Биоэнергетика. Основы. Гетеротрофы

1. БИОЭНЕРГЕТИКА часть 1 Основы. Гетеротрофы.

Тема 3
БИОЭНЕРГЕТИКА
часть 1
Основы. Гетеротрофы.
М.А. Волошина CУНЦ НГУ 2008-09

2. БИОЭНЕРГЕТИКА – наука о превращениях энергии внешней среды в живых организмах

3. Второе начало термодинамики:

Откуда живые организмы берут
энергию?
Как?
И зачем?
Второе начало термодинамики:
Без притока энергии извне любая
система переходит от порядка к хаосу

4.

Изменение системы со временем
Создание порядка требует затрат энергии

5.

Откуда? → тип питания
Поддержание
внутреннего
порядка
(сложности)
жизнь
Рост и
размножение
Обмен веществ

6.

Типы питания
C
Неорганический
СО2
Органический
Автотрофы
Гетеротрофы
Продуценты в экосистемах
Консументы или редуценты

7.

Типы питания
C
Свет
Неорг.
Орг.
ФОТОавтотрофы
ФОТОгетеротрофы
ХЕМОавтотрофы
ХЕМОгетеротрофы
Е
Химические
связи
Оставьте место в каждой клеточке

8.

Типы питания
C
Неорг.
Свет
Орг.
ФОТОавтотрофы
ФОТОгетеротрофы
Растения
Цианобактерии
Часть бактерий
ХЕМОавтотрофы
ХЕМОгетеротрофы
Е
Химические
связи
Часть бактерий
Животные
Грибы
Простейшие
Большинство бактерий

9.

Классификация организмов по источнику энергии и
восстанавливающих эквивалентов
Тип организмов
Источник
энергии
Окисляемое соединение
(поставщик восстанавливающих
эквивалентов)
Примеры
Фотолитотрофы
Свет
Зелёные клетки высших
Неорганические соединения (Н2O, растений,
H2S, S)
фотосинтезирующие
бактерии
Фотоорганотрофы
Свет
Органические соединения
Хемолитотрофы
Реакции
окисления
Водородные, серные,
Неорганические соединения (Н2, S,
денитрифицирующие
H2S, NH3, Fe2+)
бактерии, железобактерии
Хемоорганотрофы
Реакции
окисления
Органические соединения
Несерные пурпурные
бактерии
Животные, большинство
микроорганизмов,
нефотосинтезирующие
клетки растений

10.

Поддержание
сложности
жизнь
Рост и размножение
Поступает энергия не в той форме, в какой
расходуется на строительство
свет
или
? АТФ
химическая
Это превращение мы и будем изучать

11.

Поддержание
сложности
жизнь
Рост и размножение
Обмен веществ =
Метаболизм – все химические реакции в организме
Энергетический обмен
Пластический обмен
Катаболизм – реакции
расщепления
макромолекул на
АТФ
простые
Анаболизм –
реакции синтеза
макромолекул из
простых

12.

Еда
Молекулы организма
Энергия
потребляется
Энергия
выделяется
Катаболические
реакции
АТФ
Анаболические
реакции
Часть
энергии
теряется
на тепло
Строительные блоки для биосинтеза

13.

Метаболические пути
малярийного
плазмодия
Зеленым выделен
энергетический обмен

14.

АТФ – универсальный источник энергии в клетке
Аденин
Три фосфата
Макроэргические связи
Рибоза

15. Как извлекается энергия из АТФ

гидролиз
АТФ
+ H2O
→
Ф + AДФ + энергия
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?

16. АТФ – не единственная молекула, способная запасать и переносить энергию

Существуют и другие молекулыпереносчики энергии
В отличие от АТФ они не универсальны
и используются только на промежуточных
этапах энергетического пути

17. 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

18.

Восстановленная форма
Окисленная форма
Никотинамид
Аденин
Витамин В5
РР, никотиновая к-та
НАД+
+ энергия
НАД٠Н

19. Гетеротрофный тип питания

20. Источник всего для гетеротрофов –

органические вещества
Энергия
N, P, S
Углерод
и все
остальные
элементы

21. Энергетический путь у гетеротрофов

Органические вещества (еда)
Е
Тепловая Е
Подготовительный этап.
Энергия НЕ запасается
ГЛЮКОЗА
Тепловая Е
Е
Клеточное дыхание.
Энергия переводится в АТФ
АТФ
Конечная Е, которая используется на все остальное

22.

Клеточное дыхание – окисление
органических веществ с целью
синтеза АТФ
Происходит только внутри клеток
Энергия выделяется во всех
реакциях катаболизма, но
запасается – только в этих!

23. 1. Подготовительный этап

Пищеварительная система
кровь
Лизосомы в клетках
2. Клеточное дыхание
Цитоплазма
Митохондрии

24. Глюкоза – центральная молекула клеточного дыхания

CH 2 OH
o
OH
o
OH
OH
OH
OH
OH
С нее начинается путь к АТФ

25. Суммарное уравнение аэробного дыхания

(СН2О)6 + 6 O2 → 6 СО2 + 6 H2O
+ энергия
Цель – запасти в АТФ !

26.

Все в тепло
горение
дыхание
часть в тепло
АТФ
АТФ
АТФ
АТФ

27. Этапы клеточного дыхания (окисления глюкозы)

1. Бескислородный
этап
ГЛЮКОЗА
2 АТФ
В цитоплазме
ПВК
2. Кислородный этап
36 АТФ
В митохондриях
• Цикл Кребса – матрикс
• Окислительное
фосфорилирование –
внутренняя мембрана МХ
СО2
38 АТФ

28. Зачем нужен кислород?

Все реакции – окислительновосстановительные
Электроны отбираются у менее
электроотрицательных атомов и групп и
передаются на более электроотрицательные
Нужен конечный акцептор – самый
электроотрицательный из всех
КИСЛОРОД!

29.

Гликолиз – бескислородный этап
Полисахариды
Глюкоза
9 реакций
гликолиз
2 ПВК
(пируват)
клетка

30.

H
C O
Гликолиз
H C OH
HO C H
H C OH
COOH
2 АТФ
2 НАД·Н
C
H C OH
CH3
CH2OH
9 реакций
D-Glucose
Глюкоза
гликолиз
2 ПВК
(пируват)
клетка
O

31. Ключевые реакции гликолиза

На первых этапах молекула глюкозы распадается на два «осколка» –
глицеральдегид 3-фосфаты
2х
2х

32. Завершающая реакция

Окончательным акцептором электронов является ПВК,
пируват (ПВК),
промежуточный метаболит гликолиза, восстанавливается до
молочной кислоты.
2х
Гликолиз функционирует во всех живых клетках. Все
ферменты локализованы в цитозоле, формируя
полиферментный комплекс.

33.

34. Что происходит в митохондрии?

35.

О2
Аэробный этап
Глюкоза
клетка
гликолиз
Митохондрия
2 ПВК

36.

Аэробный этап
ПВК
Ацетил-КоА
Цикл
Кребса
перенос
чики Е
АТФ
Митохондрия
О2

37. 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

38. 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!

39.

ацетил-КоА
НАД Н
лимонная
ЩУК
кислота
НАД
яблочная
кислота
Цикл
Кребса
фумаровая
КоА
кислота
изолимонная
кислота
НАД
НАД Н
a-кето-
глутаровая
кислота
ФАД Н2
янтарная
сукци-
кислота
нил-
ФАД
ГТФ
АДФ
НАД
НАД Н
КоА
ГДФ
АТФ
8 реакций

40.

Синтез АТФ
Субстратный
в гликолизе,
цикле Кребса
Разные ферменты
Трансмембранный
На внутренней
мембране
митохондрий
Фермент
АТФ-синтаза

41.

Можно запасти
в АТФ !
РАБОТА
ЭНЕРГИЯ

42.

H+
H+
H+
H+
H+
АДФ
АТФ
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Но сначала надо
накачать →
H+
затратить энергию!
H+

43.

АТФ-синтаза

44.

Последний шаг к АТФ – цепь переноса
электронов на внутренней мембране МХ
Цикл
Кребса
О2
e
e
НАД·Н
ФАД·Н2

45.

1. Цепь переноса электронов
2. Окислительное фосфорилирование
АТФ-синтаза
синтезирует
АТФ
Цикл
Энергия
этих электронов
Кребса
позволяет
накачивать
протоны против градиента
+
+
АТФ
e
+
+
+
+
НАД·Н
ФАД·Н2
О2
+
e
+
+

46. Электроннотранспортная цепь в митохондриях

Взаимное расположение компонентов дыхательной цепи с
указанием мест фосфорилирования и специфических
ингибиторов.

47.

Электронтранспортная цепь митохондрий

48. Электронтранспортная цепь митохондрий

Но ведь с едой мы получаем
не только углеводы!

49. 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

50.

В одном грамме
калорий
углеводов
4
белков
4
жиров
9

51.

Жиры
Глицери
н
Жирны
е
кислот
ы
Углеводы
Белки
Сахара
Ацетил-Ко
А
АТФ
Аминокислоты

52.

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

53. АТФ в цифрах

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

54. 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
Кислород – яд
Только бактерии
(часть)
Факультативные
Выносят кислород,
но не используют
Часть бактерий,
Простейшие без митохондрий

55. Анаэробное дыхание

Анаэробы идут другим путем
Точка развилки –
ПВК
Что надо?
Вернуть кофермент НАД·Н в НАД+
(его мало, а без него не идет гликолиз)
Куда-то деть ПВК

56. Анаэробы идут другим путем

Есть О2? Или нет?
http://caricatura.ru/parad/maslov/pic/5016.jpg

57.

Брожение – анаэробное дыхание
ГЛЮКОЗА
2 АТФ
ГЛИКОЛИЗ
ПВК
БРОЖЕНИЕ
Молочная кислота
молочнокислое
Животные, бактерии
Если мало кислорода
или организм –
принципиальный
анаэроб
Этиловый спирт
спиртовое
Растения, винные
дрожжи

58. Брожение – анаэробное дыхание

Брожение
COOH
COOH
C Н OH
C
CH3
COOH
CH3
O
молочная к-та
C H OH
ПВК
CH3
этиловый спирт

59.

Смысл брожения – вернуть НАД+
гликолиз
ПВК
глюкоза
НАД+
этанол
НАД·Н
брожение
Акцептор
электронов
от НАД·Н

60.

Брожение – расточительный процесс
Высокоэнергетические электроны НАД٠Н
отдаются ПВК (акцептор электронов)
Молочная кислота и спирт для клетки
бесполезны
Аэробные бактерии – предки митохондрий
нашли другой акцептор для электронов НАД٠Н –
кислород
Так появился эффективный путь кислородного
дыхания.