ГДЗ: Параграф §21 / Биология 10 класс

В желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) происходит гидролитическое расщепление (с участием воды и ферментов) сложных органических соединений до более простых, способных всасываться в кровь и лимфу. Это:

• Белки расщепляются до аминокислот.
• Полисахариды (углеводы) расщепляются до моносахаридов (глюкозы).
• Жиры расщепляются до глицерина и высших жирных кислот.

Реакции подготовительного этапа происходят в лизосомах клетки, где гидролитические ферменты расщепляют высокомолекулярные вещества до мономеров (аминокислот, глицерина, жирных кислот, глюкозы).

Энергия, высвобождающаяся на подготовительном этапе, полностью рассеивается в окружающую среду в виде тепла (Q) и не запасается в молекулах АТФ. Она лишь согревает организм.

Расщепление — это гидролиз органических веществ до низкомолекулярных соединений (мономеров): аминокислот, глюкозы, глицерина и жирных кислот. Эти мономеры всасываются в кровь и лимфу и разносятся к клеткам и тканям организма.

Транспорт этих веществ через клеточную мембрану осуществляется при помощи различных механизмов, включая:

• Пассивный транспорт (например, диффузия, облегченная диффузия) для некоторых небольших молекул.
• Активный транспорт, требующий затрат энергии АТФ, для переноса многих веществ против градиента концентрации.

Оба типа брожения — молочнокислое и спиртовое — являются формами анаэробного (бескислородного) расщепления глюкозы. Энергетический выход в обоих случаях одинаков и составляет 2 молекулы АТФ на молекулу глюкозы.

• Молочнокислое брожение (в мышцах): КПД \(\approx 29,14\% \).
• Спиртовое брожение: КПД \(\approx 29,14\% \).

Энергетическая эффективность этих процессов очень низка по сравнению с кислородным дыханием.

Последовательность превращения пировиноградной кислоты (ПВК) в процессе биологического окисления (в митохондриях):

1. ПВК превращается в активированную уксусную кислоту (ацетил-КоА).
2. Ацетил-КоА вступает в цикл Кребса (циклические реакции).

Углекислый газ (\( CO_{2} \)) образуется в результате декарбоксилирования (удаления карбоксильной группы) на двух этапах:

• При превращении ПВК в ацетил-КоА (выделяется одна молекула \( CO_{2} \)).
• В ходе цикла Кребса (выделяется две молекулы \( CO_{2} \)).

Таким образом, одна молекула ПВК полностью окисляется с образованием трех молекул \( CO_{2} \).

• Анаэробный этап (гликолиз): Происходит в цитоплазме клетки.
• Аэробный этап (биологическое окисление, цикл Кребса и окислительное фосфорилирование): Происходит в митохондриях (цикл Кребса в матриксе, окислительное фосфорилирование на внутренней мембране).

Кислород используется на кислородном этапе энергетического обмена, а именно в процессе окислительного фосфорилирования, которое происходит на внутренней мембране митохондрий.

Он выступает в роли конечного акцептора электронов в дыхательной цепи. Молекулы воды (\( H_{2}O \)) образуются, когда кислород, принявший электроны, соединяется с ионами водорода:

\( O_{2}^{-} + 2H^{+} \rightarrow H_{2}O \)

Энергия, выделяемая в результате циклических реакций (цикла Кребса), сразу запасается в небольшом количестве АТФ путем субстратного фосфорилирования (2 молекулы АТФ на глюкозу) и, главным образом, запасается в форме восстановленных переносчиков (\( НАД \cdot 2H \) и \( ФАД \cdot 2H \)).

Энергия из дыхательной цепи (окислительное фосфорилирование) запасается в виде 34 молекул АТФ.

Разница:

• В цикле Кребса АТФ синтезируется напрямую (субстратное фосфорилирование) — 2 АТФ.
• В дыхательной цепи АТФ синтезируется с участием ферментов и разности концентраций протонов (окислительное фосфорилирование) — 34 АТФ. Этот механизм, использующий энергию окисления большого числа переносчиков, является гораздо более эффективным и обеспечивает подавляющую часть энергии в процессе биологического окисления.

Энергия, освобождаемая при движении электронов по дыхательной цепи, используется для перекачивания протонов (\( H^{+} \)) из матрикса в межмембранное пространство митохондрий. Это создает электрохимический градиент, который, в свою очередь, обеспечивает работу фермента АТФ-синтетазы для синтеза АТФ.

Процесс сопряжения синтеза АТФ с окислением водорода называется окислительное фосфорилирование.

С большей скоростью идет окислительное фосфорилирование, поскольку оно синтезирует 34 молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы, в то время как циклические реакции (цикл Кребса) — всего 2 молекулы АТФ. Высокая скорость и эффективность обусловлены тем, что окислительное фосфорилирование использует энергию, накопленную всеми восстановленными переносчиками, образованными на предыдущих этапах аэробного дыхания.

АТФ синтезируется и в митохондриях, и в хлоропластах.

Сходства в синтезе АТФ (Хемиосмотический механизм):

• В обоих органоидах используется хемиосмотический механизм (открытый П. Митчеллом).
• Синтез АТФ осуществляется ферментом АТФ-синтетазой, встроенным в мембрану.
• Необходим протонный градиент (\( H^{+} \)), который создается за счет энергии, выделяемой при переносе электронов по электрон-транспортной цепи.

Различия:

• Источник энергии: В митохондриях — энергия, выделяемая при окислении органических веществ (окислительное фосфорилирование). В хлоропластах — энергия света (фотофосфорилирование).
• Перенос электронов: В митохондриях электроны поступают от восстановленных органических веществ (\( НАД \cdot 2H \), \( ФАД \cdot 2H \)). В хлоропластах электроны поступают от молекул воды (\( H_{2}O \)), которая расщепляется под действием света.
• Место протекания: В митохондриях — на внутренней мембране (кристах). В хлоропластах — на мембранах тилакоидов (гран).

Сравнение:

• Аэробное окисление (кислородное дыхание): Выход 38 молекул АТФ на молекулу глюкозы. КПД \(\approx 40,37\% \).
• Анаэробное окисление (брожение): Выход 2 молекулы АТФ на молекулу глюкозы. КПД \(\approx 29,14\% \).

Объяснение:

Эффективность аэробного пути в 19 раз выше, поскольку он включает полное окисление глюкозы до \( CO_{2} \) и \( H_{2}O \). При этом используется высокоэффективный механизм окислительного фосфорилирования на внутренней мембране митохондрий, который позволяет запасти большую часть энергии, содержащейся в глюкозе, в молекулах АТФ. Анаэробный путь является лишь частичным расщеплением (до молочной кислоты или этанола), и большая часть потенциальной энергии остается в конечных продуктах.

Общее уравнение аэробного окисления: \( C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2} \rightarrow 6CO_{2} + 6H_{2}O + 38АТФ + Q \)

Синтез 38 молекул АТФ складывается из следующих ключевых событий:

• Гликолиз (в цитоплазме): Расщепление глюкозы до ПВК, чистый выход 2 АТФ.
• Цикл Кребса (в матриксе митохондрий): Полное окисление двух молекул ПВК до \( CO_{2} \), выход 2 АТФ (субстратное фосфорилирование).
• Окислительное фосфорилирование (на внутренней мембране митохондрий): Синтез АТФ за счет энергии, высвобождаемой в дыхательной цепи. Синтезируется 34 АТФ.

Таким образом: \( 2АТФ (гликолиз) + 2АТФ (цикл\ Кребса) + 34АТФ (окислительное\ фосфорилирование) = 38АТФ \).

• Диссимиляция (энергетический обмен): Совокупность реакций распада органических веществ, сопровождающихся высвобождением энергии и запасанием ее в АТФ.
• Гликолиз: Бескислородный этап расщепления глюкозы (\( C_{6}H_{12}O_{6} \)) до двух молекул пировиноградной кислоты (ПВК, \( C_{3}H_{4}O_{3} \)) в цитоплазме.
• Брожение: Процесс анаэробного превращения ПВК (например, в молочную кислоту или этанол), протекающий в бескислородных условиях.
• Биологическое окисление: Кислородный этап энергетического обмена, протекающий в митохондриях, приводящий к полному расщеплению органических веществ до \( CO_{2} \) и \( H_{2}O \).
• Цикл Кребса (циклические реакции): Серия циклических реакций в матриксе митохондрий, в которых ацетил-КоА (продукт ПВК) полностью окисляется до \( CO_{2} \), с образованием АТФ и восстановленных переносчиков.
• Окислительное фосфорилирование: Процесс синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата, сопряженный с переносом электронов по дыхательной цепи, где конечным акцептором является кислород. Происходит на внутренней мембране митохондрий.