Енергетичний обмін - що це і які він має етапи

Обмін речовин - це все хімічні реакції, що відбуваються в клітинах живих організмів, його ще називають метаболізмом. Він поділяється на анаболізм і катаболізм, тобто енергетичний обмін. Перший має на увазі освіту з простих хімічних сполук більш складних. Цей процес ще називається пластичним обміном. Для його здійснення необхідна енергія, яка виходить кліткою за рахунок катаболізму. За допомогою цього процесу клітина синтезує необхідні нуклеїнові кислоти, білки, полісахариди тощо. Всі ці речовини можуть виступати в ролі будівельного матеріалу для клітини і організму в цілому, виконувати функцію ферментів, гормонів і т. Д. На другому процесі - енергетичному обміні - ми зупинимося більш детально.

Що таке катаболізм?

Енергетичний обмін - це процес, протягом якого речовини, що мають складну структуру, розщеплюються на більш прості або окислюються, внаслідок чого організм отримує енергію, необхідну для життя. Катаболізм включає в себе кілька етапів, протягом яких відбуваються різні хімічні реакції. Їх виділяють три.

Етапи енергетичного обміну

Перераховуючи етапи катаболізму, можна виділити підготовчий, анаеробний (без участі кисню) і аеробний (із застосуванням оксигена).

Підготовчий етап

У цей час складних молекул таких сполук, як білки, вуглеводи і ліпіди, розщеплюються на більш прості, також на цьому етапі полімери перетворюються в мономери. Даний процес відбувається поза клітиною, в органах травної системи. У цьому беруть участь шлунковий сік і різноманітні ферменти. Кисень на цьому етапі для реакцій не потрібно. В результаті реакцій, що сталися в цей час, білки денатурують і розпадаються на амінокислоти, складні вуглеводи перетворюються в прості моносахариди, з ліпідів утворюється гліцерин і вищі кислоти. Частина процесів даного етапу відбувається також в лізосомах клітини під впливом ферментів гідролаз.

Другий етап - анаеробне бродіння

Енергетичний обмін має етап бродіння, який ще називається гликолизом. Тут також не потрібно участі кисню в хімічних реакціях. В принципі, бродінню можуть піддаватися дуже багато органічних речовин, але в основному це вуглеводи. В процесі хімічних реакцій, які використовуються на даному етапі катаболізму, утворюються спирти, вуглекислий газ, ацетон, органічні кислоти, в деяких випадках водень і інші речовини. Бактерії, одноклітинні гриби і рослини, активно здійснюють бродіння, широко використовуються в промисловості, наприклад, для видобутку етилового спирту, виробництва сирів та інших молочнокислих продуктів, в хлібобулочної галузі для виготовлення тіста. Бродіння ще називається неповним окисленням.

Реакції, які відбуваються на цій стадії, і їх використання

Прикладом хімічних реакцій, які проходять на цій стадії, можна назвати найпоширенішу - спиртове бродіння. Це процес розщеплення глюкози або фруктози під впливом спеціальних ферментів, при якому виділяється вуглекислий газ і етиловий спирт, а також утворюються молекули АТФ. Рівняння даної хімічної реакції виглядає так: С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + СО2 + 2АТФ. Саме організми, які використовують таку реакцію для отримання необхідної енергії, застосовуються в промисловості для виготовлення спиртних напоїв. В результаті процесу, який використовують для отримання енергії молочнокислі бактерії, утворюється молочна кислота. Рівняння виглядає наступним чином: С6Н12О6 = С3Н6О3 + 2АТФ. У клітинах тварин і грибів поширена реакція, в результаті якої виділяється пировиноградная кислота. Цей процес виглядає так: С6Н12О6 = 2С3Н4О3 + (4Н) + 2АТФ.

Третій і останній етап - клітинне дихання

Він відбувається в мітохондріях. На цій стадії здійснюється окислення речовин, за рахунок чого вивільняється певна кількість енергії. У такого роду процесах, як уже можна було здогадатися, бере участь кисень.
До різних тканин багатоклітинних організмів він поставляється за допомогою еритроцитів, що містять гемоглобін для його перенесення. На цій стадії клітина розщеплює отримані в попередніх етапах речовини до найпростіших - вуглекислого газу і води. Ці дві речовини обов`язково утворюються внаслідок звичайного згоряння будь-якого органічного речовини. Для того щоб виконати повне окислення органічної сполуки в сотні тисяч разів швидше, ніж воно могло б згоріти, і без використання надвисоких температур, клітці необхідні різноманітні ферменти, які містяться в лізосомах. Також для отримання енергії внаслідок клітинного дихання необхідно речовина АДФ - аденозиндифосфат, який також використовується в багатьох інших цілях. Основну хімічну реакцію, яка використовується на даному етапі енергетичного обміну, можна записати в такий спосіб: 2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ = 6СО2 + 42Н2О + 36АТФ. З рівняння видно, що при такого роду процесі виділяється чимала кількість енергії. Також на цій стадії може відбуватися реакція повного окислення піровиноградної кислоти, в результаті якого також виділяється енергія, але в меншій кількості.

Як в атмосфері утворюється кисень?

У зв`язку з тим, що основним процесом, в якому і полягає енергетичний обмін у тварин, деяких бактерій і грибів, є саме клітинне дихання, кисень для цих організмів життєво необхідний. А такого високого його вмісту в атмосфері нашої планети ми зобов`язані рослинам - легким Землі. Вони дають нам кисень і забирають з повітря вуглекислий газ в процесі фотосинтезу, за допомогою якого вони з простих неорганічних речовин отримують необхідні для них органічні (найчастіше глюкозу або фруктозу). Процес фотосинтезу відбувається завдяки сонячній енергії, яка служить прискорювачем для такого роду хімічних реакцій. Рівняння фотосинтезу можна записати в такий спосіб: 6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2. Розглянуті в цій статті процеси ще раз доводять, що в природі все взаємопов`язано: фотосинтез відбувається з використанням вуглекислого газу, непотрібного тваринам, а енергетичний обмін у останніх неможливий без кисню, який виділяється рослинами як побічний продукт фотосинтезу.

Які органели клітини беруть участь в енергетичному обміні?

В першу чергу це мітохондрії, саме в них і відбувається весь процес клітинного дихання. На їх кристах окислюються речовини, які були отримані в процесі анаеробного бродіння, тобто на другому етапі енергетичного обміну. Також це лізосоми, вже неодноразово згадані в тексті. Вони містять у своїй порожнини, обмеженою мембраною, ряд необхідних для всіх реакцій ферментів. У цитоплазмі клітини за допомогою цих органоїдів відбувається процес неповного окислення (гліколізу) органічних сполук. Продукти, утворені на цьому етапі за участю ферментів, що містяться в лізосомах, служать сировиною для подальшого клітинного дихання, що відбувається в мітохондріях. Крім того, в цих процесах беруть участь мікротрубочки, які транспортують речовини по клітці, а також плазматична мембрана, яка містить спеціальні білки, які переносять з навколишнього середовища в цитоплазму певні потрібні для енергетичного обміну хімічні сполуки.