Энергетический обмен и катаболизм на ЕГЭ по биологии

Энергетический обмен и катаболизм: этапы, схема, гликолиз, цикл Кребса | ЕГЭ по биологии

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — это совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии и запасанием её в форме АТФ . У аэробных организмов выделяют три этапа: подготовительный, бескислородный (гликолиз) и кислородный . Суммарный энергетический эффект полного окисления одной молекулы глюкозы — 38 молекул АТФ .

I. Основные понятия

Энергетический обмен — часть процесса обмена веществ (метаболизма), включающая распад сложных веществ до простых, окисление веществ и превращение органических соединений в неорганические .

Катаболизм (от греч. «разрушение») — синоним энергетического обмена и диссимиляции .

Диссимиляция — совокупность реакций распада, сопровождающихся выделением и запасанием энергии .

Клеточное дыхание — окисление субстрата, приводящее к получению химической энергии (АТФ). Субстратами служат углеводы, жиры, белки. Большинство клеток использует в первую очередь углеводы. Жиры — «первый резерв», пускаются в дело при исчерпании углеводов. Белки используются лишь при длительном голодании .

АТФ — универсальный источник энергообеспечения клетки. Синтез АТФ происходит путём фосфорилирования — присоединения неорганического фосфата к АДФ .

II. Типы организмов по отношению к кислороду

Аэробы — используют кислород для дыхания и обмена веществ. К ним относятся большинство животных, растения, грибы .

Анаэробы — живут в бескислородной среде. Это бактерии (кроме фотосинтезирующих), некоторые микроорганизмы, паразитические животные .

У аэробов — 3 этапа энергетического обмена: подготовительный, бескислородный, кислородный .

У анаэробов — 2 этапа: подготовительный и бескислородный .

III. Три этапа энергетического обмена (для аэробов)

Этап 1. Подготовительный

Место: пищеварительная система у многоклеточных, лизосомы у одноклеточных .

Суть: ферментативное расщепление полимеров до мономеров :

полисахариды → глюкоза
белки → аминокислоты
жиры → глицерин и жирные кислоты
нуклеиновые кислоты → нуклеотиды

Энергетический эффект: вся энергия рассеивается в виде тепла. АТФ не образуется .

Ключевой момент: мономеры всасываются в кровь и доставляются к клеткам .

Этап 2. Бескислородный (гликолиз, анаэробное дыхание)

Место: цитоплазма клетки .

Суть: дальнейшее расщепление глюкозы без участия кислорода. Главный источник энергии в клетке — глюкоза .

Уравнение гликолиза:

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ → 2С₃Н₆О₃ + 2АТФ + 2Н₂О

Продукты: 2 молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), 2 молекулы АТФ .

Судьба ПВК зависит от наличия кислорода:

При недостатке кислорода (у животных и некоторых бактерий) — молочнокислое брожение: ПВК + НАД·Н₂ → молочная кислота + НАД⁺ .
У дрожжей и растений — спиртовое брожение: ПВК → СО₂ + уксусный альдегид → этиловый спирт .
При достатке кислорода — ПВК поступает в митохондрии для третьего этапа.

Энергетический эффект: 2 молекулы АТФ (чистый выход) .

Важно для ЕГЭ: гликолиз происходит в анаэробных условиях, образуется молочная кислотаи ПВК .

Этап 3. Кислородный (аэробное дыхание, полное окисление)

Место: митохондрии .

Условия: наличие ферментов, молекул-переносчиков электронов и Н, АДФ, Ф, неповреждённые мембраны митохондрий .

Три подэтапа:

а) Окислительное декарбоксилирование ПВК — образуются ацетил-КоА, НАДН и СО₂ .

б) Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты) — в матриксемитохондрий образуются АТФ, НАДН, ФАДН, СО₂ .

в) Окислительное фосфорилирование — перенос электронов от НАДН и ФАДН по цепи транспорта электронов, встроенной в кристы, на акцептор О₂. В цепи есть три участка фосфорилирования, где образуется 34 АТФ .

Энергетический эффект третьего этапа: 36 молекул АТФ .

Суммарное уравнение полного окисления глюкозы:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 38Н₃РО₄ + 38АДФ → 6СО₂ + 6Н₂О + 38АТФ

IV. Сводка по этапам энергетического обмена

Подготовительный этап — место: пищеварительная система / лизосомы. Что происходит: полимеры → мономеры. Энергия: рассеивается в виде тепла. АТФ: 0.

Бескислородный этап (гликолиз) — место: цитоплазма. Что происходит: глюкоза → 2 ПВК. Энергия: 2 АТФ .

Кислородный этап — место: митохондрии. Что происходит: ПВК → СО₂ + Н₂О. Энергия: 36 АТФ .

Итого: 38 АТФ при полном окислении одной молекулы глюкозы .

V. Сравнение этапов: ключевые различия для ЕГЭ

Гликолиз vs Кислородное окисление :

Гликолиз: происходит в анаэробных условиях, в цитоплазме, образуется молочная кислотаи ПВК, синтезируется 2 АТФ.
Кислородное окисление: происходит в митохондриях, синтезируется 36 АТФ, полное окисление до СО₂ и Н₂О.

VI. Решение задач на энергетический обмен

Правило: чтобы решить задачу, нужно выучить этапы, уравнения реакций и чётко называть соотношения количеств веществ .

Задача 1. Гликолизу подверглось 2 молекулы глюкозы, окислению — только 1. Сколько АТФ и СО₂ образовалось?

Решение: При гликолизе 1 глюкозы → 2 АТФ. Для 2 глюкоз: 2 × 2 = 4 АТФ. При окислении 1 глюкозы → 36 АТФ + 6 СО₂. Итого: 4 + 36 = 40 АТФ; 6 СО₂ .

Задача 2. Расщепилось 7 моль глюкозы, полному окислению подверглось 2. Сколько молочной кислоты, СО₂ и АТФ?

Решение: 5 глюкоз → гликолиз: 5 × 2 = 10 молочной кислоты, 10 АТФ. 2 глюкозы → полное окисление: 2 × 6 = 12 СО₂, 2 × 38 = 76 АТФ. Итого: 10 моль молочной кислоты, 12 моль СО₂, 86 АТФ .

VII. Частые заблуждения

«Где происходит гликолиз?» — В цитоплазме, не в митохондриях .

«Сколько АТФ даёт гликолиз?» — 2 АТФ (чистый выход) .

«Сколько АТФ даёт кислородный этап?» — 36 АТФ .

«Что образуется при недостатке кислорода в мышцах?» — Молочная кислота(молочнокислое брожение) .

«Рассеивается ли энергия на подготовительном этапе?» — Да, вся энергия рассеивается в виде тепла, АТФ не образуется .

«Сколько СО₂ образуется при полном окислении 1 глюкозы?» — 6 молекул СО₂

Телеграм канал bioved

Годовой курс (клик)