремя различными способами: фотосинтезом, хемосинтезом и потреблением.

Фотосинтез

Это осуществляется фотоавтотрофами, такими как растения, водоросли и фотосинтезирующие бактерии. Фотосинтез позволяет этим организмам выступать в качестве источника энергии для большинства мировых экосистем. Фотосинтез включает использование солнечной энергии и преобразование ее в химическую энергию в форме молекулы, называемой АТФ (аденозинтрифосфат). Затем АТФ используется для подпитки синтеза ряда биомолекул, включая глюкозу.

Хемосинтез

Его осуществляют хемоавтотрофы, которые обычно представляют собой бактерии, проживающие в экосистемах, отрезанных от солнечного света, например, в темных пещерах или гидротермальных жерлах на дне океана. Хемоавтотрофы используют в качестве источника энергии химические соединения, такие как сероводород. Это позволяет им подпитывать реакции, которые создают сложные биомолекулы, включая глюкозу. Это создает энергию для остальной части экосистемы.

Примером передачи энергии посредством хемосинтеза может быть процесс, посредством которого специализированные бактерии в гидротермальных источниках используют сероводород в качестве источника энергии.

Потребление

Потребление осуществляется гетеротрофами, которые выполняют функции потребителей в пищевой цепи. Гетеротрофы получают энергию в виде органического углерода. Это делается за счет того, что гетеротрофы потребляют автотрофов или других гетеротрофов. Затем они расщепляют этот органический углерод, который обычно потребляется в виде сложных соединений, на более мелкие и простые соединения. Это высвобождает энергию, поскольку они окисляют углерод и водород и превращают их в углекислый газ и воду. Это достигается с помощью процесса, называемого дыханием. Изучая дыхание, вы больше узнаете о различных стадиях дыхания, таких как гликолиз и цикл Кребса.

Перенос энергии – основные выводы

  • Термин перенос энергии относится к изменениям энергии, происходящим в организмах и между организмами в экосистеме. Автотрофы и гетеротрофы участвуют в переносе энергии. Автотрофы способны синтезировать свою собственную энергию, в то время как гетеротрофы должны потреблять другие организмы для получения энергии.