§ 12. Обеспечение клетки энергией

Определения и обозначения

Энергетический обмен — совокупность реакций расщепления органических веществ, при которых энергия высвобождается и запасается в доступной для клетки форме. Иначе говоря, клетка не просто разрушает питательные вещества, а переводит часть их энергии в форму, пригодную для работы. Это необходимо, потому что энергия напрямую нужна для синтеза веществ, движения и других процессов.

АТФ — молекула, в которой клетка временно запасает энергию; при расщеплении её концевой фосфатной связи энергия может использоваться для клеточных процессов. При этом АТФ превращается в АДФ и фосфат, а высвободившаяся энергия направляется на работу клетки. Так энергия становится доступна именно тогда и там, где она требуется.

Гликолиз — бескислородное расщепление глюкозы в цитоплазме до более простых органических веществ с небольшим выходом АТФ. На этом этапе глюкоза распадается не полностью, поэтому в её продуктах остаётся энергия. Гликолиз позволяет клетке получать часть энергии даже тогда, когда кислорода недостаточно.

Клеточное дыхание — окисление органических веществ, при котором клетка получает энергию; при участии кислорода конечными продуктами распада глюкозы становятся углекислый газ и вода. В отличие от газообмена организма, это химический процесс внутри клетки. Он нужен, чтобы высвободить энергию органических веществ и запасать её в АТФ.

Как это устроено

Органические вещества содержат энергию, но клетка не может просто направить её из пищи на каждую свою задачу. Для работы нужны управляемые и доступные порции энергии: например, синтез белков и сокращение мышц идут по-разному и в разных местах клетки. Поэтому при энергетическом обмене энергия питательных веществ сначала высвобождается, а затем часть её запасается в АТФ.

Молекула АТФ содержит фосфатные группы, а связь с её концевой группой может разрываться при участии воды. При превращении АТФ в АДФ и фосфат высвобождается энергия, которую клетка использует в реакциях и движении. Затем АДФ может снова присоединить фосфат, если при энергетическом обмене поступит энергия. Так клетка постоянно восстанавливает запас АТФ и расходует его по мере необходимости.

Первый этап расщепления глюкозы идёт в цитоплазме, потому что там находятся необходимые для гликолиза вещества и ферменты — белки, ускоряющие реакции. Для этих реакций кислород не требуется, поэтому гликолиз возможен и при его недостатке. Однако глюкоза расщепляется лишь частично: значительная часть энергии остаётся в образовавшихся органических веществах, а АТФ получается немного.

Если кислород доступен, продукты гликолиза поступают в митохондрии и окисляются дальше. Кислород необходим для этого последующего этапа, а не для самого гликолиза. При более полном окислении высвобождается гораздо больше энергии, поэтому на кислородном этапе клетка образует значительно больше АТФ. В школьной схеме итог полного окисления одной молекулы глюкозы составляет 38 молекул АТФ.

Этапы энергетического обмена не являются отдельными независимыми процессами: вещества, образованные сначала, становятся исходными для дальнейших реакций. При полном окислении углерод глюкозы переходит в углекислый газ, а водород и кислород участвуют в образовании воды. Эти продукты удаляются из клетки или используются в других процессах, а перенос энергии продолжается через АТФ.

Этапы энергетического обмена

Сравнивайте столбцы по строкам: так видно, где проходит каждый этап, какие вещества в нём участвуют и нужен ли кислород. Для полного окисления по школьной схеме сложите выход АТФ гликолиза и кислородного этапа: 2 + 36 = 38. Подготовительный этап в этот итог не добавляет АТФ.

Разбор задач

1. Расщепление глюкозы без кислорода

Условие. Определите, на каком этапе энергетического обмена происходит расщепление глюкозы без участия кислорода и где этот этап протекает. Здесь нужно одновременно установить условие процесса и его место в клетке. Важно не переносить в ответ сведения о последующих реакциях.

1. В условии сказано, что кислород не участвует, значит, речь идёт о бескислородном этапе.
2. Из этапов энергетического обмена этому условию соответствует гликолиз.
3. Гликолиз происходит в цитоплазме, а не в митохондриях.

Ответ. Это гликолиз; он протекает в цитоплазме. Кислород потребуется, если продукты гликолиза будут окисляться дальше.

2. Сравнение выхода АТФ

Условие. Сравните, сколько энергии запасается в АТФ при гликолизе и при полном окислении глюкозы по школьной схеме. Нужно сравнить выход АТФ, а не количество исходной глюкозы: в обоих случаях рассматривается одна молекула. Сначала найдём выход каждого этапа.

1. При гликолизе образуются 2 молекулы АТФ.
2. Кислородный этап добавляет ещё 36 молекул АТФ.
3. При полном окислении сумма равна 2 + 36 = 38 молекулам АТФ. Значит, полный процесс даёт в 19 раз больше АТФ, чем один гликолиз.

Ответ. Гликолиз даёт 2 АТФ, а полное окисление — 38 АТФ. Кислородный этап энергетически эффективнее, потому что органические продукты гликолиза окисляются дальше и высвобождают больше энергии.

3. Полное окисление одной молекулы глюкозы

Условие. В клетке полностью окислилась одна молекула глюкозы. Назовите исходное вещество, конечные продукты и этапы процесса. Чтобы ответить, проследим путь вещества последовательно, от начала распада до завершения окисления. При этом отдельно назовём продукты и этапы.

1. Исходное вещество — глюкоза.
2. Сначала она проходит гликолиз в цитоплазме, где расщепляется без кислорода и образует более простые органические вещества.
3. Затем продукты гликолиза окисляются в митохондриях на кислородном этапе.
4. При полном окислении конечные продукты — углекислый газ и вода; по школьной схеме запасается 38 АТФ на молекулу глюкозы.

Ответ. Исходное вещество — глюкоза, конечные продукты — углекислый газ и вода. Последовательность этапов: гликолиз, затем кислородный этап в митохондриях.

Типичные ошибки

Считать, что гликолиз происходит в митохондриях, — ошибка: там идут последующие реакции кислородного этапа, а гликолиз протекает в цитоплазме. Путаница возникает из-за того, что оба процесса относятся к энергетическому обмену. Проверьте себя вопросом «Где начинается расщепление глюкозы?» — ответ: в цитоплазме.

Энергетический обмен иногда смешивают с пластическим, потому что оба являются сторонами обмена веществ. Но при энергетическом обмене вещества расщепляются и энергия высвобождается, а при пластическом из более простых веществ синтируются новые. Чтобы проверить ответ, выясните, в процессе вещество разрушается или строится.

Не следует считать, что кислород нужен для самого гликолиза: этот этап идёт без него. Кислород необходим для дальнейшего полного окисления продуктов гликолиза в митохондриях. Если в условии указано отсутствие кислорода, ищите гликолиз, а не кислородный этап.

Ещё одна ошибка — полагать, что вся энергия органических веществ превращается в АТФ. Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть запасается в клетке; поэтому количество АТФ не отражает всю энергию исходного вещества. Проверяйте себя: речь идёт о запасённой энергии или обо всей энергии расщепления?

Связь с другими темами

Для понимания энергетического обмена нужны знания о строении клетки, цитоплазме и митохондриях, а также о различиях органических и неорганических веществ. Тема связана с фотосинтезом: образованные при нём органические вещества могут стать источником энергии при клеточном дыхании. Эти знания пригодятся при изучении обмена веществ, работы мышц и процессов в организме при недостатке кислорода.

Что запомнить

• Энергия органических веществ запасается клеткой в молекулах АТФ.
• Гликолиз протекает в цитоплазме и не требует кислорода.
• При гликолизе глюкоза расщепляется не полностью и образуется немного АТФ.
• Кислородный этап проходит в митохондриях.
• Полное окисление глюкозы при участии кислорода приводит к образованию углекислого газа и воды.
• Кислородный этап даёт клетке значительно больше АТФ, чем гликолиз.