§ 14. Обмен веществ и энергии в организме: энергетический обмен

Определения и обозначения

Энергетический обмен — совокупность реакций распада и окисления органических веществ, при которых высвобождается энергия. Иными словами, клетка получает её из веществ, поступающих с пищей или образующихся в организме. Эта энергия нужна для работы клетки и может запасаться в молекулах АТФ.

Подготовительный этап — расщепление сложных органических веществ до более простых; высвободившаяся энергия рассеивается в виде тепла. Белки, жиры и углеводы становятся доступнее для дальнейшего использования клеткой. Поскольку энергия не запасается в АТФ, этот этап сам по себе не обеспечивает клетку таким запасом.

Гликолиз — бескислородное расщепление глюкозы в цитоплазме клетки с образованием небольшого количества АТФ. Глюкоза — один из главных источников энергии для клеток. Гликолиз позволяет получить АТФ даже тогда, когда кислорода недостаточно.

Кислородный этап — дальнейшее окисление продуктов гликолиза в митохондриях с участием кислорода и образованием углекислого газа, воды и АТФ. Митохондрии — клеточные структуры, где протекает основная часть этого процесса. На данном этапе высвобождается и запасается в АТФ большая часть энергии глюкозы.

Как это устроено

Энергетический обмен нужен клетке, потому что многие её процессы требуют постоянных затрат энергии. В органических веществах энергия заключена в химических связях, а при их распаде и окислении высвобождается. Клетка запасает часть энергии в молекулах АТФ, чтобы использовать её там и тогда, где это необходимо, а не только в момент расщепления вещества.

Сначала белки, жиры и углеводы расщепляются до более простых веществ. Это происходит в пищеварительной системе и внутри клеток: крупные молекулы становятся пригодными для последующих реакций. Энергия этого этапа рассеивается в виде тепла, а не запасается в АТФ, поэтому подготовительное расщепление не даёт клетке прямого запаса энергии.

Затем одна молекула глюкозы расщепляется в цитоплазме без участия кислорода. В результате образуются две молекулы пировиноградной кислоты, а чистый выход составляет две молекулы АТФ. Гликолиз возможен без кислорода, потому что сам процесс не использует его; при этом полученной энергии значительно меньше, чем при полном окислении глюкозы.

Если кислорода достаточно, продукты гликолиза поступают в митохондрии и там полностью окисляются. Кислород участвует в реакциях, конечными продуктами которых становятся углекислый газ и вода. Полное окисление позволяет высвободить гораздо больше энергии, чем одно лишь расщепление при гликолизе, поэтому основная её часть запасается в АТФ именно здесь.

Этапы связаны последовательно: вещества, получившиеся на одном этапе, используются на следующем. При достатке кислорода клетка может продолжить окисление продуктов гликолиза в митохондриях. Если кислорода не хватает, кислородный этап ограничен, и клетка получает энергию преимущественно за счёт гликолиза, который даёт лишь небольшой выход АТФ.

Этапы энергетического обмена

В таблице сопоставлены место протекания, исходные вещества, условия и результаты каждого этапа. Для строки «Выход АТФ» указаны школьные расчётные значения на одну молекулу глюкозы. Используйте таблицу, чтобы проследить путь вещества и не перепутать условия гликолиза с условиями кислородного этапа.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Назовите этап энергетического обмена, который протекает в цитоплазме без кислорода, и укажите его основной продукт. Чтобы ответить, сначала сопоставьте место и условия процесса с этапами обмена. Затем назовите вещество, образующееся при расщеплении глюкозы.

1. Цитоплазма и отсутствие кислорода — признаки гликолиза.
2. При гликолизе глюкоза расщепляется до пировиноградной кислоты.
3. Кроме основного продукта, образуются две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы.

Ответ. Это гликолиз, его основной продукт — пировиноградная кислота. Также при распаде одной молекулы глюкозы образуются две молекулы АТФ. Поэтому важно не называть кислородный этап: он идёт не в цитоплазме, а в митохондриях.

Задача 2

Условие. Сколько молекул АТФ образуется при гликолизе двух молекул глюкозы? В условии спрашивают только о гликолизе, поэтому не нужно учитывать АТФ кислородного этапа. Найдите выход на одну молекулу глюкозы и умножьте его на число молекул.

1. При гликолизе одной молекулы глюкозы образуются две молекулы АТФ.
2. Глюкозы две, значит, число молекул АТФ тоже увеличивается в два раза.
3. Вычисляем: 2 × 2 = 4 молекулы АТФ.

Ответ. При гликолизе двух молекул глюкозы образуются четыре молекулы АТФ. Проверка проста: каждая молекула глюкозы даёт одинаковый выход в две молекулы АТФ. Полный выход при окислении здесь не нужен, потому что вопрос касается только одного этапа.

Задача 3

Условие. В клетке полностью окислились три молекулы глюкозы. Определите суммарный выход АТФ, если в расчётах на одну молекулу глюкозы приходится 38 молекул АТФ. Слово «полностью» указывает, что нужно учесть все этапы, а не только гликолиз. Сначала используйте указанный выход для одной молекулы, затем пересчитайте его на три.

1. При полном окислении одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.
2. Окислились три молекулы глюкозы, поэтому умножаем выход на три: 38 × 3.
3. Получаем 114 молекул АТФ суммарно.

Ответ. Суммарный выход составляет 114 молекул АТФ. В расчёте использованы все этапы энергетического обмена, поскольку глюкоза окислилась полностью. Если бы спрашивали только о гликолизе, следовало бы считать по две молекулы АТФ на одну глюкозу.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что кислород требуется для гликолиза. Её допускают, потому что гликолиз и кислородный этап входят в один энергетический процесс, однако кислород нужен только для последующего окисления. Проверьте себя: если речь о расщеплении глюкозы в цитоплазме, это гликолиз, и он идёт без кислорода.

Ошибка — приписывать образование АТФ подготовительному этапу. Обычно путают высвобождение энергии с её запасанием: здесь энергия рассеивается как тепло, поэтому АТФ не образуется. Для проверки спросите себя, в какой молекуле запасена энергия; на подготовительном этапе такого запаса в АТФ нет.

Ошибка — путать места протекания гликолиза и кислородного этапа. Это происходит, когда оба процесса запоминают как части клеточного дыхания, не связывая каждый с определённой структурой клетки. Запомните и проверьте: гликолиз — цитоплазма, кислородный этап — митохондрии.

Ошибка — считать две молекулы АТФ при гликолизе полным выходом энергии из глюкозы. Так бывает, если ответить только по первому этапу и не учесть дальнейшее окисление продуктов. Проверьте формулировку задачи: при полном окислении по школьному расчёту учитывают 38 молекул АТФ, и основная часть образуется на кислородном этапе.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в энергетическом обмене, нужно знать строение клетки и различать цитоплазму и митохондрии. Также пригодится представление о строении АТФ: её молекулы служат переносчиками энергии для клеточных процессов. Эти знания связывают тему с дыханием и обменом веществ.

Тема помогает понять, почему организму нужен кислород: он участвует в полном окислении органических веществ и связан с образованием основной части АТФ. Она также пригодится при изучении фотосинтеза, который обеспечивает образование органических веществ, и при рассмотрении связи организма с окружающей средой. Дыхание и фотосинтез связаны обменом веществ и превращениями энергии.

Что запомнить

• Энергетический обмен высвобождает энергию органических веществ.
• Подготовительный этап не сопровождается образованием АТФ.
• Гликолиз происходит в цитоплазме без участия кислорода.
• При гликолизе из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы АТФ.
• Кислородный этап протекает в митохондриях.
• Основная часть АТФ образуется при кислородном этапе.
• При полном окислении конечные продукты — углекислый газ и вода.