Энергетический обмен
Энергетический обмен — часть обмена веществ, при которой органические вещества расщепляются, а содержащаяся в них энергия высвобождается и используется клетками. Основной переносчик этой энергии — молекулы АТФ.
Что такое энергетический обмен
Клетки постоянно нуждаются в энергии: для движения, роста, деления, передачи нервных импульсов, активного транспорта веществ через мембрану и синтеза новых соединений. Источником энергии служат органические вещества пищи — прежде всего углеводы, а также жиры и белки.
Энергетический обмен — совокупность реакций расщепления органических веществ в клетках, сопровождающихся высвобождением энергии и её запасанием в молекулах АТФ.
Энергия не передаётся клетке одним большим «порцией». При расщеплении веществ она выделяется постепенно. Часть энергии запасается в АТФ, а часть рассеивается в виде тепла. Тепло поддерживает температуру тела, но не может полностью заменить АТФ для выполнения клеточной работы.
Чем полнее окисление органического вещества, тем больше энергии может высвободиться. При недостатке кислорода расщепление обычно идёт не до конца, поэтому выход энергии меньше.
АТФ — универсальный переносчик энергии
АТФ состоит из азотистого основания, сахара рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты. Связь с последним фосфатом может разрываться с выделением энергии. При этом АТФ превращается в АДФ и фосфат.
Высвободившаяся энергия используется непосредственно в клетке: например, для сокращения мышечных волокон или переноса ионов против их концентрационного градиента. Затем АДФ снова соединяется с фосфатом, и АТФ восстанавливается. Поэтому АТФ не является долговременным запасом энергии: это быстро расходуемый и быстро возобновляемый переносчик.
АТФ называют «энергетической валютой» клетки. Питательные вещества — источник энергии, АТФ — её удобная форма передачи, а работа клеточных структур — потребитель энергии.
Клеточное дыхание и этапы расщепления глюкозы
Наиболее важный путь получения энергии описывает клеточное дыхание. При аэробном дыхании органическое вещество полностью окисляется с участием кислорода. Для глюкозы суммарное уравнение выглядит так:
Обычно выделяют три взаимосвязанных этапа. Подготовительный этап происходит в пищеварительной системе и клетках: крупные молекулы расщепляются до более простых. Энергия в основном рассеивается как тепло. Гликолиз проходит в цитоплазме: одна молекула глюкозы превращается в две молекулы пировиноградной кислоты, образуется небольшое количество АТФ. Последующие реакции при наличии кислорода идут в митохондриях; образуются углекислый газ, вода и основная часть АТФ.
В школьных задачах часто используют приближённое значение: при полном окислении одной молекулы глюкозы образуется около 36–38 молекул АТФ. Число зависит от способа подсчёта, поэтому в конкретной задаче нужно пользоваться данными условия.
| Условия | Конечные продукты | Выход энергии |
|---|---|---|
| Аэробные, есть кислород | Углекислый газ и вода | Большой |
| Анаэробные, кислорода не хватает | Молочная кислота у адам | Малый |
При интенсивной работе мышц кислорода может временно не хватать. Тогда часть энергии получается анаэробно, а в мышцах накапливается молочная кислота. После нагрузки организму требуется дополнительный кислород для её дальнейшего превращения и восстановления равновесия.
Почему при полном окислении глюкозы энергии выделяется больше, чем при её неполном расщеплении?
Энергия питательных веществ
Количество энергии, которое организм получает при расщеплении пищи, связано с её калорийностью. В школьных расчётах используют энергетическую ценность: примерно 17 кДж выделяется при расщеплении 1 г белков или углеводов и примерно 38–39 кДж — при расщеплении 1 г жиров.
Здесь \(E\) — количество энергии, \(m\) — масса вещества, \(q\) — его удельная энергетическая ценность. Если в продукте содержатся разные питательные вещества, энергию от каждого компонента считают отдельно, а затем складывают.
В рационе есть 60 г углеводов и 20 г жиров. Сколько энергии они могут дать, если 1 г углеводов даёт 17 кДж, а 1 г жира — 38 кДж?
Выписывайте массу каждого питательного вещества отдельно, не смешивайте граммы и килоджоули, а в конце указывайте единицу измерения результата.
На что расходуется энергия организма
Энергия расходуется на основной обмен, физическую активность, поддержание температуры тела, рост и восстановление тканей, работу нервной системы и внутренних органов. Даже во сне организм тратит энергию: сердце сокращается, дыхание продолжается, клетки поддерживают постоянство внутренней среды.
Связь между поступлением энергии с пищей и её расходованием рассматривает энергетический баланс. Если энергии поступает примерно столько же, сколько расходуется, масса тела обычно сохраняется. При длительном избытке энергии она запасается главным образом в виде жира; при недостатке организм использует запасы.
Энергетический обмен связан с пластическим обменом. Для построения клеточных структур нужны вещества и энергия. Поэтому энергетический и пластический обмен разделяют для изучения, но в живом организме они постоянно взаимодействуют.
Не путайте энергию пищи с количеством АТФ: пища содержит химическую энергию, а АТФ переносит её небольшими порциями. Не утверждайте, что вся энергия превращается в АТФ: часть рассеивается в виде тепла. Также нельзя считать, что анаэробное расщепление даёт столько же энергии, сколько аэробное.
Как читать тапсырмалар об энергетическом обмене
- Определите, о каком веществе говорится: глюкозе, жире, белке или АТФ.
- Проверьте условия: есть ли кислород и происходит ли полное окисление.
- Выберите нужную формулу или уравнение реакции.
- Согласуйте единицы измерения и округление с условием.
- Сформулируйте биологический вывод: где выделяется энергия и на что она используется.
Быстрая проверка
Главное
- Энергетический обмен — расщепление органических веществ с высвобождением энергии.
- АТФ — кратковременный переносчик энергии между реакциями обмена и клеточной работой.
- При наличии кислорода глюкоза окисляется полнее, поэтому энергии образуется больше.
- Энергетическую ценность рассчитывают по формуле \(E=m\cdot q\).
- Поступление и расходование энергии образуют энергетический баланс организма.