"Биология", Пономарёва И.Н., Корнилова О.А., Чернова Н.М. / Под ред. Пономарёвой И.Н.
Клетке нужна энергия для роста, движения, деления, синтеза веществ и работы мембран. Она получает её, расщепляя органические соединения, прежде всего глюкозу. Энергия высвобождается не сразу, а на нескольких этапах и запасается в молекулах АТФ — универсального энергетического «посредника» клетки. При наличии кислорода расщепление глюкозы идёт полнее и даёт больше АТФ, чем бескислородный путь. Поэтому клеточное дыхание связывает состав пищи, работу органоидов и жизнедеятельность организма.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Энергетический обмен, или диссимиляция, — совокупность реакций, в которых сложные органические вещества расщепляются до более простых, а энергия высвобождается. Проще говоря, клетка получает из питательных веществ энергию для своей работы. Она нужна, например, для образования новых молекул и переноса веществ через мембрану.
Клеточное дыхание — процесс поэтапного расщепления органических веществ, обычно глюкозы, с участием кислорода или без него. Это не вдох и выдох организма, а химические реакции внутри клеток. Такое название подчёркивает, что при полном расщеплении глюкозы используется кислород, а образуются углекислый газ и вода.
АТФ, аденозинтрифосфат, — молекула, которая запасает и передаёт энергию в клетке. Когда АТФ превращается в АДФ и фосфат, часть энергии становится доступной для клеточных процессов. АТФ нужна потому, что клетке удобнее использовать небольшой переносимый запас энергии, чем напрямую подключать каждую работу к расщеплению пищи.
Гликолиз — расщепление глюкозы без участия кислорода, происходящее в цитоплазме. В результате одна молекула глюкозы превращается в две молекулы пирувата и образуется небольшой запас АТФ. Этот этап нужен, чтобы начать получать энергию даже тогда, когда кислорода недостаточно.
Митохондрии — органоиды, в которых протекают основные реакции кислородного этапа клеточного дыхания. Внутреннее устройство митохондрий позволяет размещать много молекул, участвующих в этих реакциях. Поэтому митохондрии обеспечивают клетке большую часть энергии при полном окислении органических веществ.
Клетка получает органические вещества из пищи или создаёт их сама, а затем использует как источник энергии. Однако превращать всю глюкозу в энергию за одну реакцию было бы невыгодно: большая часть выделилась бы сразу в виде тепла. Поэтому расщепление идёт последовательно, и на каждом этапе клетка может передать часть энергии молекулам АТФ.
Первый этап — гликолиз, который проходит в цитоплазме. Кислород для него не требуется, поэтому начальное расщепление глюкозы возможно в клетках с разным уровнем снабжения кислородом. При этом образуются две молекулы пирувата и чистый выход в две молекулы АТФ: часть затраченной энергии возвращается, но большая доля энергии глюкозы пока остаётся в продуктах реакции.
Если кислород доступен, пируват поступает в митохондрии и подвергается дальнейшему окислению. В последовательности реакций его углерод в итоге превращается в углекислый газ, а кислород участвует в образовании воды. Такое продолжение выгодно клетке, потому что позволяет извлечь из исходной глюкозы гораздо больше энергии, чем при одном гликолизе.
Главная часть кислородного этапа связана с внутренней мембраной митохондрий. Перенос электронов в цепи специальных молекул помогает создать условия для синтеза АТФ. Кислород в конце цепи принимает электроны и вместе с ионами водорода образует воду; без него цепь не может работать обычным образом, поэтому выход АТФ резко снижается.
Когда кислорода не хватает, пируват может превращаться в другие вещества, например молочную кислоту в мышечных клетках или спирт и углекислый газ у некоторых микроорганизмов. Такие процессы называют брожением. Они позволяют продолжать гликолиз, но дают только небольшое количество АТФ, потому что большая часть энергии остаётся в конечных продуктах.
Полученная АТФ расходуется постоянно, а затем вновь образуется при энергетическом обмене. Это не долговременное хранилище, а быстро обновляемый переносчик энергии. Поэтому клетка регулирует скорость расщепления веществ в зависимости от потребностей: активно работающим клеткам требуется больше АТФ, чем находящимся в покое.
Таблица помогает сравнить этапы по месту протекания, потребности в кислороде и результату. Сначала проследите путь одной молекулы глюкозы сверху вниз, а затем сопоставьте выход энергии на разных этапах. При подсчёте общего количества АТФ учитывайте, что учебные схемы могут приводить немного разные значения.
| Этап | Где происходит | Кислород | Основной результат |
|---|---|---|---|
| Подготовительный | Пищеварительная система, цитоплазма и другие клеточные структуры | Не обязателен | Крупные молекулы распадаются на более простые; энергия в основном рассеивается как тепло |
| Гликолиз | Цитоплазма | Не требуется | Глюкоза превращается в две молекулы пирувата; чистый выход — 2 АТФ |
| Кислородный этап | Митохондрии | Требуется | Продукты гликолиза окисляются до углекислого газа и воды; образуется основная часть АТФ |
| Брожение при нехватке кислорода | Цитоплазма | Не требуется | Пируват превращается в другие вещества; клетка получает энергию за счёт гликолиза |
Условие. При полном окислении одной молекулы глюкозы клетка получила 36 молекул АТФ. Сколько энергии запасено в АТФ, если при образовании одной молекулы АТФ запасается примерно 30,6 кДж? Какую долю от 2800 кДж, выделившихся при окислении глюкозы, составляет эта энергия? Округлите результат до целых процентов.
Решение. Сначала определим энергию, запасённую во всех молекулах АТФ. Для этого количество молекул АТФ умножим на запас энергии в одной молекуле. Затем сравним полученную величину с полной энергией реакции: отношение умножим на 100 %, чтобы получить процент. Такой ход показывает не только число молекул АТФ, но и эффективность передачи энергии клетке.
Находим энергию в 36 молекулах АТФ: 36 × 30,6 кДж = 1101,6 кДж. Это часть энергии глюкозы, временно запасённая клеткой в удобной для использования форме.
Делим запасённую энергию на полную: 1101,6 кДж ÷ 2800 кДж ≈ 0,393. Полученная доля меньше единицы, что логично: не вся энергия реакции сохраняется в АТФ.
Переводим долю в проценты: 0,393 × 100 % ≈ 39 %. Значит, в условиях задачи около 39 % энергии глюкозы запасено в АТФ, а остальная часть рассеивается и расходуется в ходе реакций.
Ответ. В АТФ запасено 1101,6 кДж, что составляет примерно 39 % от 2800 кДж. Этот результат относится к данным условия задачи: в других задачах значения энергии одной молекулы АТФ и числа образующихся молекул могут быть заданы иначе. Поэтому сначала выписывайте именно те числа, которые приведены в условии.
Считать дыхание клеток обычным вдохом и выдохом. Так думают из-за общего слова «дыхание», но клеточное дыхание — это химические реакции расщепления веществ. Проверьте себя: если речь идёт об АТФ, глюкозе, митохондриях или углекислом газе, имеется в виду обмен веществ внутри клетки.
Утверждать, что гликолиз идёт только при наличии кислорода. Это неверно: гликолиз сам по себе кислорода не требует и проходит в цитоплазме. Чтобы проверить ответ, разделите этапы по условиям: кислород необходим для дальнейшего полного окисления, а не для начала расщепления глюкозы.
Считать, что вся энергия глюкозы сразу превращается в АТФ. При реакциях часть энергии рассеивается, а часть сохраняется в продуктах промежуточного расщепления. Самопроверка проста: при полном окислении образуются углекислый газ и вода, а доля энергии, запасённой в АТФ, меньше 100 %.
Путать место гликолиза и кислородного этапа. Гликолиз идёт в цитоплазме, а основные реакции кислородного этапа связаны с митохондриями. Если сомневаетесь, проследите путь глюкозы: сначала цитоплазма, затем при наличии кислорода — митохондрии.
Энергетический обмен связан с пищеварением: оно расщепляет пищевые вещества до молекул, которые могут попасть в клетки. Он также связан с дыхательной системой, потому что кислород нужен для полного окисления глюкозы, а углекислый газ удаляется из организма. Образование АТФ обеспечивает энергией пластический обмен — синтез веществ, рост и обновление клеток. При фотосинтезе растения создают органические вещества, которые затем могут стать источником энергии для клеток растений и других организмов.
Энергетический обмен расщепляет органические вещества и обеспечивает клетку энергией.
АТФ временно запасает энергию и передаёт её процессам жизнедеятельности.
Гликолиз проходит в цитоплазме без кислорода и даёт чистый выход 2 АТФ на молекулу глюкозы.
При наличии кислорода дальнейшее окисление происходит в митохондриях и образует основную часть АТФ.
Без кислорода возможно брожение, но энергетический выход остаётся небольшим.
Энергия высвобождается ступенчато: часть запасается в АТФ, часть рассеивается.
Зачем клетке нужна АТФ?
АТФ временно запасает энергию, высвобождающуюся при расщеплении питательных веществ. Клетка использует её для синтеза веществ, движения, транспорта через мембрану и других процессов.
Чем бескислородный этап отличается от кислородного?
Бескислородный этап проходит в цитоплазме и расщепляет глюкозу не полностью, поэтому образуется мало АТФ. Кислородный этап связан с митохондриями и даёт гораздо больше энергии при полном расщеплении продуктов гликолиза.
Почему клеточное дыхание называют ступенчатым?
Энергия высвобождается в нескольких последовательных реакциях, а не за один раз. Так клетка может использовать её для образования АТФ, а не терять большую часть в виде тепла.
§ 12. Обеспечение клеток энергией
