Основы. Гетеротрофы. Изменение системы со временем. Второе начало термодинамики. Поддержание внутреннего порядка (сложности)

Тема 3

БИОЭНЕРГЕТИКА часть 1 Основы. Гетеротрофы.

CУНЦ НГУ 2008-09

БИОЭНЕРГЕТИКА – наука о превращениях энергии внешней среды в живых организмах

Откуда живые организмы берут энергию?

Как? И зачем?

Второе начало термодинамики:

• Без притока энергии извне любая система переходит от порядка к хаосу

Изменение системы со временем

Создание порядка требует затрат энергии

Откуда? → тип питания

Поддержание внутреннего порядка (сложности)

Энергия

жизнь

Вещество

Рост и размножение

Обмен веществ

Типы питания

Неорганический СО2

Органический

Автотрофы

Гетеротрофы

Продуценты в экосистемах

Консументы или редуценты

Типы питания

ФОТОавто-трофы

ФОТОгетеро-трофы

ХЕМОавто-трофы

ХЕМОгетеро-трофы

Оставьте место в каждой клеточке

Типы питания

ФОТОавтотрофы

ФОТОгетеротрофы

Растения Цианобактерии

Часть бактерий

ХЕМОавтотрофы

ХЕМОгетеротрофы

Животные Грибы Простейшие Большинство бактерий

Часть бактерий

Поступает энергия не в той форме, в какой расходуется на строительство

свет или химическая

?

АТФ

Это превращение мы и будем изучать

Обмен веществ =

Метаболизм – все химические реакции в организме

Энергетический обмен Катаболизм – реакции расщепления макромолекул на простые

Метаболические пути малярийного плазмодия

Зеленым выделен энергетический обмен

АТФ – универсальный источник энергии в клетке

Макроэргические связи

Как извлекается энергия из АТФ

гидролиз

7.3 ккал ⁄ моль

1 ккал = 4.3 кДж

Обратная реакция – синтез АТФ, фосфорилирование – идет с затратой энергии

AДФ + Ф + E → АТФ

Откуда ее взять?

АТФ – не единственная молекула, способная запасать и переносить энергию

• Существуют и другие молекулы-переносчики энергии
• В отличие от АТФ они не универсальныи используются только на промежуточных этапах энергетического пути

Молекулы-переносчики энергии

НАД٠Н

НАДФ٠Н

ФАД٠Н2

По химической природе – динуклеотиды Предшественники – витамины

Этих молекул в клетке мало, но без них не будут работать ферменты основных энергетических путей

Восстановленная форма

Окисленная форма

Никотинамид

Аденин

Витамин В5 РР, никотиновая к-та

+ энергия

Гетеротрофный тип питания

Источник всего для гетеротрофов – органические вещества

Энергия

N, P, S и все остальные элементы

Углерод

Энергетический путь у гетеротрофов

Органические вещества (еда)

Подготовительный этап. Энергия НЕ запасается

Е

Тепловая Е

Г Л Ю К О З А

Клеточное дыхание. Энергия перево-дится в АТФ

Е

Тепловая Е

А Т Ф

Конечная Е, которая используется на все остальное

• Клеточное дыхание – окисление органических веществ с целью синтеза АТФ
• Происходит только внутри клеток

Энергия выделяется во всех реакциях катаболизма, но запасается – только в этих!

1. Подготовительный этап

Пищеварительная система Лизосомы в клетках кровь

2. Клеточное дыхание

Цитоплазма Митохондрии

Глюкоза – центральная молекула клеточного дыхания



С нее начинается путь к АТФ

Суммарное уравнение аэробного дыхания

(СН2О)6 + 6 O2 → 6 СО2 + 6 H2O

+ энергия

Цель – запасти в АТФ !

горение

Все в тепло

дыхание

часть в тепло

АТФ

АТФ

АТФ

АТФ

Этапы клеточного дыхания (окисления глюкозы)

Г Л Ю К О З А

1. Бескислородный этап В цитоплазме

2 АТФ

П В К

2. Кислородный этап В митохондриях

36 АТФ

СО2

• Цикл Кребса – матрикс
• Окислительное фосфорилирование –
• внутренняя мембрана МХ

38 АТФ

Зачем нужен кислород?

• Все реакции – окислительно-восстановительные
• Электроны отбираются у менее электроотрицательных атомов и групп и передаются на более электроотрицательные
• Нужен конечный акцептор – самый электроотрицательный из всех

К И С Л О Р О Д !

Гликолиз – бескислородный этап

Полисахариды

Глюкоза

9 реакций

гликолиз

2 ПВК

(пируват)

к л е т к а

Гликолиз

2 АТФ

2 НАД·Н

9 реакций

гликолиз

Глюкоза

2 ПВК

(пируват)

к л е т к а

Что происходит в митохондрии?

О2

Аэробный этап

Глюкоза к л е т к а

гликолиз

2 ПВК

Митохон-дрия

О2

Аэробный этап

ПВК

Ацетил-КоА

Цикл Кребса

переносчики Е

АТФ

Митохондрия

Ганс Адольф Кребс

• В 1937 г, изучая промежуточные стадии обмена углеводов, Кребс сделал важнейшее открытие в биохимии.
• Он описал цикл лимонной кислоты, или цикл трикарбоновых кислот, который в настоящее время называется циклом Кребса.
• Нобелевская премия по физиологии и медицине – 1953

В цикле Кребса ВСЕ АТОМЫ УГЛЕРОДА, оставшиеся от глюкозы, окисляются до СО2

Но основная масса АТФ еще не образовалась!

И кислород еще в реакции не вступал!

ацетил-КоА

НАД Н

лимонная кислота

ЩУК

НАД

яблоч- ная кислота

изо- лимонная кислота

Цикл Кребса

НАД

НАД Н

фумаро- вая кислота

a-кето- глута- ровая кислота

КоА

янтарная кислота

НАД

ФАД Н2

сукци- нил- КоА

НАД Н

ФАД

ГТФ

ГДФ

АТФ

8 реакций

АДФ

Синтез АТФ

Субстратный

Трансмембранный

в гликолизе, цикле Кребса

На внутренней мембране митохондрий

Разные ферменты

Фермент АТФ-синтаза

Можно запасти в АТФ !

РАБОТА ЭНЕРГИЯ

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

АТФ-синтаза

Последний шаг к АТФ – цепь переноса электронов на внутренней мембране МХ

НАД·Н ФАД·Н2

Цикл Кребса

О2

1. Цепь переноса электронов 2. Окислительное фосфорилирование

АТФ-синтаза синтезирует АТФ

Энергия этих электронов позволяет накачивать протоны против градиента

Цикл Кребса

АТФ

НАД·Н ФАД·Н2

О2

Но ведь с едой мы получаем не только углеводы!

• Углеводы – «быстрый» источник энергии
• Жиры – идут в дело, если не хватает углеводов. Иначе – запасаются
• Белки – важнее, как источник аминокислот. «Сжигаются» в последнюю очередь
• Избыток углеводов переводится в жиры через цикл Кребса

Жиры

Белки

Углеводы

Глицерин

Сахара

Амино-кислоты

Жирные кислоты

Ацетил-Ко А

АТФ

АТФ в цифрах

• Время жизни – несколько секунд
• Человек затрачивает ~ 2 300 ккал энергии в сутки.
• Для этого надо расщепить 166 кг АТФ
• На самом деле в организме содержится только ~ 50 г АТФ
• Поэтому каждая молекула АТФ должна вновь синтезироваться 166 кг : 50 г ≈ 3320 раз в сутки.

АТФ → АДФ → АТФ

Макеев Основы биологии

Как добывали энергию в древние времена, когда на Земле не было кислорода?

Анаэробное дыхание

• Самый древний путь получения энергии
• Сохранился у всех – и у аэробных тоже

Анаэробы

Строгие

Факультативные

Выносят кислород, но не используют

Кислород – яд

Только бактерии (часть)

Часть бактерий, Простейшие без митохондрий

Анаэробы идут другим путем

ПВК

Точка развилки –

• Что надо?
• Вернуть кофермент НАД·Н в НАД+
• (его мало, а без него не идет гликолиз)
• Куда-то деть ПВК

Есть О2? Или нет?

Пируват

http://caricatura.ru/parad/maslov/pic/5016.jpg

Брожение – анаэробное дыхание

Г Л Ю К О З А

2 АТФ

ГЛИКОЛИЗ

П В К

Если мало кислорода или организм – принципиальный анаэроб

БРОЖЕНИЕ

Молочная кислота

Этиловый спирт

молочнокислое

спиртовое

Растения, винные дрожжи

Животные, бактерии

Брожение

молочная к-та

ПВК

этиловый спирт

Смысл брожения – вернуть НАД+

ПВК

глюкоза

гликолиз

НАД+

НАД·Н

этанол

брожение

• Брожение – расточительный процесс
• Высокоэнергетические электроны НАД٠Н отдаются ПВК (акцептор электронов)
• Молочная кислота и спирт для клетки бесполезны

Аэробные бактерии – предки митохондрий нашли другой акцептор