Энергетический обмен - что это и какие он имеет этапы

Обмен веществ — это все химические реакции, происходящие в клетках живых организмов, его еще называют метаболизмом. Он разделяется на анаболизм и катаболизм, то есть энергетический обмен. Первый подразумевает образование из простых химических соединений более сложных. Этот процесс еще называется пластическим обменом. Для его осуществления необходима энергия, которая получается клеткой за счет катаболизма. С помощью этого процесса клетка синтезирует необходимые нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды и тому подобное. Все эти вещества могут выступать в роли строительного материала для клетки и организма в целом, выполнять функцию ферментов, гормонов и т. д. На втором процессе — энергетическом обмене — мы остановимся более подробно.

Что такое катаболизм?

Энергетический обмен — это процесс, на протяжении которого вещества, имеющие сложную структуру, расщепляются на более простые либо окисляются, вследствие чего организм получает энергию, необходимую для жизни. Катаболизм включает в себя несколько этапов, на протяжении которых происходят различные химические реакции. Их выделяют три.

Этапы энергетического обмена

Перечисляя этапы катаболизма, можно выделить подготовительный, анаэробный (без участия кислорода) и аэробный (с применением оксигена).

Подготовительный этап

В это время сложные молекулы таких соединений, как белки, углеводы и липиды, расщепляются на более простые, также на этом этапе полимеры превращаются в мономеры. Данный процесс происходит вне клетки, в органах пищеварительной системы. В этом участвуют желудочный сок и разнообразные ферменты. Кислород на этом этапе для реакций не требуется. В результате реакций, произошедших в это время, белки денатурируют и распадаются на аминокислоты, сложные углеводы превращаются в простые моносахариды, из липидов образуется глицерин и высшие кислоты. Часть процессов данного этапа происходит также в лизосомах клетки под воздействием ферментов гидролаз.

Второй этап — анаэробное брожение

Энергетический обмен имеет этап брожения, который еще называется гликолизом. Здесь также не требуется участия кислорода в химических реакциях. В принципе, брожению могут подвергаться очень многие органические вещества, но в основном это углеводы. В процессе химических реакций, используемых на данном этапе катаболизма, образуются спирты, углекислый газ, ацетон, органические кислоты, в некоторых случаях водород и другие вещества. Бактерии, одноклеточные грибы и растения, активно совершающие брожение, широко используются в промышленности, к примеру, для добычи этилового спирта, производства сыров и других молочнокислых продуктов, в хлебобулочной отрасли для изготовления теста. Брожение еще называется неполным окислением.

Реакции, которые происходят на этой стадии, и их использование

Примером химических реакций, которые проходят на этой стадии, можно назвать самую распространенную — спиртовое брожение. Это процесс расщепления глюкозы либо фруктозы под воздействием специальных ферментов, при котором выделяется углекислый газ и этиловый спирт, а также образуются молекулы АТФ. Уравнение данной химической реакции выглядит так: С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + СО2 + 2АТФ. Именно организмы, использующие такую реакцию для получения необходимой энергии, применяются в промышленности для изготовления спиртных напитков. В результате процесса, который используют для получения энергии молочнокислые бактерии, образуется молочная кислота. Уравнение выглядит следующим образом: С6Н12О6 = С3Н6О3 + 2АТФ. В клетках животных и грибов распространена реакция, в результате которой выделяется пировиноградная кислота. Этот процесс выглядит так: С6Н12О6 = 2С3Н4О3 + (4Н) + 2АТФ.

Третий и последний этап — клеточное дыхание

Он происходит в митохондриях. На этой стадии осуществляется окисление веществ, за счет чего высвобождается определенное количество энергии. В такого рода процессах, как уже можно было догадаться, принимает участие кислород.

К разным тканям многоклеточных организмов он поставляется с помощью эритроцитов, содержащих гемоглобин для его переноски. На этой стадии клетка расщепляет полученные в предыдущих этапах вещества до самых простых — углекислого газа и воды. Эти два вещества обязательно образуются вследствие обычного сгорания любого органического вещества. Для того чтобы выполнить полное окисление органического соединения в сотни тысяч раз быстрее, чем оно могло бы сгореть, и без использования сверхвысоких температур, клетке необходимы разнообразные ферменты, которые содержатся в лизосомах. Также для получения энергии вследствие клеточного дыхания необходимо вещество АДФ — аденозиндифосфат, который также используется во многих других целях. Основную химическую реакцию, которая используется на данном этапе энергетического обмена, можно записать следующим образом: 2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ = 6СО2 + 42Н2О + 36АТФ. Из уравнения видно, что при такого рода процессе выделяется немалое количество энергии. Также на этой стадии может происходить реакция полного окисления пировиноградной кислоты, в результате которого также выделяется энергия, но в меньшем количестве.

Как в атмосфере образуется кислород?

В связи с тем, что основным процессом, в котором и заключается энергетический обмен у животных, некоторых бактерий и грибов, является именно клеточное дыхание, кислород для этих организмов жизненно необходим. А такому высокому его содержанию в атмосфере нашей планеты мы обязаны растениям — легким Земли.

Они дают нам кислород и забирают из воздуха углекислый газ в процессе фотосинтеза, с помощью которого они из простых неорганических веществ получают необходимые для них органические (чаще всего глюкозу или фруктозу). Процесс фотосинтеза происходит благодаря солнечной энергии, которая служит ускорителем для такого рода химических реакций. Уравнение фотосинтеза можно записать следующим образом: 6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2. Рассмотренные в этой статье процессы еще раз доказывают, что в природе все взаимосвязано: фотосинтез происходит с использованием углекислого газа, ненужного животным, а энергетический обмен у последних невозможен без кислорода, который выделяется растениями как побочный продукт фотосинтеза.

Какие органеллы клетки принимают участие в энергетическом обмене?

В первую очередь это митохондрии, именно в них и происходит весь процесс клеточного дыхания. На их кристах окисляются вещества, которые были получены в процессе анаэробного брожения, то есть на втором этапе энергетического обмена. Также это лизосомы, уже неоднократно упомянутые в тексте. Они содержат в своей полости, ограниченной мембраной, ряд необходимых для всех реакций ферментов. В цитоплазме клетки с помощью этих органоидов происходит процесс неполного окисления (гликолиза) органических соединений. Продукты, образованные на этом этапе при участии ферментов, содержащихся в лизосомах, служат сырьем для последующего клеточного дыхания, происходящего в митохондриях. Кроме того, в этих процессах принимают участие микротрубочки, которые транспортируют вещества по клетке, а также плазматическая мембрана, которая содержит специальные белки, переносящие из окружающей среды в цитоплазму определенные нужные для энергетического обмена химические соединения.