Обмен веществ и энергии в клетке

Определение. Метаболизм

Метаболизм (обмен веществ) — совокупность всех химических реакций, протекающих в клетке и обеспечивающих её жизнедеятельность. Метаболизм включает два противоположных процесса: анаболизм (ассимиляция) — синтез сложных веществ из простых с затратой энергии, и катаболизм (диссимиляция) — распад сложных веществ до простых с выделением энергии.

Энергия, выделяющаяся при катаболизме, запасается в виде АТФ — универсальной энергетической валюты клетки.

Катаболизм: энергетический обмен

Энергетический обмен проходит три этапа:

Этап	Локализация	Исходные вещества	Продукты	АТФ
Подготовительный	Пищеварительный тракт, лизосомы	Белки, жиры, углеводы	Аминокислоты, глицерин + жирные кислоты, глюкоза	0
Гликолиз (бескислородный)	Цитоплазма	Глюкоза (C₆H₁₂O₆)	2 пирувата (C₃H₄O₃), 2 НАДН	2
Кислородное окисление	Митохондрии (матрикс + кристы)	Пируват, НАДН, O₂	CO₂, H₂O	~36

Название|Гликолиз и кислородное окисление глюкозы Шаг 1|Глюкоза (6C) фосфорилируется и расщепляется в цитоплазме на две молекулы пирувата (3C) — образуется 2 АТФ и 2 НАДН Шаг 2|Пируват поступает в матрикс митохондрии, окисляется до ацетил-КоА (выделяется CO₂) Шаг 3|Ацетил-КоА вступает в цикл Кребса — циклическое окисление до CO₂; образуются НАДН, ФАДН₂ и 1 АТФ (ГТФ) Шаг 4|НАДН и ФАДН₂ передают электроны на дыхательную цепь внутренней мембраны митохондрии Шаг 5|Протоны перекачиваются в межмембранное пространство, создавая градиент Шаг 6|АТФ-синтаза использует энергию протонного градиента для синтеза ~34 АТФ; O₂ — конечный акцептор электронов (образуется H₂O) Итог|C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + ~38 АТФ

Анаболизм: фотосинтез

Фотосинтез — процесс синтеза органических веществ из неорганических (CO₂ и H₂O) с использованием энергии света. Протекает в хлоропластах растительных клеток.

Название|Фотосинтез (световая и темновая фазы) Шаг 1|Световая фаза (тилакоиды хлоропластов): хлорофилл поглощает кванты света Шаг 2|Энергия света используется для фотолиза воды: 2H₂O → 4H⁺ + 4e⁻ + O₂ (выделяется кислород) Шаг 3|Электроны переносятся по электрон-транспортной цепи; синтезируются АТФ и НАДФН Шаг 4|Темновая фаза (строма хлоропластов, цикл Кальвина): CO₂ фиксируется и восстанавливается до глюкозы Шаг 5|На восстановление CO₂ тратятся АТФ и НАДФН, полученные в световой фазе Итог|6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ (с использованием световой энергии)

Сравнение фотосинтеза и клеточного дыхания

Признак	Фотосинтез	Клеточное дыхание
Где протекает	Хлоропласты (растения)	Митохондрии (все эукариоты)
Исходные вещества	CO₂, H₂O	C₆H₁₂O₆, O₂
Конечные продукты	C₆H₁₂O₆, O₂	CO₂, H₂O
Энергия	Поглощается (свет → АТФ)	Выделяется (АТФ)
Значение	Создание органики	Высвобождение энергии
Уравнение	6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂	C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O

📌 Ключевой принцип: фотосинтез и дыхание — противоположные процессы, образующие замкнутый цикл. Продукты фотосинтеза (глюкоза и O₂) — субстраты дыхания, а продукты дыхания (CO₂ и H₂O) — субстраты фотосинтеза.

Важно! АТФ — энергетическая валюта

⚠️ Важно: АТФ — не единственное энергетическое соединение в клетке, но самое универсальное. Гидролиз АТФ до АДФ и фосфата даёт ~40 кДж/моль — достаточно для большинства клеточных реакций. Запас АТФ в клетке невелик (хватает на несколько секунд), поэтому АТФ постоянно синтезируется заново.

💡 Запомнить: гликолиз — единственный этап энергетического обмена, который не требует кислорода. Именно поэтому мышцы могут работать в анаэробных условиях (при интенсивной нагрузке), но при этом накапливается молочная кислота.