Естествознание. Базовый уровень. 11 класс
Шрифт:
АТФ -> АДФ + HPO– 4 + энергия,
где АДФ – аденозиндифосфорная кислота. В некоторых случаях, когда требуется особенно много энергии, могут отщепляться сразу две молекулы фосфорной кислоты.
Для поддержания жизнедеятельности энергия клетке требуется постоянно, а запасы АТФ относительно невелики. Поэтому их требуется непрерывно пополнять. Это происходит путём образования АТФ из АДФ и остатка фосфорной кислоты. Такой процесс называют фосфорилированием:
АДФ + HPO– 4– > АТФ.
Рис. 59.
Но, как вы помните, существует закон сохранения энергии, поэтому, если во время протекания первой реакции энергия выделяется, то, для того чтобы осуществить вторую реакцию, энергию надо затратить.
Энергию, необходимую для синтеза АТФ, организм получает, расщепляя крупные органические молекулы на более мелкие. В идеальном случае в результате такого распада получаются вода и углекислый газ. Совокупность таких реакций называют энергетическим обменом или диссимиляцией [10] (рис. 59). В результате разрыва химических связей и образуется энергия, которую организм запасает в молекулах АТФ. В принципе источником энергии могут служить многие органические вещества, но мы рассмотрим процесс выделения энергии на примере моносахарида глюкозы, как одного из главных поставщиков энергии.
10
Совокупность процессов называют метаболизмом или обменом веществ.
Химическая формула глюкозы – C6H12O6. Человек потребляет глюкозу чаще всего в виде её полимеров – крахмала, который содержится в растительной пище, или гликогена, который входит в состав продуктов животного происхождения.
Первый, подготовительный этап энергетического обмена происходит в кишечнике. Там эти полисахариды расщепляются до мономеров – молекул глюкозы. Затем глюкоза с током крови поступает ко всем клеткам организма.
Следующий этап энергетического обмена (гликолиз) протекает прямо в цитоплазме и не требует кислорода. В результате гликолиза молекула глюкозы распадается пополам, образуя две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), формула которой C3H4O3. Поэтому реакция выглядит так:
C6H12O6– > 2C3H4O3 + 4H.
Энергии при этом выделяется совсем немного: её хватает на образование всего двух молекул АТФ. Если в клетке не хватает кислорода, то образуется молочная кислота (C3H6O3). Накопление молочной кислоты вызывает болевые ощущения, которые возникают, например, у нетренированных людей после очень интенсивной мышечной нагрузки. Кроме того, молочная кислота может стимулировать дыхательный центр головного мозга, что усиливает поступление кислорода в организм.
Если же в клетке кислорода достаточно, то осуществляется третий этап энергетического обмена – клеточное дыхание. Процессы клеточного дыхания требуют обязательного присутствия кислорода и происходят в митохондриях. В результате глюкоза полностью распадается, образуя воду и углекислый газ, и при этом образуется 36 молекул АТФ. Таким образом, реакция полного окисления молекулы глюкозы выглядит так:
C6H12O6 + 6O2 + 38АДФ + 38H3PO4– > 6CO2 + 44H2O + 38АТФ.
Или
C6H12O6 + 6O2– > 6CO2 + 6H2O.
Кстати, один из сильнейших ядов – цианистый калий нарушает работу одного из ферментов клеточного дыхания. В результате все клетки организма теряют способность усваивать кислород, что и приводит к быстрой гибели организма.
1. Сравните процессы пластического и энергетического обменов. Как вы думаете, почему их иногда называют двумя сторонами одной медали?
2. Какой процесс называют фосфорилированием? В чём он заключается?
3. В каких случаях в клетке образуется молочная кислота?
4. Где происходит заключительный кислородный этап клеточного дыхания?
1. Объясните, почему болевые ощущения в мышцах после большой физической нагрузки у спортсменов возникают гораздо реже, чем у нетренированных людей.
2. Для снятия мышечной боли после интенсивных занятий спортом обычно рекомендуют принять тёплую ванну. Как вы считаете, почему?
§ 23 Автотрофное питание
В конце XVIII в. английский учёный Джозеф Пристли сообщил, что он «случайно обнаружил метод исправления воздуха, который был испорчен горением свечей». 17 августа 1771 г. Пристли «…поместил живую веточку мяты в закрытый сосуд, в котором горела восковая свеча», а 21-го числа того же месяца обнаружил, что «…другая свеча снова могла гореть в этом же сосуде». «Исправляющим началом, которым для этих целей пользуется природа, – полагал Пристли, – было растение». Он расширил свои наблюдения и скоро показал, что воздух, «исправляемый» растением, не был «совсем не подходящим для мыши».
Итак, мы знаем, что в процессе диссимиляции происходит распад глюкозы и освобождающаяся при этом энергия запасается в молекулах АТФ. Естественно, для того чтобы запустить этот процесс, требуется наличие глюкозы. Гетеротрофные организмы получают эту глюкозу с пищей. А где берут её автотрофные организмы, которые не питаются органическими веществами? Им приходится её синтезировать самостоятельно, используя воду и углекислый газ. Однако для того, чтобы что-то синтезировать, нужна энергия. Большинство автотрофных организмов используют энергию солнечного света. Процесс использования солнечной энергии для синтеза органических веществ (в первую очередь глюкозы) называют фотосинтезом.
Фотосинтез происходит с помощью зелёного пигмента хлорофилла, который находится во внутренней мембране хлоропластов растений – в мембране тилакоидов. Вспомните материал из учебника 10 класса, где говорилось о свойствах света. Выясним, почему хлорофилл зелёный. Очевидно, потому, что он отражает световые лучи зелёной области видимой части спектра, а остальные лучи, например красные и синие, – поглощает. Следовательно, для фотосинтеза зелёный свет не требуется, и если вы будете освещать растение зелёным светом, даже очень ярким, в конце концов оно погибнет. Хлорофилл поглощает свет и использует его энергию для фотосинтеза (рис. 60). Вспомним, что происходит с молекулой, когда она захватывает квант электромагнитного излучения, в нашем случае света. Поглощение энергии приводит к тому, что часть электронов молекулы или атома перемещается на более высокие орбитали. При этом некоторые электроны могут оказаться так далеко от своего ядра, что потеряют с ним связь и покинут молекулу. Именно так и происходит в молекуле хлорофилла. Фотон «выбивает» из неё электроны, которые захватываются специальными переносчиками. Естественно, что при этом молекула хлорофилла теряет некоторую энергию, которая может быть использована для образования нескольких молекул АТФ.