Энергетический этап диссимиляции. Этапы диссимиляции: что это такое в биологии

Обмен веществ, или метаболизм, включает два взаимосвязанных процесса – диссимиляцию и ассимиляцию. Диссимиляция в биологии – это реакции расщепления или окисления органических соединений, сопровождающиеся выделением энергии. Также ее называют катаболизмом, или энергетическим обменом.

Википедия определяет диссимиляцию как метаболическую деградацию органических веществ до более примитивных с образованием энергии. В общем смысле катаболизм – это совокупность окислительно-восстановительных реакций, направленных на разрушение сложных соединений.

Биологическая роль расщепления – получение энергии. Может распадаться поступившая извне пища или запасы внутри организма. Полисахариды, накопленные в форме гликогена, и жиры начинают расщепляться при отсутствии пищи. Поэтому катаболизм называют энергетическим обменом.

Стадии

Этапы диссимиляции могут происходить в присутствии или в отсутствии кислорода.

В связи с этим выделяют два типа живых организмов:

• анаэробы не используют кислород для распада;
• аэробы нуждаются в кислороде для расщепления соединений.

К анаэробам относится большинство бактерий, многие из которых используются человеком в пищевой промышленности. Анаэробы получают энергию благодаря брожению.

В природе чаще всего встречается два типа брожения:

• молочное – распад глюкозы с созданием молочной кислоты;
• спиртовое – распад глюкозы с высвобождением углекислого газа и этилового спирта.

При взаимодействии соединений с кислородом происходит окисление или внутреннее дыхание.

Процесс диссимиляции в этом случае включает три стадии:

• подготовительный;
• бескислородный;
• кислородный.

В итоге полного распада веществ при брожении и окислении образуются молекулы АТФ (аденозинтрифосфата), являющиеся универсальным «топливом», а также побочные продукты – углекислый газ и вода. У человека вода выводится через почки и кожу, СО2 высвобождается через легкие в процессе внешнего дыхания.

На заметку! Часть АТФ высвобождается как тепло, часть участвует в дальнейшей ассимиляции – пластическом обмене, при котором синтезируются сложные специфичные для конкретного организма вещества.

Этапы энергетического обмена

Подготовительный

Процесс биологической диссимиляции начинается в пищеварительном тракте. Пища попадает в ротовую полость и начинает перевариваться. С помощью ферментов, находящихся в слюне, расщепляется крахмал. Затем обработанная пища попадает в желудок и двенадцатиперстную кишку, где продолжается распад при взаимодействии с ферментами и водой (гидролиз).

Каждое вещество распадается по-своему. В таблице приведен общий процесс катаболизма органических соединений.

Важно! Расщепление происходит с выделением тепла, т.е. незначительным количеством энергии.

Бескислородный

В биологии важную роль играют углеводы – основные источники энергии для эукариотических и прокариотических клеток. Диссимиляция на данном этапе направлена на расщепление глюкозы, образованной на первом этапе, до пировиноградной кислоты. Процесс происходит в бескислородной среде в цитоплазме клетки и называется гликолизом.

Общая реакция:

С6Н12О6 (глюкоза) → 2СН3СОСООН (пируват) + 2АТФ

Реакция происходит в присутствии двух молекул кофермента НАД+, АДФ, фосфатов. Помимо пирувата и АТФ образуется НАДН, протон водорода и вода. НАДН и водород переходят в кислородный этап.

На заметку! При дальнейшем отсутствии кислорода пируват превращается в молочную кислоту.

Кислородный

Выясним, какой этап диссимиляции называют кислородным. Третий этап проходит в присутствии кислорода в митохондриях. Процесс окисления называется клеточным или внутренним дыханием.

Окисление включает две стадии:

• цикл Кребса протекает в матриксе митохондрий;
• окислительное фосфорилирование осуществляется на складках внутренней мембраны (кристах).

От пирувата кофермент А отщепляет ацетильную группу. Образуется ацетил-КоА с выделением углекислого газа. Затем ацетил-КоА вступает в цикл Кребса, состоящий из последующих реакций:

• ацетил-КоА соединяется с оксалоацетатом, образуя цитрат (лимонную кислоту);
• в результате восьми реакций от цитрата отщепляется водород и углекислый газ, снова образуя оксалоацетат;
• оксалоацетат принимает ацетил-КоА, повторяя цикл.

В результате одного цикла образуется НАДН, ФАДН2, СО2, Н2О, ГДФ (гуанозиндифосфат), участвующий в синтезе АТФ.

На кристах находится дыхательная цепь, с помощью которой осуществляется окислительное фосфорилирование. По дыхательной цепи передаются протоны водорода и электроны, отделившиеся от НАДН и ФАДН2 в результате окисления.

Протоны водорода накапливаются с внешней стороны крист, электроны – на внутренней стороне. Протоны стремятся проникнуть внутрь митохондрии, но могут это сделать только через специально встроенный белок – АТФ-синтетазу. В результате возникает критический уровень электрического градиента, двигающий протоны к белкам. Энергия передвижения используется для синтеза , а попавшие в матрикс протоны соединяются с кислородом, образуя воду.

Окончательные продукты диссимиляции на кислородном этапе – шесть молекул углекислого газа, 12 молекул воды и 38 молекул АТФ.

Полезное видео: лекция по теме «Диссимиляция»

Вывод

В ходе катаболизма происходит множество биохимических реакций, направленных на извлечение энергии из разных органических веществ. Вот почему диссимиляцию и называют энергетическим обменом. Давать энергию могут не только углеводы, но и жиры, а также аминокислоты (в редких случаях). Их расщепление приводит к образованию ацетил-КоА, который встраивается в цикл Кребса и «запускает» клеточное дыхание.

Диссимиляция в биологии обозначает процесс, обратный ассимиляции. Иными словами, это этап обмена веществ в организме, на котором происходит разрушение сложных органических соединений с получением более простых. Существует несколько разных определений понятия диссимиляция. Википедия трактует этот термин как утрату специфичности сложных веществ и разрушения сложных органических соединений до более простых. Синонимом этого понятия является катаболизм.

В обмене веществ в живой клетке центральное место занимают сложные реакции диссимиляции - дыхание, брожение, гликолиз. Результатом этих биологических процессов является высвобождение энергии, которая заключена в сложных молекулах. Эта энергия частично трансформируется в энергию Аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Конечными продуктами диссимиляции во всех живых клетках являются углекислый газ, аммиак и вода. Растительные клетки получили возможность частично использовать эти вещества для ассимиляции. Животные организмы выводят эти продукты распада наружу .

Виды

По характеру участия кислородных молекул в реакциях катаболизма все организмы принято подразделять на аэробные, то есть протекающие с участием кислорода, и анаэробные (бескислородные).

Анаэробные организмы осуществляют процессы энергетического обмена путем брожения, а аэробные - путем дыхания.

Брожение

Брожением называется совокупность реакций распада органических молекул до более простых соединений, при которых происходит выделение энергии и синтез молекул АТФ. Среди других способов получения энергии брожение считается самым малоэффективным: из 1 моль глюкозы при молочнокислом брожении получается 2 моль АТФ.

Наиболее широко в природе распространены два вида брожения:

Дыхание

Дыхание в контексте раскрываемого вопроса имеет более обширное значение, чем привычный процесс газообмена. В этом случае под дыханием следует понимать разновидность диссимиляции, которая реализуется в среде, содержащей молекулы кислорода.

Процесс дыхания включает в себя две части:

1. Процесс газообмена в дыхательной системе многоклеточных организмов и в тканях;
2. Последовательность биохимических реакций окисления, которым подвергаются органические соединения. В результате таких процессов образуются вода, аммиак и углекислый газ. Возможно образование некоторых других простых соединений - сероводорода, неорганических фосфорных соединений и пр.

Для большинства людей привычной является более узкой трактовка процесса дыхания как газообмена.

Этапы и их характеристика

Процесс диссимиляции в живых клетках состоит из нескольких этапов. Следует заметить, что в разных организмах эти этапы могут протекать по-разному.

У аэробных организмов процесс катаболизма включает в себя три основных этапа. Каждый этап протекает с участием специальных ферментативных систем.

В результате реакций диссимиляции получается энергия, которая в дальнейшем используется организмом для пластического обмена.

Процессы окислительного фосфорилирования происходят на внутренних митохондриальных мембранах. В этих мембранах имеются встроенные молекулы-переносчики. Их функцией является доставка электронов к атомам кислорода. Часть энергии в ходе этой реакции рассеивается в виде тепла.

В результате реакций гликолиза вырабатывается малое количество энергии, которого недостаточно для осуществления жизнедеятельности организмов с аэробным типом обмена веществ. Именно это является причиной, почему при недостатке кислорода в мышечных клетках образуется молочная кислота. Это вещество накапливается в виде лактата и вызывает боль в мышцах.

Диссимиляция - это комплекс химических реакций, в которых происходит постепенный распад сложных органических веществ до более простых. Этот процесс сопровождается высвобождением энергии, значительная часть которой используется в синтезе АТФ.

Диссимиляция в биологии

Диссимиляция является процессом, противоположным ассимиляции. В качестве исходных веществ, подлежащих распаду, выступают нуклеиновые кислоты, белки, жиры и углеводы. А конечные продукты - это вода, углекислый газ и аммиак. В организме животных продукты распада по мере постепенного накопления выводятся наружу. А у растений углекислый газ выделяется частично, а аммиак в полном объеме применяется в процессе ассимиляции, служа исходным материалом для биосинтеза органических соединений.

Взаимосвязь диссимиляции и ассимиляции позволяет тканям организма постоянно обновляться. Например, в течение 10 дней в человеческой крови обновляется половина клеток альбумина, а за 4 месяца перерождаются все эритроциты. Соотношение интенсивности двух противоположных процессов обмена веществ зависит от многих факторов. Это и стадия развития организма, и возраст, и физиологическое состояние. В ходе роста и развития в организме преобладает ассимиляция, в результате образовываются новые клетки, ткани и органы, происходит их дифференциация, то есть масса тела увеличивается. В случае наличия патологий и при голодании процесс диссимиляции преобладает над ассимиляцией, и тело уменьшается в весе.

Классификация организмов по характеру диссимиляции

Все организмы можно поделить на две группы, в зависимости от условий, в которых протекает диссимиляция. Это аэробы и анаэробы. Первым для жизнедеятельности требуется свободный кислород, вторые не испытывают необходимости в нем. У анаэробов диссимиляция протекает путем брожения, которое представляет собой бескислородное ферментативное расщепление органических веществ до более простых. Например, молочнокислое или спиртовое брожение.

Этапы диссимиляции у аэробных организмов: подготовительный этап

Расщепление органических веществ у аэробов осуществляется в три шага. При этом на каждом из них происходит несколько определенных ферментативных реакций.

Первый этап - подготовительный. Основная роль на этой стадии принадлежит у многоклеточных организмов пищеварительным ферментам, находящимся в желудочно-кишечном тракте. У одноклеточных - ферментам лизосом. В ходе первого этапа белки распадаются на аминокислоты, жиры образуют глицерин и жирные кислоты, полисахариды расщепляются на моносахариды, нуклеиновые кислоты на нуклеотиды.

Гликолиз

Второй этап диссимиляции - гликолиз. Он протекает без кислорода. Биологическая сущность гликолиза состоит в том, что он представляет собой начало расщепления и окисления глюкозы, в результате чего накапливается свободная энергия в виде 2 молекул АТФ. Это происходит в ходе нескольких последовательно идущих реакций, конечным итогом которых становится образование из одной молекулы глюкозы двух молекул пирувата и такого же количества АТФ. Именно в виде аденозинтрифосфорной кислоты запасается часть энергии, которая выделилась в результате гликолиза, Остальная часть подлежит рассеиванию в виде тепла. Химическая реакция гликолиза: С6Н12O6 + 2АДФ + 2Ф → 2С3Н4O3 + 2АТФ.

В условиях недостатка кислорода в растительных клетках и в клетках дрожжей пирувират расщепляется на два вещества: этиловый спирт и углекислый газ. Это и есть спиртовое брожение.

Количество энергии, высвобождаемой при гликолизе, недостаточно для тех организмов, которые дышат кислородом. Именно поэтому в организме животных и человека при больших физических нагрузках в мышцах синтезируется служащая резервным источником энергии и накапливающаяся в виде лактата. Характерным признаком данного процесса является появление боли в мышцах.

Кислородный этап

Диссимиляция - это очень сложный процесс, и третий кислородный этап также представляет собой две последовательно идущих реакции. Речь идет о цикле Кребса и окислительном фосфорилировании.

В ходе кислородного дыхания происходит окисление пирувирата до окончательных продуктов, которыми являются СО2 и Н2О. При этом выделяется энергия, запасаемая в виде 36 молекул АТФ. Затем эта же энергия обеспечивает синтез органических веществ в пластическом объеме. Эволюционно возникновение данного этапа связано с накоплением в атмосфере молекулярного кислорода и появлением аэробных организмов.

Местом осуществления (клеточного дыхания) являются внутренние мембраны митохондрий, внутри которых имеются молекулы-переносчики, осуществляющие транспорт электронов к молекулярному кислороду. Энергия, образуемая на этой стадии, частично расссеивается в виде тепла, остальная же идет на образование АТФ.

Диссимиляция в биологии - это реакция которого выглядит так: С6Н12O6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2O + 38АТФ.

Таким образом, диссимиляция - это совокупность реакций, происходящих за счет органических веществ, которые были ранее синтезированы клеткой, и свободного кислорода, который поступил из внешней среды в процессе дыхания.

Диссимиляция, или энергетический обмен. В этом процессе высокомолекулярные органические вещества превращаются в простые органические и неорганические. Процесс этот многоступенчатый и сложный. Схематично он может быть сведен к следующим трем этапам:
Первый этап - подготовительный . Высокомолекулярные органические вещества ферментативно превращаются в более простые: - в аминокислоты, крахмал - в глюкозу, жиры- в глицерин и жирные кислоты. Энергии при этом выделяется немного и вся она переходит в форму тепловой энергии.

Второй этап - бескислородный . Образовавшиеся на первом этапе вещества под действием ферментов претерпевают дальнейший распад. В качестве примера может служить гликолиз - ферментативный бескислородный распад молекулы глюкозы до двух молекул молочной кислоты в клетках животных организмов. Процесс этот многоступенчатый (его последовательно осуществляют 13 ферментов) и лишь в самом обобщенном виде может быть изображен так:

C 6 H 12 O 6 → 2C 3 H 6 O 3 + свободная энергия.

По мере течения реакции гликолиза на каждом этапе выделяется свободная энергия. Суммарное ее количество распределяется следующим образом: одна часть (≈60%) рассеивается в виде теплоты, а другая («≈0%) сохраняется в клетке и затем используется. Сохранение выделенной энергии происходит через разобранную выше систему «АТФ⇔АДФ». В данном случае за счет энергии, освободившейся при бескислородном расщеплении одной молекулы глюкозы, две молекулы АДФ превращаются в две молекулы АТФ. Позже энергия, как бы законсервированная в молекулах АТФ, будет использована (при их обратном превращении в АДФ) на процессы ассимиляции, переноса возбуждения и так далее

Другим примером бескислородного этапа энергетического обмена может служить спиртовое брожение, при котором из одной молекулы глюкозы в конечном счете образуется две молекулы этилового спирта, две молекулы CO 2 и некоторое количество свободной энергии:

C 6 H 12 O 6 → 2CO 2 + 2C 2 H 5 OH + свободная энергия.

Третий этап - кислородный. Это этап окончательного расщепления органических веществ путем окисления кислородом воздуха до простых неорганических: CO 2 и H 2 O. При этом выделяется максимальное количество свободной энергии, значительная часть которой также резервируется в клетке через образование молекул АТФ. Так, две молекулы молочной кислоты, окисляясь до CO 2 и H 2 O, передают часть своей энергии 36 молекулам АТФ. Легко видеть, что третий этап энергетического обмена в наибольшей степени обеспечивает клетку свободной энергией, которая запасается путем синтеза АТФ.
Все процессы синтеза АТФ осуществляются в митохондриях клеток и универсальны для всего живого.
Таким образом, процессы диссимиляции в клетке происходят за счет органических веществ, ранее синтезированных клеткой, и свободного кислорода, поступающего из внешней среды благодаря дыханию. При этом в клетке накапливаются богатые энергией молекулы АТФ, а во внешнюю среду выводятся углекислый газ и избыточное количество воды. В анаэробных организмах, обитающих в бескислородной среде, последний этап диссимиляции осуществляется несколько иным химическим путем, но также с накоплением молекул АТФ.

Эта статья также доступна на ,

Организмы могут быть разделены на две группы и по характеру диссимиляции – аэробы и анаэробы. Аэробы нуждаются в свободном кислороде для жизнедеятельности. У анаэробов в нем нет необходимости. У них диссимиляция осуществляется путем брожения – бескислородного, ферментативного расщепления органического вещества с образованием более простых органических же веществ и выделением энергии. Например:

> молочнокислое брожение:

> спиртовое брожение:

Образующиеся при брожении вещества являются органическими и, следовательно, содержат еще много энергии.

Энергетический обмен (диссимиляция) – это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ. Процессы расщепления органических соединений у аэробных организмов происходят в три этапа , каждый из которых сопровождается несколькими ферментативными реакциями.

Первый этап – подготовительный . В желудочно-кишечном тракте многоклеточных организмов он осуществляется пищеварительными ферментами. У одноклеточных – ферментами лизосом. На первом этапе происходит расщепление белков до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, полисахаридов до моносахаридов, нуклеиновых кислот до нуклеотидов. Этот процесс называется пищеварением.

Второй этап – бескислородный (гликолиз ). Его биологический смысл заключается в начале постепенного расщепления и окисления глюкозы с накоплением энергии в виде 2 молекул АТФ.

Гликолиз происходит в цитоплазме клеток. Он состоит из нескольких последовательных реакций превращения молекулы глюкозы в две молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) и две молекулы АТФ, в виде которой запасается часть энергии, выделившейся при гликолизе: С 6 Н 12 O 6 + 2АДФ + 2Ф → 2С 3 Н 4 O 3 + 2АТФ. Остальная энергия рассеивается в виде тепла.

В клетках дрожжей и растений (при недостатке кислорода ) пируват распадается на этиловый спирт и углекислый газ. Этот процесс называется спиртовым брожением .

Энергии, накопленной при гликолизе, слишком мало для организмов, использующих кислород для своего дыхания. Вот почему в мышцах животных, в том числе и у человека, при больших нагрузках и нехватке кислорода образуется молочная кислота (С 3 Н 6 O 3), которая накапливается в виде лактата, при это появляется боль в мышцах.

Третий этап – кислородный , состоящий из двух последовательных процессов :

Цикла Кребса

Окислительного фосфорилирования.

Его смысл заключается в том, что при кислородном дыхании пируват окисляется до окончательных продуктов – углекислого газа и воды, а энергия, выделяющаяся при окислении, запасается в виде 36 молекул АТФ (34 молекулы в цикле Кребса и 2 молекулы в ходе окислительного фосфорилирования). Эта энергия распада органических соединений обеспечивает реакции их синтеза в пластическом обмене. Кислородный этап возник после накопления в атмосфере достаточного количества молекулярного кислорода и появления аэробных организмов.

Окислительное фосфорилирование (клеточное дыхание) происходит на внутренних мембранах митохондрий, в которые встроены молекулы-переносчики, которые транспортируют электроны к молекулярному кислороду. В ходе этой стадии часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть расходуется на образование АТФ.

Суммарная реакция энергетического обмена:

С 6 Н 12 O 6 + 6O 2 → 6СO 2 + 6Н 2 O + 38АТФ.

Тематические задания

А1. Способ питания хищных животных называется

1) автотрофным

2) миксотрофным

3) гетеротрофным

4) хемотрофным

А2. Совокупность реакций обмена веществ называется:

1) анаболизм

2) ассимиляция

3) диссимиляция

4) метаболизм

А3. На подготовительном этапе энергетического обмена образуются:

1) 2 молекулы АТФ и глюкоза

2) 36 молекул АТФ и молочная кислота

3) аминокислоты, глюкоза, жирные кислоты

4) уксусная кислота и спирт

А4. Вещества, катализирующие биохимические реакции в организме, –

2) нуклеиновые кислоты

4) углеводы

А5. Процесс синтеза АТФ в ходе окислительного фосфорилирования происходит в:

1) цитоплазме

2) рибосомах

3) митохондриях

4) аппарате Гольджи

А6. Энергия АТФ, запасенная в процессе энергетического обмена, частично используется для реакций:

1) подготовительного этапа

2) гликолиза

3) кислородного этапа

4) синтеза органических соединений

А7. Продуктами гликолиза являются:

1) глюкоза и АТФ

2) СО 2 и вода

3) ПВК и АТФ

4) белки, жиры, углеводы

Часть В

В1. Выберите события, происходящие на подготовительном этапе энергетического обмена у человека

1) белки распадаются до аминокислот

2) глюкоза расщепляется до углекислого газа и воды

3) синтезируются 2 молекулы АТФ

4) гликоген расщепляется до глюкозы

5) образуется молочная кислота

6) липиды расщепляются до глицерина и жирных кислот

В2. Определите последовательность превращений куска сырого картофеля в процессе энергетического обмена в организме свиньи:

А) образование пирувата

Б) образование глюкозы

В) всасывание глюкозы в кровь

Г) образование углекислого газа и воды

Д) окислительное фосфорилирование и образование Н 2 О

Е) цикл Кребса и образование СО 2