24. Энергетический обмен. Способы питания

Определения и обозначения

Энергетический обмен — совокупность реакций распада органических веществ, при которых высвобождается энергия и часть её запасается в молекулах АТФ. Клетка расходует этот запас на движение, синтез веществ и другие процессы. Поэтому энергетический обмен связывает содержащуюся в пище энергию с работой клетки.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — универсальный переносчик энергии в клетке. При образовании АТФ энергия запасается в химической связи между её фосфатными группами, а при распаде до АДФ и фосфата высвобождается. Так клетка получает доступный запас энергии для выполнения конкретной работы.

Автотрофное питание — способ питания, при котором организм образует органические вещества из неорганических, используя энергию света или химических реакций. К автотрофам относятся, например, зелёные растения, способные использовать энергию света. Такой способ позволяет создавать органические вещества, которые затем служат материалом для роста и источником энергии.

Гетеротрофное питание — способ питания, при котором организм получает готовые органические вещества из окружающей среды или других организмов. К гетеротрофам относятся животные и грибы. Эти вещества нужны им и как строительный материал, и как источник энергии при клеточном дыхании.

Как это устроено

Клетке нужна энергия, потому что многие процессы не происходят сами собой: например, для создания сложной молекулы из простых требуется затрата энергии. Органические вещества содержат энергию, полученную организмом с пищей или запасённую при их образовании. При распаде эта энергия высвобождается, но клетке удобнее использовать её не напрямую, а передавать через АТФ. Поэтому энергетический обмен обеспечивает непрерывную связь между распадом веществ и работой клетки.

Перед дальнейшим расщеплением сложные вещества — белки, жиры и углеводы — разбираются на более простые соединения. Пищеварительные ферменты ускоряют эти реакции: белки распадаются до аминокислот, углеводы — до простых сахаров, жиры — до составных частей. На подготовительном этапе энергия не запасается в АТФ, а рассеивается в виде тепла. Это происходит потому, что при таких превращениях клетка не использует механизм переноса энергии в молекулы АТФ.

Бескислородный этап идёт в цитоплазме и не требует участия кислорода. Здесь одна молекула глюкозы расщепляется не полностью, образуя промежуточные продукты; в школьной схеме это сопровождается образованием двух молекул АТФ. Небольшой выход объясняется тем, что значительная часть энергии остаётся в продуктах неполного расщепления. Этот этап позволяет клетке получать немного энергии даже тогда, когда кислорода недостаточно.

Кислородный этап происходит в митохондриях, где расположены структуры, обеспечивающие клеточное дыхание. Кислород нужен для полного окисления промежуточных продуктов распада глюкозы. В итоге образуются углекислый газ и вода, а высвобождённая энергия используется для образования основной части АТФ. Поэтому при полном окислении глюкозы общий выход энергии значительно выше, чем при одном бескислородном этапе.

Организмы различаются по источнику углерода для построения органических веществ и по источнику энергии. Автотрофы получают углерод из неорганических соединений, например углекислого газа, а энергию — от света или химических реакций. Гетеротрофы берут и углерод, и энергию из готовых органических веществ. Некоторые организмы способны сочетать способы: эвглена зелёная на свету фотосинтезирует, а при его недостатке может использовать готовые органические вещества.

Этапы энергетического обмена

Читайте таблицу слева направо: так можно проследить, где протекает этап, что именно превращается и какие продукты появляются. Столбец об АТФ помогает сравнить энергетический результат этапов. Если нужно выяснить, почему выход энергии различается, сопоставьте степень расщепления вещества с участием кислорода.

Разбор задач

Задача: определите способ питания зелёного растения, гриба и эвглены зелёной и укажите, откуда каждый получает органические вещества или энергию. Сначала выясним, может ли организм сам образовать органические вещества из неорганических соединений. Затем проверим, использует ли он готовую органику или способен переключаться между способами получения веществ.

1. Зелёное растение — автотроф: на свету оно использует энергию света, чтобы образовывать органические вещества из воды и углекислого газа.
2. Гриб — гетеротроф: он получает готовые органические вещества из окружающей среды, например из разлагающихся остатков организмов.
3. Эвглена зелёная сочетает способы питания: на свету фотосинтезирует, а при недостатке света может использовать готовые органические вещества.

Ответ: зелёное растение — автотроф, гриб — гетеротроф, эвглена — организм со смешанным питанием. Обратите внимание, что наличие хлоропластов у эвглены не означает, что она питается только автотрофно. Для классификации важно учитывать разные условия, в которых организм получает вещества и энергию.

Задача: проследите путь одной молекулы глюкозы при энергетическом обмене, назвав последовательность этапов, место их протекания и основные продукты. Начните с того, что глюкоза — простое органическое вещество, поэтому подготовительное расщепление сложной пищи не следует считать первым этапом её клеточного окисления. Затем проследите, куда попадают продукты каждого этапа.

1. Подготовительный этап предшествует клеточному расщеплению сложных веществ: пищевые углеводы могут быть разобраны ферментами до простых сахаров, в том числе глюкозы. Он протекает в пищеварительной системе и некоторых клеточных структурах, АТФ не образуется.
2. Бескислородный этап идёт в цитоплазме: глюкоза расщепляется не полностью до промежуточных продуктов, образуются 2 молекулы АТФ.
3. Кислородный этап проходит в митохондриях: промежуточные продукты при участии кислорода окисляются до углекислого газа и воды, образуется основная часть АТФ.

Ответ: последовательность — подготовительный этап, бескислородный этап в цитоплазме, кислородный этап в митохондриях. Важно различать расщепление глюкозы и предварительное переваривание сложных углеводов: готовая молекула глюкозы может сразу вступать в бескислородный этап. Полное окисление завершается образованием углекислого газа и воды.

Задача: при полном окислении глюкозы образовалось 38 молекул АТФ. Укажите, где возникла основная часть АТФ, и объясните, почему без кислорода такой выход невозможен. Разделите общий результат на небольшое количество, получаемое при бескислородном расщеплении, и основную часть, связанную с полным окислением.

1. На бескислородном этапе в цитоплазме образуются 2 молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы.
2. Остальная, основная часть АТФ образуется на кислородном этапе в митохондриях; в классической школьной схеме суммарный выход при полном окислении равен 38 молекулам.
3. Без кислорода промежуточные продукты не окисляются полностью до углекислого газа и воды, поэтому большая часть заключённой в них энергии остаётся неиспользованной в АТФ.

Ответ: основная часть АТФ образуется в митохондриях на кислородном этапе. Кислород необходим для полного окисления промежуточных продуктов, поэтому при его отсутствии клетка получает только небольшой выход АТФ бескислородным путём. Число 38 относится к принятой в школьной схеме оценке полного энергетического выхода.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что на подготовительном этапе образуется АТФ. Её допускают, потому что вещества уже расщепляются, а распад часто связывают с получением энергии; однако здесь энергия рассеивается как тепло. Проверь себя: в таблице для этого этапа указано отсутствие АТФ.

Ошибка: называть бескислородное расщепление полным распадом глюкозы. Это происходит из-за путаницы между промежуточными продуктами и конечными продуктами окисления; без кислорода полного окисления не происходит. Проверь себя: углекислый газ и вода относятся к результатам кислородного этапа.

Ошибка: утверждать, что весь энергетический обмен идёт в митохондриях. Так думают, потому что именно там образуется основная часть АТФ, но бескислородный этап проходит в цитоплазме. Проверь себя: сопоставь место каждого этапа с таблицей, а не переноси место одного этапа на весь процесс.

Ошибка: считать растения исключительно автотрофами и думать, что они не используют органические вещества. Путаница возникает, когда способ образования органики смешивают с её использованием: растение создаёт органические вещества, а затем расходует их, в том числе при дыхании. Проверь себя: автотрофия описывает получение органических веществ из неорганических, а не отказ от органики.

Связь с другими темами

Чтобы понять энергетический обмен, нужно знать строение клетки, роль цитоплазмы и митохондрий, а также различать органические и неорганические вещества. Эта тема связана с фотосинтезом: при нём образуются органические вещества, которые могут стать субстратом для последующего энергетического обмена. Представление о роли АТФ пригодится при изучении движения клетки, синтеза веществ и других процессов жизнедеятельности. Так знания о строении клетки, обмене веществ и энергии складываются в единую картину.

Что запомнить

• Энергетический обмен обеспечивает клетку энергией и запасает её в АТФ.
• Подготовительный этап расщепления веществ не сопровождается образованием АТФ.
• Бескислородный этап протекает в цитоплазме.
• Кислородный этап происходит в митохондриях и даёт основную часть АТФ.
• При полном окислении глюкозы образуются углекислый газ и вода.
• Автотрофы образуют органические вещества из неорганических, а гетеротрофы получают готовые органические вещества.