К реакциям энергетического обмена относится. Метаболизм клетки
1) транспорта питательных веществ по пищеварительному каналу
2) выделения сальными железами кожного сала
3) синтеза белков в клетках печени
4) фильтрации плазмы крови в нефроне
2. Установите уровневую организацию строения слухового анализатора чело-
века, начиная с его периферического отдела − уха. В ответ запишите соот-
ветствующую последовательность цифр.
1) рецепторные волосковые клетки
2) улитка
3) внутреннее ухо
4) перепончатый лабиринт
5) кортиев орган
3. Вставьте в текст «Процессы, происходящие в толстом кишечнике человека»
пропущенные термины из предложенного перечня, используя для этого
цифровые обозначения. Запишите в текст цифры выбранных ответов, а затем
получившуюся последовательность цифр (по тексту) впишите в приведённую
ниже таблицу.
Процессы, происходящие в толстом кишечнике человека
В толстом кишечнике в кровь всасывается большое количество ________ (А).
Железы толстого кишечника вырабатывают много ________ (Б) и облегчают,
таким образом, продвижение и выведение непереваренных остатков пищи.
Бактерии толстого кишечника синтезируют некоторые ________ (В). Непере-
варенные остатки пищи попадают в ________ (Г) и удаляются из организма.
Перечень терминов
1) слизь
2) вода
3) глюкоза
4) фермент
5) витамин
6) прямая кишка
7) слепая кишка
8) поджелудочная железа
4. К реакциям энергетического обмена в организме человека относят процесс
1) синтеза белков в мышечных волокнах
2) переноса кровью питательных веществ по организму
3) окисления глюкозы в нейронах мозга
4) обратного всасывания первичной мочи в извитых канальцах почек
5. Почему врачи рекомендуют включать в рацион питания продукты, содержа-
щие йод?
1) йод влияет на изменение состава плазмы крови
2) йод нормализует деятельность щитовидной железы
3) йод предупреждает заболевание ангиной
4) йод способствует синтезу в организме витамина С
6. Во время тренировки спортсмена в первую очередь расходуются запасы
1) витаминов 2) белков 3) жиров 4) углеводов
7. Вред загара заключается в том, что
1) темнеет кожа
2) может возникнуть меланома
3) вырабатывается избыток витамина D
4) в расширяющиеся сосуды кожи оттекает большое количество крови
8. В каком отделе пищеварительного канала в основном происходит всасыва-
ние органических веществ пищи?
1) в ротовой полости 3) в толстом кишечнике
2) в желудке 4) в тонком кишечнике
9. Установите уровневую организацию строения зрительного анализатора чело-
века, начиная с его периферического отдела. В ответ запишите соответствую-
щую последовательность цифр.
1) глаз
2) сетчатка
3) глазное яблоко
4) колбочки
5) фоторецепторы
Примером пластического обмена в организме человека является
1.Распад белков до аминокислот в пищеварительной системе
2.Синтез новых белков организма в клетках
3.Участие ферментов в химических реакциях,происходящих в кишечнике
4.Диффузия кислорода в альвеолах лёгких
в которой много..., защищающих организм от... микроорганизмов, циркулирует по... сосудам, в ней отсутствуют эритроциты и...
3. Кровь – жидкость красного цвета, состоящая из клеток:..., лейкоцитов и..., и межклеточного вещества – ..., кровь осуществляет транспорт веществ, нейтрализацию ядовитых веществ, терморегуляцию, защиту от...
4. Плазма крови на 90 % состоит из..., а также из... и... веществ, принимает участие в транспорте веществ и... крови.
5. Эритроциты – красные клетки крови, не имеющие..., двояковогнутой формы, содержат особый белок – ..., легко соединяющийся с кислородом.
6... и... бесцветны, различной формы, легко проникают сквозь стенки капилляров, способны уничтожать болезнетворных микроорганизмов за счет реакции..., образуются в красном костном мозге, селезенке и... узлах.
7. Кровяные пластинки... – мелкие безъядерные образования, образующиеся в... костном мозге, основная функция которых – ... крови.
8. Свертывание крови – защитная реакция организма, суть которой сводится к тому, что при поражении кровеносных сосудов разрушаются... и выделяется фермент, под действием которого растворимый белок плазмы... превращается в нерастворимый..., нити которого образуют..., который закрывает рану.
9. При попадании инфекции в организм человека лимфоциты вырабатывают..., особые белковые соединения, которые обезвреживают болезнетворные... и...
10... – это невосприимчивость организма к инфекционным заболеваниям, бывает..., который вырабатывается после перенесения заболевания или передается по наследству, и..., возникает в результате введения готовых... или..., культуры ослабленных микроорганизмов.
11. В 1901 году... открыл существование четырех... крови, отличающихся по наличию в эритроцитах и плазме... и...
12. При переливании крови от донора к... необходимо учитывать группу крови и..., при несоблюдении этих правил наблюдается... эритроцитов, приводящая к гибели человека.
1....К механической функции костей скелета человека относят 1)участие в кроветворении 2)обмен солей 3)защиту внутренних4)участие в иммунитете
В каком(-их) сосуде(-ах) давление крови наибольшее?
1)в капиллярах
2)в верхней полой вене
3)в нижней полой вене
4)в плечевой артерии
3...Биологическая роль дыхания в организме человека заключается в
1)диффузии кислорода из капилляров в тканевую жидкость и углекислого
газа в капилляры
2)осуществлении вдоха и выдоха
3)выделении энергии при окислении органических веществ в клетках
4)присоединении кислорода к молекулам гемоглобина
Какое органическое вещество образуется в организме человека в результате
протекания данной химической реакции?
глюкоза + кислород = углекислый газ + вода + ?
1)крахмал
2)АТФ
3)белок
4)ДНК
Что является примером врождённого рефлекса у человека?
1)движение пешехода на зелёный сигнал светофора
2)сужение зрачка при попадании в ярко освещённое помещение
3)выделение желудочного сока на запах пищи
4)возникновение обиды на отметку «2», поставленную педагогом
Нарушение целостности кожных покровов при работе на огороде опасно,
потому что
1)может прекратиться доступ воздуха к тканям
2)в рану могут проникнуть яйца глистов
3)нарушается процесс свёртывания крови
4)могут проникнуть возбудители столбняка
Для медведя абиотическим фактором является
1)высота снежного покрова
2)наличие в лесу старых деревьев с дуплами
3)урожай семян ели
4)численность лосей
Как получают энергию консументы (потребители)?
1)Они используют энергию солнца.
2)Они потребляют воду из почвы.
3)Они питаются растущими растениями.
4)Они минерализуют органические вещества
Дятел Кряква
Рябчик Цапля
Тетерев Выпь
Что из перечисленного ниже было положено в основу разделения
(классификации) этих животных в группы?
1)условия обитания
2)размер клюва
3)способность плавать
4)источник питания
Верны ли следующие суждения о свойствах мышечных тканей человека?
А. Основные свойства мышечной ткани – это возбудимость и проводимость.
Б. Стенки кровеносных сосудов, кишечника, мочевого пузыря образованы
поперечнополосатой мышечной тканью.
1)верно только А
2)верно только Б
3)верны оба суждения
4)оба суждения неверны
Все пищевые вещества обладают определенным запасом энергии.
Организм называют трансформатором энергии, так как в нем постоянно происходят специфические превращения питательных веществ,
приводящие к освобождению энергии и переходу ее из одного вида в другой. Соотношение между количеством энергии, получаемой с пищей, и количеством затрачиваемой энергии носит название энергетического баланса организма. Для его изучения необходимо определение энергетической ценности пищи.
Энергетическая ценность пищевых веществ не всегда совпадает с их физиологической ценностью, ибо последняя определяется способностью к усвоению. Пищевые вещества животного происхождения усваиваются лучше, чем растительного.
Методы определения энергетического обмена. Количество энергии, освобождающееся в организме, зависит от химических превращений веществ в нем, т.е. от обменных процессов. Отсюда следует, что количество теплоты, выделяемое организмом, может служить показателем обмена веществ. Определение количества тепла (количества калорий), выделенного организмом, дает всю сумму энергетических превращений в виде конечного теплового итога. Такой способ определения энергии носит название прямой калориметрии. Определение количества калорий методом прямой калориметрии производится с помощью калориметрической камеры, или калориметра. Однако этот метод определения энергетического баланса трудоемок.
Все эти определения можно провести гораздо проще, изучая газообмен. Определение количества энергии, выделенной организмом, с помощью изучения газообмена получило название непрямой калориметрии. Зная, что все количество энергии, выделяемой в организме, есть результат распада белков, жиров и углеводов; зная также, какое количество энергии выделяется при распаде этих веществ и какое количество их подверглось распаду за определенный промежуток времени, можно вычислить количество освобождающейся энергии. Для того чтобы определить, какие вещества подверглись в организме окислению - белки, жиры или углеводы, вычисляют дыхательный коэффициент , т.е. отношение объема выделенной углекислоты к объему поглощенного кислорода. Дыхательный коэффициент различен при окислении белков, жиров и углеводов. Для примера рассмотрим, каков будет дыхательный коэффициент при окислении глюкозы. Суммарная формула распада глюкозы
При окислении глюкозы число молекул образовавшегося С0 2 равно числу молекул поглощенного 0 2 . Равное количество молекул газа при одной и той же температуре и одном и том же давлении занимает один и тот же объем (закон Авогадро). Следовательно, дыхательный коэффициент (отношение С0 2 / 0 2) при окислении глюкозы и других углеводов равен единице.
При окислении жиров и белковдыхательный коэффициент будет ниже единицы. При окислении жиров дыхательный коэффициент равен 0,7. Проиллюстрируем это на примере окисления трипальми- тина:
Отношение между объемами углекислого газа и кислорода составляет в данном случае Ю2С0 2 /1450 2 = 0,703.
Аналогичный расчет можно сделать и для белка; при его окислении в организме дыхательный коэффициент равен 0,8. При смешанной пище у человека дыхательный коэффициент обычно равен 0,85-0,89.
Зная величину дыхательного коэффициента, по таблицам можно определить тепловой эквивалент кислорода, т.е. количество освобождаемой энергии на каждый литр потребленного кислорода. Тепловой эквивалент кислорода неодинаков при разных значениях дыхательного коэффициента. Для определения количества потребленного кислорода и выделенного углекислого газа пользуются методом Дугласа - Холдейна. Испытуемый берет в рот мундштук, нос закрывает, и весь выдыхаемый за определенный промежуток времени воздух собирается в резиновый мешок. Объем выдыхаемого воздуха определяется с помощью газовых часов. Из мешка берут пробу воздуха и определяют в ней содержание кислорода и углекислого газа; вдыхаемый воздух содержит определенное их количество. По разности в процентах вычисляют количество потребленного кислорода, выделенного углекислого газа и дыхательный коэффициент. Затем находят соответствующий его величине тепловой эквивалент кислорода, который умножают на количество литров потребленного кислорода. При этом получают величину обмена за тот промежуток времени, в течение которого производилось определение газообмена. Затем переводят эту величину в сутки.
Основной и общий обмен веществ. Различают общий обмен веществ и обмен веществ при полном покое, который называют основным. Его определяют при следующих условиях:
- в состоянии мышечного покоя (положение лежа с расслабленной мускулатурой), при отсутствии раздражений, вызывающих эмоциональное напряжение;
- натощак, т.е. через 12-16 ч после приема пищи;
- при внешней температуре «комфорта» (21-22 °С), не вызывающей ощущения холода и жары.
Испытуемого укладывают в постель и спустя 30 мин начинают определение газообмена. В этих условиях энергия тратится на работу сердца, дыхание, поддержание температуры тела и т.д. Но эти затраты невелики. Главные затраты при определении основного обмена связаны с химическими процессами, всегда имеющими место в клетках. Величина основного обмена составляет 4200-8400 кДж в сутки у мужчин и 4200-7140 кДж у женщин.
Обмен веществ может значительно изменяться при различных условиях. Например, интенсивность основного обмена во время сна уменьшается на 8-10% по сравнению с исследованием во время бодрствования. Во время работы, при мышечной нагрузке, наоборот, он значительно увеличивается. Увеличение объема тем значительней, чем интенсивнее мышечная нагрузка. В связи с этим работники различных профессий тратят неодинаковое количество энергии в сутки: от 2500 ккал/сут (работники преимущественно умственного труда) до 4500 ккал/сут (работники особо тяжелого физического труда).
Умственная работа вызывает повышение обмена веществ всего на 2-3%. Любые эмоциональные возбуждения неизбежно приводят к повышению обмена веществ. После приема пищи обмен возрастает на 10-40%. Влияние пищи на обмен веществ не зависит от деятельности ЖКТ, оно обусловлено специфическим действием пищи на обмен. В связи с этим и принято говорить о специфическом динамическом действии пищи на обмен, понимая под этим его увеличение после приема пищи.
Регуляция обмена энергии. Уровень энергетического обмена непосредственно зависит от физической активности, эмоционального напряжения, характера питания, степени напряжения терморегуляции и ряда других факторов.
Многочисленные данные свидетельствуют об условно-рефлекторном изменении потребления кислорода и энергообмена. Любой ранее индифферентный раздражитель, связанный по времени с мышечной деятельностью, может служить сигналом к увеличению обмена веществ и энергии. Так, у спортсмена в предстартовом состоянии резко увеличивается потребление кислорода, а следовательно, и энергообмен. Особую роль в обмене энергии играет гипоталамическая область мозга. Здесь формируются регуляторные влияния, которые реализуются вегетативными нервами или гуморальным звеном за счет увеличения секреции ряда гормонов. Особенно выраженно усиливают обмен энергии гормоны щитовидной железы - тироксин и трийодтиронин и гормоны мозгового вещества надпочечников - адреналин и норадреналин.
Организма постоянно связан с обменом энергии. Реакции энергетического обмена происходят постоянно, даже когда мы спим. После сложных химических изменений пищевые вещества превращаются из высокомолекулярных в простые, что сопровождается выделением энергии. Это все энергетический обмен.
Энергетические запросы организма во время бега весьма велики. Например, за 2,5-3 часа бега расходуется около 2600 калорий, (это марафонская дистанция), что значительно превышает энергозатраты ведущего малоподвижный образ жизни человека за день. Во время забега энергия черпается организмом из запасов мышечного гликогена и жиров.
Мышечный гликоген, представляющий собой сложную цепь молекул глюкозы, накапливается в активных группах мышц. В результате аэробного гликолиза и двух других химических процессов гликоген преобразуется в аденозинтрифосфат (АТФ).
Молекула АТФ основной источник энергии в нашем организме. Поддержание энергетического баланса и энергетического обмена происходит на уровне клетки. От дыхания клетки зависит скорость и выносливость бегуна. Поэтому,чтобы достичь наивысших результатов, надо обеспечить клетку кислородом на всю дистанцию. Для этого и нужны тренировки.
Энергия в организме человека. Этапы энергетического обмена.
Мы всегда получаем и тратим энергию. В виде пищи мы получаем основные питательные вещества, или готовые органические вещества, это белки жиры и углеводы. Первый этап, это пищеварение, здесь не происходит выделение энергии которую наш организм может запасти.
Пищеварительный процесс направлен не на получение энергии, а на то, чтобы разбить крупные молекулы на мелкие. В идеале все должно расщепиться до мономеров. Углеводы расщепляется до глюкозы, фруктозы и галактозы. Жиры — до глицерина и жирных кислот,белки до аминокислот.
Дыхание клетки
Кроме пищеварения, есть вторая часть или этап. Это дыхание. Мы дышим и нагнетаем воздух в легкие, но это не основная часть дыхания. Дыхание, это когда наши клетки, используя кислород, сжигают питательные вещества до воды и углекислого газа, чтобы получить энергию. Это конечный этап получения энергии который проходит в каждой нашей клетке.
Основным источником питания человека являются углеводы, накапливаемые в мышцах в виде гликогена, гликогена обычно хватает на 40-45 минут бега. По истечении этого времени организм должен переключиться на другой источник энергии. Это жиры. Жиры — это альтернативная энергия гликогену.
Альтернативная энергия — это значит необходимость выбора одного из двух источников энергии или жиры или гликоген. Наш организм может получать энергию только из какого-то одного источника.
Бег на длинные дистанции отличается от бега на короткие дистанции тем, что организм стайера неизбежно переходит к использованию мышечных жиров как дополнительного источника энергии.
Жирные кислоты - это не самый удачный заменитель углеводов, так как на их выделение и использование уходит гораздо больше энергии и времени. Но если гликоген закончился, то организму ничего не остается, как пустить в ход жиры, добывая таким способом необходимую энергию. Получается, что жиры это всегда запасной вариант для организма.
Замечу, что используемые при беге жиры - это жиры, содержащиеся в мышечных волокнах, а не жировые прослойки, покрывающие тело.
При сжигании или расщеплении любого органического вещества получаются отходы производства, это углекислый газ и вода. Наша органика, это белки, жиры и углеводы. Углекислый газ выдыхается вместе с воздухом, а вода используется организмом или выводится с потом или мочой.
Переваривая питательные вещества, наш организм какую-то часть энергии теряет в виде тепла. Так греется и теряет энергию в пустоту двигатель в автомобиле, так и мышцы бегуна тратят огромное количество энергии. превращая химическую энергию в механическую. Причем КПД составляет порядка 50%, то есть половина энергии уходит в виде тепла в воздух.
Можно выделить основные этапы энергетического обмена:
Мы едим, чтобы получить питательные вещества, расщепляем их, потом при помощи кислорода идет процесс окисления, в итоге получаем энергию. Часть энергии всегда уходит в виде тепла, а часть мы запасаем. Энергия запасается в виде химического соединения которое называется — АТФ.
Что такое АТФ?
АТФ — аденозинтрифосфат, имеющий большое значение в обмене энергии и веществ в организмах. АТФ является универсальным источником энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах.
В организме АТФ является одним из самых часто обновляемых веществ, так у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее минуты. В течении суток одна молекула АТФ проходит в среднем 2000-3000 циклов ресинтеза. Человеческий организм синтезирует около 40 кг АТФ в день, но содержит в каждый конкретный момент примерно 250 г, то есть запаса АТФ в организме практически не создаётся, и для нормальной жизнедеятельности необходимо постоянно синтезировать новые молекулы АТФ.
Вывод: Наш организм может сам себе запасать энергию в виде химического соединения. Это АТФ.
Атф состоит из азотистого основания-аденина, рибозы и трифосфата- остатков фосфорной кислоты.
Для создания АТф требуется много энергии, но, при ее разрушении можно вернуть эту энергию. Наш организм, расщепляя питательные вещества, создает молекулу АТФ, а потом, когда ему нужна энергия, он расщепляет молекулу АТФ или расщепляет связи молекулы. Отщепляя один из остатков фосфорной кислоты можно получить порядка-40кДж. ⁄ моль.
Так происходит всегда, потому, что нам постоянно нужна энергия, особенно во время бега. Источники ввода энергии в организм могут быть разные (мясо. фрукты. овощи и т. д.) . Внутренний же источник энергии один — это АТФ. Жизнь молекулы меньше минуты. поэтому организм постоянно расщепляет и воспроизводит АТФ.
Энергия расщепления. Энергия клетки
Диссимиляция
Основную энергию мы получаем из глюкозы в виде молекулы АТФ. Так как энергия нам нужна постоянно, эти молекулы придут в организм туда, где необходимо отдать энергию.
АТФ отдает энергию, и при этом расщепляется до АДФ — аденозиндифосфат. АДФ- это та же молекула АТФ, только без одного остатка фосфорной кислоты. Ди -это значит два. Глюкоза, расщепляясь отдает энергию, которую забирает АДФ и восстанавливает свой фосфорный остаток, превращаясь в АТФ, которая опять готова потратить энергию.Так происходит постоянно.
Этот процесс называется — диссимиляцией .(разрушение).В данном случае для получения энергии надо разрушить молекулу АТФ.
Ассимиляция
Но есть и другой процесс. Можно строить свои собственные вещества с затратой энергии. Этот процесс называется — ассимиляция . Из более мелких создавать более крупные вещества. Производство собственных белков, нуклеиновых кислот, жиров и углеводов.
Например_ вы съели кусок мяса, Мясо- это белок который должен расщепиться до аминокислот, из этих аминокислот будут собраны или синтезированы собственные белки, которые станут вашими мышцами. На это уйдет какая-то часть энергии.
Получение энергии. Что такое гликолиз?
Один из процессов получения энергии для всех живых организмов, это гликолиз. Гликолиз можно встретить в цитоплазме любой нашей клетки. Название «гликолиз» происходит от греч. - сладкий и греч. - растворение.
Гликолиз - ферментативный процесс последовательного расщепления глюкозы в клетках, сопровождающийся синтезом АТФ. Это 13 ферментативных реакций. Гликолиз при аэробных условиях ведёт к образованию пировиноградной кислоты (пирувата) .
Гликолиз в анаэробных условиях ведёт к образованию молочной кислоты (лактата) . Гликолиз является основным путём катаболизма глюкозы в организме животных.
Гликолиз - один из древнейших метаболических процессов, известный почти у всех живых организмов. Предположительно гликолиз появился более 3,5 млрд лет назад у первичных прокариотов
. (Прокариоты – это организмы, в клетках которых отсутствует оформленное ядро. Его функции выполняет нуклеотид (то есть «подобный ядру») ; в отличие от ядра, нуклеотид не имеет собственной оболочки).
Анаэробный гликолиз
Анаэробный гликолиз — это способ получить энергию из молекулы глюкозы, не используя при этом кислород. Процесс гликолиза (расщепления) — это процесс окисления глюкозы, при котором из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты.
Молекула глюкозы щепится на две половинки которые можно называть-пируват , это то же самое, что и пировиноградная кислота. Каждая половинка пирувата может восстановить молекулу АТФ. Получается, что одна молекула глюкозы при расщеплении может восстановить две молекулы АТФ.
При длительном беге или при беге в анаэробном режиме через какое-то время становится тяжело дышать, устают мышцы ног, ноги становятся тяжелыми, они как и вы перестают получать достаточное количество кислорода.
Потому, что процесс получения энергии в мышцах заканчивается на гликолизе. Поэтому мышцы начинают болеть и отказываются работать из-за отсутствия энергии. Образуется молочная кислота или лактат. Получается, что чем быстрее бежит атлет, тем быстрее он производит лактат. Уровень лактата в крови тесно связан с интенсивностью выполнения упражнения.
Аэробный гликолиз
Сам по себе гликолиз является полностью анаэробным процессом, то есть не требует для протекания реакций присутствия кислорода. Но согласитесь, что получение при гликолизе двух молекул АТФ, это очень мало.
Поэтому в организме есть альтернативный вариант получения энергии из глюкозы. Но уже с участием кислорода. Это кислородное дыхание. которым каждый из нас обладает, или аэробный гликолиз . Аэробный гликолиз способен быстро восстанавливать запасы АТФ в мышце.
Во время динамических нагрузок, таких как бег, плавание и т.п., происходит аэробный гликолиз. то есть если вы бежите и не задыхаетесь, а спокойно разговариваете с рядом бегущим товарищем, то можно сказать, что вы бежите в аэробном режиме.
Дыхание или аэробный гликолиз происходит в митохондриях под воздействием специальных ферментов и требует затрат кислорода, а соответственно и времени на его доставку.
Окисление происходит в несколько этапов, сначала идет гликолиз, но образовавшиеся в ходе промежуточного этапа этой реакции две молекулы пирувата не преобразуются в молекулы молочной кислоты, а проникают в митохондрии, где окисляются в цикле Кребса до углекислого газа СО2 и воды Н2О и дают энергию для производства еще 36 молекул АТФ.
Митохондрии- это специальные органоиды которые находятся в клетке, поэтому и существует та кое понятие, как клеточное дыхание.Такое дыхание происходит у всех организмов которым нужен кислород, В том числе и нам с вами.
Гликолиз - катаболический путь исключительной важности. Он обеспечивает энергией клеточные реакции, в том числе и синтез белка. Промежуточные продукты гликолиза используются при синтезе жиров. Пируват также может быть использован для синтеза аланина, аспартата и других соединений. Благодаря гликолизу производительность митохондрий и доступность кислорода не ограничивают мощность мышц при кратковременных предельных нагрузках. Аэробное окисление в 20 раз эффективнее анаэробного гликолиза.
Что такое митохондрия?
Митохо́ндрия (от греч. μίτος - нить и χόνδρος - зёрнышко, крупинка) - двумембранный сферический или эллипсоидный органоид диаметром обычно около 1 микрометра.. Энергетическая станция клетки; основная функция - окисление органических соединений и использование освобождающейся при их распаде энергии для генерации электрического потенциала, синтеза АТФ и термогенеза.
Число митохондрий в клетке непостоянно. Их особенно много в клетках, в которых потребность в кислороде велика. В зависимости от того, в каких участках клетки в каждый конкретный момент происходит повышенное потребление энергии, митохондрии в клетке способны перемещаться по цитоплазме в зоны наибольшего энергопотребления.
Функции митохондрий
Одной из основных функций митохондрий является синтез АТФ - универсальной формы химической энергии в любой живой клетке. Посмотрите, на входе две молекулы пирувата, а на выходе огромное количество «много чего». Это «много чего» называется «Цикл Кребса». Кстати, за открытие этого цикла Ганс Кребс получил Нобелевскую премию.
Можно сказать, что это - цикл трикарбоновых кислот. В этом цикле много веществ последовательно превращаются друг в друга. Вобщем, как вы поняли, эта штука очень важная и понятная для биохимиков. Другими словами, это ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород.
В итоге на выходе мы получаем — углекислый газ, воду и 36 молекул АТФ. Напомню, что гликолиз (без участия кислорода) давал всего две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы. Поэтому, когда наши мышцы начинают работать без кислорода они сильно теряют эффективность. Именно поэтому все тренировки направлены на то, чтобы мышцы как можно дольше могли работать на кислороде.
Строение митохондрии
Митохондрия обладает двумя мембранами: наружной и внутренней. Главная функция наружной мембраны – это отделение органоида от цитоплазмы клетки. Она состоит из билипидного слоя и белков, пронизывающих его, через которые и осуществляется транспорт молекул и ионов, необходимых митохондрии для работы.
В то время как наружная мембрана гладкая, внутренняя образует многочисленные складки –
кристы
, которые существенно увеличивают ее площадь. Внутренняя мембрана по большей части состоит из белков, среди которых присутствуют ферменты дыхательной цепи, транспортные белки и крупные АТФ — синтетазные комплексы. Именно в этом месте происходит синтез АТФ. Между наружной и внутренней мембраной находится межмембранное пространство с присущими ему ферментами.
Внутреннее пространство митохондрий называется матрикс
. Здесь расположены ферментные системы окисления жирных кислот и пирувата, ферменты цикла Кребса, а также наследственный материал митохондрий – ДНК, РНК и белоксинтезирующий аппарат.
Митохондрия — это единственный источник энергии клеток. Расположенные в цитоплазме каждой клетки, митохондрии сравнимы с «батарейками» , которые производят, хранят и распределяют необходимую для клетки энергию.
Человеческие клетки содержат в среднем 1500 митохондрий. Их особенно много в клетках с интенсивным метаболизмом (например, в мускулах или печени) .
Митохондрии подвижны и перемещаются в цитоплазме в зависимости от потребностей клетки. Благодаря наличию собственной ДНК они размножаются и самоуничтожаются независимо от деления клетки.
Клетки не могут функционировать без митохондрий, без них жизнь не возможна.
Совокупность реакций обмена веществ, протекающих в организме, называется метаболизмом .
Процессы синтеза специфических собственных веществ из более простых называется анаболизмом , или ассимиляцией , или пластическим обменом . В результате анаболизма образуются ферменты, вещества, из которых построены клеточные структуры, и т.п. Этот процесс, как правило, сопровождается большим потреблением энергии .
Эта энергия получается организмом в других реакциях, в которых более сложные вещества расщепляются до простых. Эти процессы называются катаболизмом , или диссимиляцией , или энергетическим обменом . Продуктами катаболизма у аэробных организмов являются СО 2 , Н 2 О, АТФ и
восстановленные переносчики водорода (НАД∙Н и НАДФ∙Н), которые принимают атомы водорода, отщепляемые от органических веществ в процессах окисления. Некоторые низкомолекулярные вещества, которые образуются в ходе катаболизма, в дальнейшем могут служить предшественниками необходимых клетке веществ (пересечение катаболизма и анаболизма).
Катаболизм и анаболизм тесно связаны: анаболизм использует энергию и восстановители, образующиеся в реакциях катаболизма, а катаболизм осуществляется под действием ферментов, образующихся в результате реакций анаболизма.
Как правило, катаболизм сопровождается окислением используемых веществ, а анаболизм - восстановлением.
| пластический обмен (анаболизм) | энергетический обмен (катаболизм) |
|---|---|
| синтез и накопление (ассимиляция) сложных веществ | распад сложных веществ на простые (диссимиляция) |
| идет с затратой энергии (расходуется АТФ) | выделяется энергия (синтезируется АТФ) |
| может быть источником органических веществ для энергетического обмена | является источником энергии для пластического обмена |
|
биосинтез белков, жиров, углеводов; фотосинтез (синтез углеродов растениями и синезелеными водорослями); хемосинтез |
анаэробное дыхание (= гликолиз = брожение); аэробное дыхание (окислительное фосфорилирование) |
Реакции анаболизма у разных организмов могут иметь некоторые отличия (см. тему "Способы получения энергии живыми организмами").
АТФ - аденозинтрифосфат
В процессе катаболизма выделяется энергия в виде тепла и в виде АТФ.
АТФ - единый и универсальный источник энергообеспечения клетки.
АТФ нестабильна.
АТФ является "энергетической валютой", которую можно потратить на синтезы сложных веществ в реакциях анаболизма.
Гидролиз (распад) АТФ:
АТФ + $Н_{2}О$ = АДФ + $Н_{3}РО_{4}$ + 40 кДж/моль
Энергетический обмен
Живые организмы получают энергию в результате окисления органических соединений.
Окисление - процесс отдачи электронов.
Расход полученной энергии:
50% энергии выделяется в виде тепла в окружающую среду;
50% энергии идет на пластический обмен (синтез веществ).
В клетках растений :
крахмал → глюкоза → АТФ
В клетках животных :
гликоген → глюкоза → АТФ
Подготовительный этап
Ферментативное расщепление сложных органических веществ до простых в пищеварительной системе:
белковые молекулы - до аминокислот
липиды - до глицерина и жирных кислот
углеводы - до глюкозы
Распад (гидролиз) высокомолекулярных органических соединений осуществляется или ферментами желудочно-кишечного тракта или ферментами лизосом.
Вся высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла.
Простые вещества всасываются ворсинками тонкого кишечника:
аминокислоты и глюкоза - в кровь;
жирные кислоты и глицерин - в лимфу;
и переносятся к клеткам тканей организма.
Образовавшиеся небольшие органические молекулы могут быть использованы в качестве «строительного материала» или могут подвергаться дальнейшему расщеплению (гликолизу).
На подготовительном этапе может происходить гидролиз запасные вещества клеток: гликогена - у животных (и грибов) и крахмала - у растений. Гликоген и крахмал являются полисахаридами и распадаются на мономеры - молекулы глюкозы.
распад гликогена
Гликоген печени используется не столько для собственных нужд печени, сколько для поддержания постоянной концентрации глюкозы в крови, и, следовательно, обеспечивает поступление глюкозы в другие ткани.
Рис. Функции гликогена в печени и мышцах
Гликоген, запасенный в мышцах, не может распадаться до глюкозы из-за отсутствия фермент. Функция мышечного гликогена заключается в освобождении глюкозо-6-фосфата, потребляемого в самой мышце для окисления и использования энергии.
Распад гликогена до глюкозы или глюкозо-6-фосфата не требует энергии.
Гликолиз (анаэробный этап)
Гликолиз - расщепление глюкозы с помощью ферментов.
Идет в цитоплазме, без кислорода.
Во время этого процесса происходит дегидрирование глюкозы, акцептором водорода служит кофермент НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид).
Глюкоза в результате цепочки ферментативных реакций превращается в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), при этом суммарно образуются 2 молекулы АТФ и восстановленная форма переносчика водорода НАД·Н2:
$С_{6}Н_{12}О_{6}$ + 2АДФ + 2$Н_{3}РО_{4}$ + 2$НАД^{+}$ → 2$С_{3}Н_{4}О_{3}$ + 2АТФ + 2$Н_{2}О$ + 2($НАДН+Н^{+}$).
Дальнейшая судьба ПВК зависит от присутствия кислорода в клетке:
если кислорода нет, у дрожжей и растений происходит спиртовое брожение, при котором сначала происходит образование уксусного альдегида, а затем этилового спирта:
$С_{3}Н_{4}О_{3}$ → $СО_{2}$ + $СН_{3}СОН$,
$СН_{3}СОН$ + $НАДН+Н^{+}$ → $С_{2}Н_{5}ОН$ + $НАД^{+}$ .
У животных и некоторых бактерий при недостатке кислорода происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:
$С_{3}Н_{4}О_{3}$ + $НАДН+Н^{+}$ → $С_{3}Н_{6}О_{3}$ + $НАД^{+}$.
В результате гликолиза одной молекулы глюкозы высвобождается 200 кДж, из которых 120 кДж рассеивается в виде тепла, а 80кДж запасается в связях 2 молекул АТФ.
дыхание, или Окислительное фосфорилирование (аэробный этап)
Окислительное фосфорилирование - процесс синтеза АТФ с участием кислорода.
Идет на мембранах крист митохондрий в присутствии кислорода.
Пировиноградная кислота, образовавшаяся при бескислородном расщеплении глюкозы, окисляется до конечных продуктов СО2 и Н2О. Этот многоступенчатый ферментативный процесс называется циклом Кребса, или циклом трикарбоновых кислот.
В результате клеточного дыхания при распаде двух молекул пировиноградной кислоты синтезируются 36 молекул АТФ:
2$С_{3}Н_{4}О_{3}$ + 32$О_{2}$ + 36АДФ + 36$Н_{3}РО_{4}$ → 6$СО_{2}$ + 58$Н_{2}О$ + 36АТФ.
Кроме того, нужно помнить, что две молекулы АТФ запасаются в ходе бескислородного расщепления каждой молекулы глюкозы.
Суммарная реакция расщепления глюкозы до углекислого газа и воды выглядит следующим образом:
$С_{6}Н_{12}О_{6}$ + 6$О_{2}$ + 38АДФ → 6$СО_{2}$ + 6$Н_{2}О$ + 38АТФ + Qт,
где Qт - тепловая энергия.
Таким образом при окислительном фосфорилировании образуется в 18 раз больше энергии (36 АТФ), чем при гликолизе (2 АТФ).
Работа всех систем в организме непрерывна. В нём постоянно протекают сложные химические реакции, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность. Одним из самых важных процессов является обмен веществ и энергии, то есть метаболизм.
Именно благодаря ему, клетки сохраняют постоянство состава, растут, функционируют, а также обновляются. Процесс этот непростой и состоит из двух видов обмена - пластического и энергетического, которые, в свою очередь, имеют несколько стадий.
Вконтакте
В организме непрерывно происходит как расщепление сложных веществ на более простые, так и синтез необходимых соединений из различных элементов. В результате первого типа реакций, который называется энергетическим обменом, или катаболизмом, тело человека получает необходимую для нормального функционирования энергию. Но её часть расходуется на создание новых соединений, которые нужны для жизнедеятельности. Такой процесс носит название пластического обмена, или анаболизма.
Энергетический обмен
Катаболизм
, называемый также диссимиляцией
, происходит вплоть до того момента, пока все питательные вещества, поступившие в организм, не расщепятся до углекислого газа, воды или других простых соединений, которые уже нельзя использовать.
Этот процесс аналогичен горению, ведь в его результате выделяются те же вещества. Но он происходит с куда большей скоростью и не нуждается в высоких температурах. Кроме того, важным отличием является то, что энергия не переходит в тепловую, чтобы безвозвратно рассеяться, а запасается для дальнейших нужд организма. Это делает процесс невероятно эффективным и уникальным.
Распад веществ для получения организмом энергии - это то, что характеризует энергетический обмен в клетке. Происходит он в несколько стадий:
- подготовительная;
- неполная (анаэробное дыхание);
- аэробное дыхание.
Каждая из этих стадий имеет свои особенности и играет важную роль в метаболизме в целом. Далее будет более подробно рассказано про каждую из них.
Подготовительный этап
Единственная из стадий, которая протекает в желудочно-кишечном тракте. Она заключается в пищеварении, то есть распаде сложных органических соединений на простые. Распад у сложных организмов осуществляется под действием пищеварительных ферментов, а у одноклеточных - с помощью лизосом. При этом белки распадаются на аминокислоты, жиры - на алифатические карбоновые кислоты и глицерин, углеводы - на сахариды, нуклеиновые кислоты - на нуклеотиды .
При всех этих процессах дополнительно выделяется энергия в виде тепла, но не в самых больших количествах. Далее процессы происходят на клеточном уровне.
Анаэробное дыхание
Эта стадия называется также гликолизом
применительно к царству животных, или брожением
, если имеются в виду растения и микроорганизмы. Весь процесс происходит в цитоплазме клеток за счёт работы ферментов.
Он продолжает предыдущую стадию тем, что из моносахарида, коим является глюкоза, выделяются ещё более простые вещества - спирт и углекислый газ, а также кислоты.
Этот вид обмена универсален для всех организмов и используется даже в повседневной жизни. Поскольку он протекает и в бактериях, его широко применяют в пищевой промышленности: дрожжи производят этиловый спирт, кисломолочные бактерии - молочную кислоту, а животные клетки - пировиноградную. В некоторых микроорганизмах выделяется ацетон и этановая кислота.
При этом также выделяется энергия, часть которой запасается в двух молекулах аденозинтрифосфата (АТФ), и некоторое количество рассеивается с выделением тепла. Но двух молекул АТФ недостаточно для полноценной работы организма, поэтому за анаэробным этапом последует кислородное расщепление.
Аэробное дыхание
Другие названия этого этапа - клеточное дыхание
, или кислородное расщепление
. Как видно из названия, процесс невозможен без кислорода, который выступает в роли окислителя продуктов распада глюкозы. Помимо кислорода, в работе участвует фосфорная кислота и аденозиндифосфат (АДФ). Под действием ферментов они без повышения температуры моментально сжигают органические вещества до углекислого газа и воды.
Благодаря окислению из одной молекулы вещества (образовавшиеся на предыдущем этапе молочная, пировиноградная кислоты и так далее) клетка получает 18 АТФ, каждая из которых служит мощным источником энергии. Этот этап происходит в митохондриях клетки и является самым важным во всём энергетическом обмене, так как обеспечивает клетку большим количеством АТФ.
Пластический обмен
Пластический обмен ещё называется анаболизмом, ассимиляцией и биосинтезом. Он является не менее важной составляющей метаболизма, ведь именно пластический обмен в клетке характеризуется синтезом новых веществ, что обеспечивает образование ферментов, гормонов, а также белков, липидов и других веществ, участвующих в построении клеток, межклеточного пространства и других составляющих организма. Так же, как и энергетический обмен, он является сложным и протекает во многих организмах. Далее будут приведены примеры и процессы пластического обмена.
- , который свойственен растениям, а также некоторым бактериям. Они называются автотрофами, поскольку способны самостоятельно синтезировать необходимые для жизни органические вещества из неорганических соединений.
- Хемосинтез протекает у бактерий, называемых хемотрофами. И они также могут обеспечивать себя необходимыми органическими соединениями. Для их жизнедеятельности не нужен кислород, они используют диоксид углерода.
- Биосинтез белков осуществляется в живых организмах. К ним относятся и гетеротрофы, которые, в отличие от двух предыдущих упоминаемых форм, неспособны самостоятельно обеспечивать себя органическими веществами, а поэтому получают их с помощью других организмов.
Остановимся на этих процессах более подробно.
Процесс, без которого не была бы возможна жизнь на Земле. Многим формам жизни для дыхания нужен кислород взамен выдыхаемого ими в воздух углекислого газа. Этим важным веществом нас обеспечивают растения, в зелёных листьях которых содержатся хлоропласты. Их окружает пара мембран, поскольку внутри хлоропласта в цитоплазме содержатся ценные граны с собственными защитными оболочками. В этих стопках тилакоидов, в свою очередь, присутствует хлорофилл, отвечающий за цвет растения, но главное - делающий процесс фотосинтеза возможным.
Осуществляется он посредством соединения шести молекул углекислого газа с водой, в результате чего образуется глюкоза. Побочным продуктом реакции является жизненно необходимый кислород. Процесс возможен только на свету, при использовании солнечной энергии.
Хемосинтез
Хемосинтез протекает у микроорганизмов, также способных к самостоятельному преобразованию неорганических соединений в органические. К ним относятся:
Окисление углекислого газа происходит без участия кислорода, с использованием запасённой ранее энергии. Из диоксида углерода синтезируются органические вещества, необходимые для жизнедеятельности.
Биосинтез белков
Сложный процесс, направленный на разложение попадающих в организм белков на составляющие, из которых впоследствии синтезируются собственные уникальные белки. Состоит из двух стадий.
Транскрипция - процесс, состоящий из трёх этапов (образование транскрипта, процессинг, сплайсинг), которые происходят в ядре клетки. Они направлены на создание информационной РНК (иРНК) из ДНК. В результате новый полимер полностью копирует небольшой участок нити ДНК с той разницей, что тимину в нём эквивалентен урацил.
Трансляция - перенос информации с синтезированной на предыдущем этапе молекулы РНК на строящийся полипептид с указаниями о его будущей структуре. Процесс происходит на рибосомах, расположенных в цитоплазме клетки. Они имеют овальную форму и состоят из частей, которые могут соединяться только при наличии иРНК. Сам перенос информации осуществляется в несколько этапов.
Итак, все вещества, поступающие в живой организм, распределяются в нём так, чтобы приносить ему пользу. Сложные распадаются с выделением энергии, необходимой для дальнейшей жизнедеятельности (например, выполнение физической или умственной работы человеком), запасаемой в АТФ. А из простых веществ организм синтезирует новые соединения с использованием энергии, накопившейся в универсальном источнике - молекуле той самой АТФ. При этом энергия не расходуется безвозвратно - она запасается в новых соединениях.
Диссимиляция и ассимиляция в корне отличаются друг от друга, но при этом они неразрывно связаны. Ведь именно катаболизм даёт энергию, без которой невозможен анаболизм, то есть синтез необходимых организму веществ. Вот почему эти два процесса являются очень важными.