Номер 4, страница 192, часть 1 - гдз по биологии 10 класс учебник Пасечник, Каменский

Часть 1. Глава 6. Обмен веществ и превращение энергии в клетке. Итоги главы 6 - номер 4, страница 192.

Условие.

🟧 Охарактеризуйте этапы энергетического обмена в клетке. Сравните их между собой, подкрепите ответ расчётами энергетической эффективности процессов.

Решение.

Решение 3.

Энергетический обмен (катаболизм) в клетке — это совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. Он включает три последовательных этапа:

1. Подготовительный этап

Этот этап происходит в цитоплазме клетки и в лизосомах (у эукариотов). На нем крупные полимерные органические молекулы расщепляются до более простых мономеров:

• Полисахариды (например, крахмал, гликоген) распадаются до моносахаридов (например, глюкозы).
• Жиры расщепляются до глицерина и жирных кислот.
• Белки гидролизуются до аминокислот.

Все реакции на этом этапе протекают без участия кислорода. Выделяющаяся энергия полностью рассеивается в виде тепла и не запасается в форме АТФ.

Расчет энергетической эффективности: На этом этапе синтез АТФ не происходит. Эффективность преобразования энергии в АТФ составляет 0%.

2. Бескислородный этап (Гликолиз)

Этот этап протекает в цитоплазме клетки в анаэробных условиях (без участия кислорода). Основной процесс — гликолиз, частичное окисление одной молекулы глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты (пирувата). В ходе этого этапа:

• Синтезируется 2 молекулы АТФ (чистый выход).
• Образуется 2 молекулы восстановленного кофермента НАДН.

Общая энергия, выделяющаяся при расщеплении глюкозы на этом этапе, составляет около 200 кДж на 1 моль глюкозы.

Расчет энергетической эффективности:

Энергия, запасаемая в 2 молекулах АТФ: 2 * 30.6 кДж/моль = 61.2 кДж/моль.

Общая потенциальная энергия 1 моль глюкозы составляет около 2800 кДж.

Эффективность этапа (относительно полной энергии глюкозы): (61.2 кДж / 2800 кДж) * 100% ≈ 2.18%.

Оставшаяся энергия (138.8 кДж, если считать от 200 кДж, высвобождающихся в гликолизе) рассеивается в виде тепла.

3. Кислородный этап (Клеточное дыхание)

Этот этап происходит в митохондриях и требует обязательного участия кислорода. Он является наиболее эффективным с точки зрения синтеза АТФ и включает три основных подэтапа:

• Окислительное декарбоксилирование пирувата (превращение пирувата в ацетил-КоА).
• Цикл Кребса (цикл лимонной кислоты), где ацетил-КоА полностью окисляется до CO2, образуя НАДН и ФАДН2.
• Окислительное фосфорилирование (дыхательная цепь), где энергия НАДН и ФАДН2 используется для синтеза АТФ с участием кислорода, который является конечным акцептором электронов, образуя воду.

На этом этапе пируват, образовавшийся в гликолизе, полностью окисляется до углекислого газа (CO2) и воды (H2O). Основная часть АТФ синтезируется именно здесь.

Расчет энергетической эффективности:

На этом этапе из продуктов гликолиза (пирувата, НАДН) и других метаболитов синтезируется обычно 34-36 молекул АТФ.

Суммарный выход АТФ из одной молекулы глюкозы (с учетом 2 АТФ из гликолиза): 2 (гликолиз) + 34-36 (кислородный этап) = 36-38 молекул АТФ.

Примем максимальный выход в 38 молекул АТФ. Энергия, запасаемая в 38 молекулах АТФ: 38 * 30.6 кДж/моль = 1162.8 кДж/моль.

Общая энергетическая эффективность всего процесса (относительно полной энергии глюкозы, включая вклад гликолиза): (1162.8 кДж / 2800 кДж) * 100% ≈ 41.5%.

Оставшаяся энергия (2800 кДж - 1162.8 кДж = 1637.2 кДж) рассеивается в виде тепла.

Сравнение этапов энергетического обмена

Характеристика	Подготовительный этап	Бескислородный этап (Гликолиз)	Кислородный этап (Клеточное дыхание)
Место протекания	Цитоплазма, лизосомы	Цитоплазма	Митохондрии (матрикс, внутренняя мембрана)
Условия	Анаэробные (без кислорода)	Анаэробные (без кислорода)	Аэробные (с обязательным участием кислорода)
Тип процесса	Гидролиз макромолекул	Частичное (неполное) окисление мономеров	Полное окисление продуктов гликолиза
Исходные вещества (на входе в этап)	Белки, жиры, сложные углеводы	Мономеры (глюкоза)	Пируват, НАДН, ФАДН2, O2
Конечные продукты (этапа)	Аминокислоты, глицерин, жирные кислоты, моносахариды	2 молекулы пирувата, 2 АТФ, 2 НАДН	CO2, H2O, 34-36 АТФ (для этого этапа)
Выход АТФ (на 1 молекулу глюкозы)	0	2	34-36 (суммарно 36-38 с учетом гликолиза)
Энергетическая эффективность	0% (вся энергия рассеивается в виде тепла)	~2.2% (от общей энергии глюкозы)	~39.3-41.5% (от общей энергии глюкозы, включая вклад гликолиза)
Выделение тепла	Вся выделяемая энергия	Большая часть выделяемой энергии	Значительная часть выделяемой энергии