Wymiana energii - czym jest i jakie ma etapy

Metabolizm to wszystkie reakcje chemiczne zachodzące w komórkach organizmów żywych, zwane również metabolizmem. Jest on podzielony na anabolizm i katabolizm, czyli metabolizm energetyczny. Pierwszy obejmuje tworzenie bardziej skomplikowanych związków chemicznych. Proces ten jest również nazywany wymiana plastiku. Do jego realizacji wymaga energii, która jest uzyskiwana przez komórkę z powodu katabolizmu. W tym procesie komórka syntetyzuje niezbędne kwasy nukleinowe białka, polisacharydy i tym podobne. Wszystkie te substancje mogą działać jako materiał budowlany dla komórki i organizmu jako całości, pełnić funkcję enzymów, hormonów itp. Będziemy bardziej szczegółowo omawiać drugi proces - metabolizm energetyczny.

Czym jest katabolizm?

Metabolizm energii jest procesem, w którym substancje o złożonej strukturze są rozdzielane na prostsze lub są utleniane, w wyniku czego organizm otrzymuje energię niezbędną do życia. Katabolizm obejmuje kilka etapów, podczas których zachodzą różne reakcje chemiczne. Wyróżniają się trzema.

Etapy metabolizmu energetycznego

Wymieniając etapy katabolizmu, można rozróżnić przygotowawcze, beztlenowe (bez tlenu) i aerobowe (za pomocą tlenu).

Etap przygotowawczy

W tym czasie złożone cząsteczki związków takich jak białka, węglowodany i lipidy są rozbijane na prostsze, a na tym etapie polimery są przekształcane w monomery. Proces ten zachodzi poza komórką, w narządach układu pokarmowego. Dotyczy to soku żołądkowego i różnych enzymów. Tlen nie jest wymagany do reakcji na tym etapie. W wyniku zachodzących w tym czasie reakcji białka denaturują i rozkładają się na aminokwasy, złożone węglowodany są przekształcane w proste monosacharydy, glicerol i wyższe kwasy powstają z lipidów. Część procesu tego etapu występuje również w lizosomach komórki pod wpływem enzymów hydrolazowych.

Drugi etap - fermentacja beztlenowa

Metabolizm energetyczny ma etap fermentacji, który jest również nazywany glikolizą. Nie wymaga również udziału tlenu w reakcjach chemicznych. W zasadzie bardzo wiele substancji organicznych może być fermentowanych, ale w większości są to węglowodany. W procesie reakcji chemicznych stosowanych na tym etapie katabolizmu powstają alkohole, dwutlenek węgla, aceton, kwasy organiczne, w niektórych przypadkach wodór i inne substancje. Bakterie, grzyby jednokomórkowe i rośliny, które aktywnie fermentują, są szeroko stosowane w przemyśle, na przykład do produkcji alkoholu etylowego, produkcji serów i innych produktów kwasu mlekowego, w przemyśle piekarniczym do produkcji ciasta. Fermentacja jest również nazywana niepełnym utlenianiem.

Reakcje, które występują na tym etapie i ich wykorzystanie

Przykład reakcji chemicznych zachodzących na tym etapie można nazwać najczęstszym - fermentacją alkoholową. Jest to proces dzielenia glukozy lub fruktozy pod wpływem specjalnych enzymów, w których uwalniają się dwutlenek węgla i alkohol etylowy, a także tworzą się cząsteczki ATP. Równanie tej reakcji chemicznej jest następujące: C6H12O6 = 2C2H5ON + CO2 + 2ATP. To organizmy, które wykorzystują tę reakcję do uzyskania niezbędnej energii, są wykorzystywane w przemyśle do produkcji napojów alkoholowych. W wyniku procesu, który jest używany do energii bakterie kwasu mlekowego powstały kwas mlekowy. Równanie jest następujące: C6H12O6 = C3H6O3 + 2ATP. W komórkach zwierząt i grzybów reakcja jest powszechna, w wyniku czego uwalniany jest kwas pirogronowy. Proces ten wygląda następująco: С6Н12Ø6 = 2С 3 H4O3 + (4 H) + 2АТФ.

Trzecim i ostatnim etapem jest oddychanie komórkowe.

Występuje w mitochondriach. Na tym etapie substancje są utleniane, dzięki czemu uwalniana jest pewna ilość energii. Jak już można było się domyślić, tlen bierze udział w takich procesach.
Dostarczany jest różnym tkankom organizmów wielokomórkowych za pomocą erytrocytów zawierających hemoglobinę do transportu. Na tym etapie komórka dzieli substancje otrzymane w poprzednich etapach na najprostsze - dwutlenek węgla i wodę. Te dwie substancje koniecznie powstają ze względu na zwykłe spalanie jakiejkolwiek substancji organicznej. Aby osiągnąć całkowite utlenienie związku organicznego setki tysięcy razy szybciej niż można by spalić, a bez użycia ultra wysokich temperatur, komórka potrzebuje różnych enzymów zawartych w lizosomach. Ponadto, aby uzyskać energię dzięki oddychaniu komórkowemu, konieczna jest substancja ADP - difosforan adenozyny, który jest również używany do wielu innych celów. Główna reakcja chemiczna stosowana na tym etapie metabolizmu energetycznego może być napisana w następujący sposób: 2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36ADF = 6CO2 + 42Н2О + 36АТФ. Z równania widać, że dzięki takiemu procesowi uwalniana jest znaczna ilość energii. Również na tym etapie może wystąpić reakcja całkowitego utlenienia kwasu pirogronowego, w wyniku czego uwalniana jest również energia, ale w mniejszych ilościach.

Jak powstaje tlen w atmosferze?

Ze względu na to, że głównym procesem, w którym metabolizm energetyczny u zwierząt składa się kilka bakterii i grzybów, jest właśnie oddychanie komórkowe, tlen jest niezbędny dla tych organizmów. A tak wysoką zawartość w atmosferze naszej planety zawdzięczamy roślinom - płucom Ziemi. Dają nam tlen i biorą dwutlenek węgla z powietrza poprzez fotosyntezę, dzięki której uzyskują materię organiczną, której potrzebują od prostych substancji nieorganicznych (najczęściej glukozy lub fruktozy). Proces fotosyntezy następuje dzięki energii słonecznej, która służy jako akcelerator dla tego rodzaju reakcji chemicznych. Równanie fotosyntezy można zapisać w następujący sposób: 6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2. Procesy rozpatrywane w tym artykule po raz kolejny dowodzą, że wszystko w naturze jest ze sobą powiązane: fotosynteza odbywa się przy użyciu dwutlenku węgla, niepotrzebnego dla zwierząt, a wymiana energii tego drugiego jest niemożliwa bez tlenu, który jest uwalniany przez rośliny jako produkt uboczny fotosyntezy.

Jakie organelle komórkowe są zaangażowane w metabolizm energetyczny?

Przede wszystkim są to mitochondria, polega na nich cały proces oddychania komórkowego. Substancje, które otrzymano podczas fermentacji beztlenowej, czyli drugiego etapu metabolizmu energetycznego, są utleniane na ich cristae. Również są to lizosomy, już wielokrotnie wspomniane w tekście. Zawierają w swojej jamie ograniczone błoną wiele enzymów niezbędnych do wszystkich reakcji. W cytoplazmie komórki za pomocą tych organoidów zachodzi proces niecałkowitego utleniania (glikoliza) związków organicznych. Produkty utworzone na tym etapie przy udziale enzymów zawartych w lizosomach są surowcem do późniejszego oddychania komórkowego, które zachodzi w mitochondriach. Ponadto mikrotubule biorą udział w tych procesach, które transportują substancje przez komórkę, a także błonę plazmatyczną, która zawiera specjalne białka, które przenoszą związki chemiczne niezbędne do metabolizmu energii ze środowiska do cytoplazmy.