Енергиен обмен - какво е и какви етапи има

Метаболизмът е всички химични реакции, които се срещат в клетките на живите организми, нарича се още метаболизъм. Разделя се на анаболизъм и катаболизъм, т.е. енергиен метаболизъм. Първият включва образуването на по-сложни химически съединения. Този процес също се нарича пластичен обмен. За неговото изпълнение се изисква енергия, която се получава от клетката поради катаболизъм. С този процес клетката синтезира необходимото нуклеинови киселини протеини, полизахариди и други подобни. Всички тези вещества могат да действат като строителен материал за клетката и организма като цяло, изпълняват функцията на ензими, хормони и т.н. Ще разгледаме втория процес - енергийния метаболизъм - по-подробно.

Какво е катаболизъм?

Енергийният метаболизъм е процес, при който вещества със сложна структура се разделят на по-прости или се окисляват, в резултат на което тялото получава необходимата за живота енергия. Катаболизмът включва няколко етапа, по време на които протичат различни химични реакции. Те се отличават с три.

Етапи на енергийния метаболизъм

Като изброяваме етапите на катаболизма, можем да разграничим подготвителните, анаеробни (без кислород) и аеробни (използвайки кислород).

Подготвителен етап

По това време сложни молекули на съединения като протеини, въглехидрати и липиди се разделят на по-прости, и на този етап полимерите се превръщат в мономери. Този процес се случва извън клетката, в органите на храносмилателната система. Това включва стомашен сок и различни ензими. Кислородът не е необходим за реакциите на този етап. В резултат на реакциите, настъпили по това време, протеините денатурират и разграждат в аминокиселини, сложни въглехидрати те се превръщат в прости монозахариди, от липиди се образуват глицерол и висши киселини. Част от процеса на този етап се среща и в лизозомите на клетката под влияние на хидролазните ензими.

Вторият етап - анаеробна ферментация

Енергийният метаболизъм има етап на ферментация, който също се нарича гликолиза. Той също не изисква участието на кислород в химичните реакции. По принцип много органични вещества могат да ферментират, но най-вече те са въглехидрати. В процеса на химични реакции, използвани на този етап на катаболизъм, се образуват алкохоли, въглероден диоксид, ацетон, органични киселини, в някои случаи водород и други вещества. Бактериите, едноклетъчните гъбички и растенията, които активно ферментират, се използват широко в промишлеността, например за производството на етилов алкохол, производството на сирена и други млечнокисели продукти в производството на хлебни изделия за производството на тесто. Ферментацията също се нарича непълно окисление.

Реакциите, които се случват на този етап, и тяхната употреба

Пример за химичните реакции, които се случват на този етап, може да се нарече най-често срещаната - алкохолна ферментация. Това е процесът на разделяне на глюкоза или фруктоза под въздействието на специални ензими, в които се отделят въглероден диоксид и етилов алкохол, и се образуват и АТР молекули. Уравнението на тази химическа реакция е както следва: C6H12O6 = 2C2H5ON + CO2 + 2ATP. Организациите, които използват тази реакция за получаване на необходимата енергия, се използват в промишлеността за производство на алкохолни напитки. В резултат на процеса, който се използва за енергия млечнокисели бактерии оформен млечна киселина. Уравнението е както следва: C6H12O6 = C3H6O3 + 2ATP. В клетките на животните и гъбите реакцията е широко разпространена, в резултат на което се освобождава пирувинова киселина. Този процес изглежда така: С6Н12О6 = 2С3Н4О3 + (4Н) + 2АТФ.

Третият и последен етап е клетъчното дишане.

Намира се в митохондриите. На този етап веществата се окисляват, поради което се отделя известно количество енергия. Както вече беше възможно да се предположи, в такива процеси участва кислород.
Доставя се до различни тъкани на многоклетъчни организми с помощта на еритроцити, съдържащи хемоглобин за транспортирането му. На този етап клетката разделя веществата, получени в предишните етапи, на най-простите - въглероден диоксид и вода. Тези две вещества непременно се образуват поради обичайното изгаряне на органични вещества. За да се постигне пълното окисление на органичното съединение стотици хиляди пъти по-бързо, отколкото може да изгори, и без използването на свръхвисоки температури, клетката се нуждае от различни ензими, които се съдържат в лизозомите. Също така, за да се получи енергия, дължаща се на клетъчно дишане, е необходимо вещество ADP - аденозин дифосфат, което се използва и за много други цели. Основната химична реакция, която се използва на този етап от енергийния метаболизъм, може да се запише по следния начин: 2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36ADF = 6СО2 + 42Н2О + 36АТФ. От уравнението може да се види, че при такъв процес се отделя значително количество енергия. Също на този етап може да възникне реакция на пълно окисление на пирувиновата киселина, в резултат на което се отделя и енергия, но в по-малки количества.

Как се образува кислород в атмосферата?

Поради факта, че основният процес, в който се състои енергийният метаболизъм при животни, някои бактерии и гъби, е именно клетъчното дишане, кислородът е жизненоважен за тези организми. И толкова високо съдържание в атмосферата на нашата планета ние дължим на растенията - белите дробове на Земята. Те ни дават кислород и отделят въглероден диоксид от въздуха чрез фотосинтеза, с което получават органичната материя, от която се нуждаят от прости неорганични вещества (най-често глюкоза или фруктоза). Процесът на фотосинтеза се дължи на слънчевата енергия, която служи като ускорител за този вид химични реакции. Уравнението на фотосинтезата може да бъде записано по следния начин: 6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2. Разгледаните в тази статия процеси още веднъж доказват, че всичко в природата е взаимосвързано: фотосинтезата протича с използването на въглероден диоксид, ненужен за животните, и енергийният обмен на последния е невъзможен без кислород, който се освобождава от растенията като страничен продукт от фотосинтеза.

Какви клетъчни органели участват в енергийния метаболизъм?

На първо място, това са митохондрии, именно в тях се осъществява целият процес на клетъчно дишане. Веществата, получени по време на анаеробна ферментация, т.е. вторият етап на енергийния метаболизъм, се окисляват на техните кристали. Също така това са лизозоми, вече многократно споменати в текста. Те съдържат в своята кухина, ограничена от мембрана, редица ензими, необходими за всички реакции. В цитоплазмата на клетката с помощта на тези органоиди се наблюдава процес на непълно окисление (гликолиза) на органични съединения. Продуктите, образувани на този етап с участието на ензими, съдържащи се в лизозомите, са суровина за последващото клетъчно дишане, което се среща в митохондриите. В допълнение, микротубулите участват в тези процеси, които транспортират вещества през клетката, както и плазмената мембрана, която съдържа специални протеини, които пренасят химически съединения, които са необходими за енергийния метаболизъм от околната среда до цитоплазмата.