2. Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция)
Универсальным источником энергии во всех клетках служит АТФ (аденозинтрифосфат, или аденозинтрифосфорная кислота).
Все энергетические затраты любой клетки обеспечиваются за счёт универсального энергетического вещества — АТФ.
АТФ синтезируется в результате реакции фосфорилирования, то есть присоединения одного остатка фосфорной кислоты к молекуле АДФ (аденозиндифосфата):
АДФ + h4PO4+ 40 кДж = АТФ + h3O.
Энергия запасается в форме энергии химических связей АТФ. Химические связи АТФ, при разрыве которых выделяется много энергии, называются макроэргическими.
При распаде АТФ до АДФ клетка за счёт разрыва макроэргической связи получит приблизительно \(40\) кДж энергии.
Энергия для синтеза АТФ из АДФ выделяется в процессе диссимиляции.
Энергетический обмен (диссимиляция, катаболизм) — это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ.
В зависимости от среды обитания организма, диссимиляция может проходить в два или в три этапа.
Процессы расщепления органических соединений у аэробных организмов происходят в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный.
В результате этого органические вещества распадаются до простейших неорганических соединений.
У анаэробных организмов, обитающих в бескислородной среде и не нуждающихся в кислороде (а также у аэробных организмов при недостатке кислорода), диссимиляция происходит в два этапа: подготовительный и бескислородный.
В двухэтапном энергетическом обмене энергии запасается гораздо меньше, чем в трёхэтапном.
Первый этап — подготовительный
Подготовительный этап заключается в распаде крупных органических молекул до более простых: полисахаридов — до моносахаридов, липидов — до глицерина и жирных кислот, белков — до аминокислот.
Этот процесс называется пищеварением. У многоклеточных организмов он осуществляется в желудочно-кишечном тракте с помощью пищеварительных ферментов. У одноклеточных организмов — происходит под действием ферментов лизосом.
В ходе биохимических реакций, происходящих на этом этапе, энергии выделяется мало, она рассеивается в виде тепла, и АТФ не образуется.
Второй этап — бескислородный (гликолиз)
Второй (бескислородный) этап заключается в ферментативном расщеплении органических веществ, которые были получены в ходе подготовительного этапа. Кислород в реакциях этого этапа не участвует.
Биологический смысл второго этапа заключается в начале постепенного расщепления и окисления глюкозы с накоплением энергии в виде \(2\) молекул АТФ.
Процесс бескислородного расщепления глюкозы называется гликолиз.
Гликолиз происходит в цитоплазме клеток.
Он состоит из нескольких последовательных реакций превращения молекулы глюкозы C6h22O6 в две молекулы пировиноградной кислоты — ПВК C3h5O3 и две молекулы АТФ (в виде которой запасается примерно \(40\) % энергии, выделившейся при гликолизе). Остальная энергия (около \(60\) %) рассеивается в виде тепла.
C6h22O6 + h4PO4+ 2АДФ = C3h5O3+2АТФ +2h3O.
Получившаяся пировиноградная кислота при недостатке кислорода в клетках животных, а также клетках многих грибов и микроорганизмов, превращается в молочную кислоту C3H6O3.
HOOC−CO−Ch4пировиноградная кислота→НАД⋅H+H+лактатдегидрогеназаHOOC−CHOH−Ch4молочная кислота.
В мышцах человека при больших нагрузках и нехватке кислорода образуется молочная кислота и появляется боль. У нетренированных людей это происходит быстрее, чем у людей тренированных.
При недостатке кислорода в клетках растений, а также в клетках некоторых грибов (например, дрожжей), вместо гликолиза происходит спиртовое брожение: пировиноградная кислота распадается на этиловый спирт C2H5OH и углекислый газ CO2:
C6h22O6+2h4PO4+2АДФ=2C2H5OH+2CO2+2АТФ+2h3O.
Третий этап — кислородный
В результате гликолиза глюкоза распадается не до конечных продуктов (CO2 и h3O), а до богатых энергией соединений (молочная кислота, этиловый спирт) которые, окисляясь дальше, могут дать её в больших количествах. Поэтому у аэробных организмов после гликолиза (или спиртового брожения) следует третий, завершающий этап энергетического обмена — полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание.
Этот этап происходит на кристах митохондрий.
Третий этап, так же как и гликолиз, является многостадийным и состоит из двух последовательных процессов — цикла Кребса и окислительного фосфорилирования.
Третий (кислородный) этап заключается в том, что при кислородном дыхании ПВК окисляется до окончательных продуктов — углекислого газа и воды, а энергия, выделяющаяся при окислении, запасается в виде \(36\) молекул АТФ (\(2\) молекулы в цикле Кребса и \(34\) молекулы в ходе окислительного фосфорилирования).
Этот этап можно представить себе в следующем виде:
2C3h5O3+6O2+36h4PO4+36АДФ=6CO2+42h3O+36АТФ.
Вспомним, что ещё две молекулы АТФ запасаются в ходе бескислородного расщепления каждой молекулы глюкозы (на втором, бескислородном, этапе). Таким образом, в результате полного расщепления одной молекулы глюкозы образуется \(38\) молекул АТФ.
Суммарная реакция энергетического обмена:
C6h22O6+6O2=6CO2+6h3O+38АТФ.
Для получения энергии в клетках, кроме глюкозы, могут быть использованы и другие вещества: липиды, белки. Однако ведущая роль в энергетическом обмене у большинства организмов принадлежит сахарам.
Источники:
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. 9 класс // ДРОФА.
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.
Лернер Г. И. Биология: Полный справочник для подготовки к ЕГЭ: АСТ, Астрель.
Физики нащупали границу квантового и классического мира при распаде молекул стронция
S. Kondov et al. / Physical Review A
Американские физики определили, при каких условиях распад молекулы стронция Sr2 можно описать с помощью аппарата классической физики, а в каких уже нельзя обойтись без учета квантовых эффектов. Оказалось, что квантовые эффекты становятся существенными только при температуре, при которой вращательная энергия молекулы сравнима с энергией ее распада — диссоциации. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org. Расширенная версия статьи опубликована в
Обычно в химических реакциях участвует макроскопически много молекул, которые случайным образом сталкиваются и взаимодействуют друг с другом. Однако в последнее время физики научились так точно управлять атомами и молекулами, что смогли проводить реакции между отдельными частицами реагентов, охлажденных до очень низких температур. Например, в апреле этого года американские физики «собрали» молекулу NaCs из отдельных атомов натрия и цезия — для этого ученые захватывали и сталкивали частицы с помощью оптического пинцета. Это позволило ученым подробно исследовать эффекты, которые определяют ход химической реакции.
Как правило, для описания взаимодействия атомов, вовлеченных в химическую реакцию, ученые используют квазиклассическое приближение, разработанное в середине 1920-х годов Грегором Вентцелем, Хендриком Крамерсом и Леоном Бриллюэном (поэтому его иногда называют приближением ВКБ). Грубо говоря, в этом приближении молекула моделируется шариками-атомами, которые связаны «пружинкой» — химической связью, описываемой потенциалом взаимодействия. Если бы квазиклассическое приближение выполнялось, атомы диссоциировавшей («развалившейся») молекулы всегда бы разлетались в строго противоположные стороны. При больших температурах обычно так и происходит, однако при приближении к абсолютному нулю, когда тепловые колебания молекулы затухают, начинают играть роль более тонкие эффекты.
В частности, в 2016 году группа ученых под руководством Тани Зелевински (Tanya Zelevinsky) показала, что диссоциацию молекулы Sr2, охлажденной до температуры порядка 50 микрокельвинов, нельзя объяснить, ограничиваясь квазиклассическим приближением — построенное учеными угловое распределение атомов стронция-88, разлетающихся после распада молекулы, выглядело сложнее, чем предсказывает эта модель. Это позволило физикам показать, что при низких температурах взаимодействие частиц определяется квантовыми эффектами — в частности, резонансным рассеянием и подбарьерным туннелированием. К сожалению, исследователям не удалось установить границы применимости приближения и увидеть переход между «классическим» и «квантовым» режимом.
Два года спустя группа Зелевински вернулась к опыту с диссоциацией молекул стронция, чтобы изучить его более детально. Для этого ученые захватывали несколько тысяч молекул Sr2 в оптическую ловушку размером 30 × 730 микрометров и светили на них импульсами лазера длиной волны около 690 нанометров и длительностью порядка 20 микросекунд, в результате чего молекулы «разваливались» на атомы. Регулируя мощность лазерных вспышек, физики управляли температурой (то есть энергией колебаний) молекул, изменяя ее в диапазоне от 0,1 до 100 милликельвин. После этого исследователи «фотографировали» угловое распределение атомов стронция с помощью времяпролетной камеры (time-of-flight image), а также рассчитывали сечение распределения с помощью обратного преобразования Абеля.
Перед распадом молекула могла находиться в одном из двух возбужденных состояний — либо в состоянии, в котором потенциал взаимодействия не имеет барьера (0u+), либо в состоянии с барьером высотой порядка одного милликельвина (1u). Кроме того, состояния могли иметь различные колебательные квантовые числа (vibrational quantum number). В зависимости от формы потенциала и значения квантового числа вид распределения немного изменялся. Наконец, исследователи сравнивали полученные распределения с теоретическими расчетами, выполненными в рамках «чистой» квантовой механики или метода ВКБ.
Угловое распределение атомов, образовавшихся при распаде возбужденной молекулы Sr2, которая находилась в состоянии 0u+. В каждом ряду верхнее изображение отвечает эксперименту, нижнее — квантовомеханическому моделированию. В нижнем ряду приведены результаты квазиклассических расчетов. Температура меняется от 0,6 милликельвинов (левый столбец) до 14 милликельвинов (правый столбец)
S. Kondov et al. / Physical Review A
S. Kondov et al. / Physical Review A
В результате физики обнаружили, что квазиклассическое приближение достаточно хорошо описывает распад молекулы вплоть до температур порядка пяти кельвинов — при такой высокой температуре можно пренебречь квантовой статистикой, которой подчиняются атомы стронция, а потому оба метода дают примерно одинаковое распределение. Однако при снижении температуры метод ВКБ переставал работать, поскольку он упускал из вида волны рассеяния с нечетными значениями углового момента. По оценкам ученых, переломный момент наступает, когда вращательная энергия тепловых колебаний молекулы оказывается меньше, чем энергия ее диссоциации.S. Kondov et al. / Physical Review A
Авторы статьи подчеркивают, что «классическая природа» траекторий, которые они наблюдали при большой температуре, обусловлена большой кинетической энергией атомов, а не усреднением по большому ансамблю. При большой температуре — следовательно, большой энергии вращения молекулы, — характерное время вращения во много раз превышает характерное время диссоциации, а потому для описания процесса можно использовать квазиклассическое приближение. Еще можно сказать, что при большой температуре энергия атомов много больше высоты потенциальных барьеров, а потому они преодолевают их практически беспрепятственно. В обратном случае пренебречь этими эффектами нельзя. Тем не менее, и в квантовом, и в квазиклассическом режиме необходимо рассматривать квантовые состояния отдельных молекул.Дмитрий Трунин
Энергия связи или распада молекулы
Энергия активации реакции взаимодействия двух радикалов а, 0. Энергия активации распада молекулы СЬ близка к половине энергии связиЭнергия диссоциации связи равна энергии активации распада молекулы на радикалы, так как обратная реакция соединения радикалов идет с нулевой энергией активации. [c.113]
Таким образом, чтобы катализатор был достаточно активным, энергии связей реагирующих молекул с атомами на поверхности катализатора должны быть оптимальными и находиться в определенном соответствии с энергиями связей между атомами в молекулах реагирующих веществ. Энергетический уровень мультиплетного комплекса должен быть расположен приблизительно посредине между энергетическими уровнями исходных молекул и продуктов реакции, а энергии активации его образования и распада должны быть минимальными. Для сравнения на рис. 109 приведена кривая 4, объясняющая механизм данной реакции без катализатора.
Рассмотрим приближенный расчет энергии активации образования и распада мультиплетного комплекса по энергиям связей реагирующих молекул на основе принципа энергетического соответствия. Вычислим теплоту образования мультиплетного комплекса [c.442]
В работах [75, 76] оценивалась степень ассоциации молекул простых и сложных жидких систем по их вязкости. Сделано предположение, что наименьшими структурными единицами, участвующими в процессе массопереноса и передачи импульса являются не молекулы, а их комплексы, что проявляется, очевидно, при условии превышения энергии связи между молекулами, входящими в состав комплексов, над энергией теплового движения. В этом случае формулы для расчета вязкости остаются неизменными, а смысл входящего в них молярного объема будет определять объем комплексов. Кроме этого дополнительно принимается еще одно предположение — форма комплексов близка к сфере. Подобные рассуждения были положены нами в дальнейшем для описания нефтяных дисперсных систем при изучении их методом ротационной вискозиметрии. Указанные исследования получили развитие и были взяты за основу при создании метода оценки степени ассоциации молекул в нефтяных системах [77]. Изучались реальные нефтяные системы. Степень ассоциации рассчитывалась на основе значения энергии активации вязкого течения. Показано, что в диапазоне температур 20-50°С усть-балыкская нефть, например, является сильно ассоциированной жидкостью. При повышении температуры степень ассоциации монотонно снижается, а энергия вязкого течения стремится к постоянству. Предполагается, что подобное поведение системы обусловлено не распадом существующих агрегатов, а отделению от агрегатов периферийных молекул, тепловая энергия ко- [c.85]
Энергия связи в молекуле СЬ небольшая, и эта молекула распадается на атомы уже под воздействием квантов обычного света. Напротив, молекула водорода очень прочная. Высокая энергия связи в молекуле кислорода объясняется тем, что кислород двухвалентен и в его молекуле образуется не одна, а две связи. В общем случае энергия связи зависит от природы взаимодействующих атомов. Источником энергии, выделяющейся при образовании химической связи, является понижение потенциальной энергии взаимодействующих атомов. [c.68]
Молекула водорода представляет собой пример простейшей молекулы, состоящей из двух атомов, связанных ковалентной связью. Вследствие большой прочности и высокой энергии диссоциации распад молекул водорода на атомы происходит в заметной степени лишь при температуре 2500 (степень термической диссоциации 0,0013). А при температуре 5000 » С молекулярный водород почти сполна диссоциирован на атомы (степень диссоциации равна 0,95). Интересно, что для молекулы дейтерия О. энергия диссоциации несколько больше и равна 439,56 кДж/моль при практически равных межатомных расстояниях в Из и Ог (0,07414 и 0,07417 нм соответственно). Быть может, это редкий случай, когда гравитационные силы (из-за большей массы дейтерия) оказывают влияние на прочность химической связи. [c.99]
Молекула водорода представляет собой пример простейшей молекулы, состоящей из двух атомов, связанных ковалентной связью. Вследствие болыпой прочности и высокой энергии диссоциации распад молекул водорода на атомы происходит в заметной степени лишь при 2500°С (степень термической диссоциации 0,0013). А при 5000°С молекулярный водород почти полностью диссоциирован на атомы (степень диссоциации равна 0,95). Интересно, что для молекулы дейтерия Вг энергия диссоциации несколько больше и равна 439,56 кДж/моль при практически равных межатомных расстояниях в Нг и Вг (0,07414 и 0,07417 нм соответственно). [c.294]
Энергия активации распада молекулы при согласованном разрыве связей существенно ниже, чем при разрыве одной связи для данного класса соединений. Например, энергия активации распада перэфиров по связи О—О лежит в интервале 140-160 кДж/моль, а для согласованного разрыва связей О- и С—С значение Е изменяется в интервале 90-125 кДж/моль. Из сравнения АН с АН° для согласованного распада следует, что всегда аЯ [c.247]
Молекула водорода представляет собой пример простейшей молекулы, состоящей из двух атомов, связанных ковалентной связью. Вследствие большой прочности и высокой энергии диссоциации распад молекул водорода на атомы происходит в заметной степени лишь при 2500° С (степень термической диссоциации [c.294]
Бимолекулярный механизм реакции может быть представлен следующей схемой. При некоторых столкновениях двух нормальных молекул (при активирующих столкновениях) кинетическая энергия составляющей относительного движения по линии центров может превысить энергию связи в молекулах, что приведет к немедленному распаду обеих молекул или же только одной из них. Бимолекулярные реакции имеют ряд общих свойств [c.75]
Так как рекомбинация радикалов проходит без активационного барьера, то энергия активации распада молекулы X— на радикалы в этом случае равна ОЛ-Ег (где О—энергия разрыва связи X—У 3 — энергия активации диффузии, величина которой зависит от вида радикала я вязкости жидкости). Величина 3 для больших радикалов и вязкой жидкости может быть значительной. Так, при распаде гексафенилэтана на трифенилме-тильные радикалы в бензольном растворе энергия активации равна 18 ккал/моль, а прочность разрываемой связи— 11 ккал/моль, т. е. Ег = 7 ккал/моль [72]. [c.62]
При адсорбции на поверхности катализатора реагирующая молекула вступает в химическое взаимодействие с атомами твердого тела. Следовательно, рвутся одни связи и возникают другие. Если бы при адсорбции энергия связей в молекуле не изменялась, тогда при распаде молекулы водорода на два атома (как это имеет место при низких температурах на металлах) выделилось бы 103 ккал/моль [c.79]
СО спиртами также приводит к неаддитивному изменению выхода меченного тритием циклогексана с изменением концентрации спирта. Удельная активность циклогексана растет по мере роста концентрации спирта в смеси. Можно предположить, что наряду с ранее описанными видами рассеяния энергии возбужденных молекул в среде имеет место специфическая передача энергии от возбужденных молекул к молекулам бензола или спирта, которые способны рассеивать эту энергию, не распадаясь молекулы бензола и подобных ему соединений — вследствие наличия сопряженных связей, а спирты — вследствие свойств ОН-группы, которая способна высвечивать избыточную энергию. Это подтверждается тем, что удельная активность спирта остается неизменной и, следовательно, сохранение молекул спирта осуществляется в результате внутримолекулярной передачи энергии к ОН-группе. [c.176]
Число полос в молекулярном спектре обычно достигает нескольких десятков, число линий доходит до тысяч. Обычно для молекулярных газов или паров наблюдают не спектр испускания, а спектр поглощения, так как для получения спектров испускания газ необходимо нагревать до высокой температуры, при которой может происходить распад молекул. Начиная с некоторой частоты падающего светового кванта, молекула может поглощать световые кванты любой энергии, соответствующей частоте V > Укол- При этом часть поглощаемой энергии идет на разрыв химической связи, а остальная часть превращается в энергию возбуждения и кинетическую энергию продуктов распада молекулы. [c.78]
По вопросу о взаимодействии между водородом и каталитическо
Энергетический обмен
Совокупность реакций синтеза органических веществ, идущих с затратами энергии:
пластический обмен
катаболизм
метаболизм
Второй этап энергетического обмена:
расщепление полимеров до мономеров
неполное окисление веществ в цитоплазме клеток
образование крахмала из молекул глюкозы
В результате какого этапа энергетического обмена из одной молекулы глюкозы образуются 2 молекулы пировиноградной кислоты и 2 молекулы АТФ:
хемосинтеза
подготовительного
бескислородного
Третий этап энергетического обмена происходит в:
митохондриях
рибосомах
аппарате Гольджи
На третьем этапе энергетического обмена образуются:
26 молекул АТФ
38 молекул АТФ
36 молекул АТФ
Анаэробный (бескислородный) окислительно-восстановительный процесс превращения органических веществ с получением энергии называется:
выделение
брожение
дыхание
Пластический обмен в клетках животных не может происходить без энергетического, так как энергетический обмен обеспечивает клетку:
молекулами белка
ферментами
молекулами АТФ
Сходство процесса обмена веществ в клетках растений и животных состоит в том, что в них происходит:
биосинтез белка
образование гемоглобина
хемосинтез
В чем проявляется взаимосвязь пластического и энергетического обмена:
пластический обмен поставляет молекулы АТФ для энергетического
пластический обмен поставляет минеральные вещества для энергетического
пластический обмен поставляет органические вещества для энергетического
Окисление органических веществ с освобождением энергии в клетке происходит в процессе:
фотосинтеза
дыхания
питания
Реакции расщепления органических веществ в клетке происходит с:
освобождением энергии
восстановлением углекислого газа до углеводов
образованием биополимеров
На каком из этапов энергетического обмена синтезируются 2 молекулы АТФ:
кислородного этапа
гликолиза
подготовительного этапа
Реакции энергетического обмена у аэробов завершаются образованием:
углекислого газа и воды
углеводов и белков
аминокислот и глюкозы
В клетках дрожжей при брожении синтезируются молекулы АТФ и при этом образуется:
крахмал и глюкоза
кислород и вода
этиловый спирт и углекислый газ
В аэробных условиях при полном окислении глюкозы в клетке образуется:
углекислый газ
молочная кислота
гликоген
Наибольшее количество энергии освобождается при расщеплении:
белков до аминокислот
АТФ и превращении её в АДФ
полисахаридов до моносахаридов
Кластеры:
разветвленнная сеть ЭПС
сеть диктиосом
сеть митохондрий в клетке
Кислородное окисление аминокислот и жирных кислот при энергетическом обмене происходит в:
хромосомах
митохондриях
рибосомах
Энергия, используемая человеком в процессе жизнедеятельности, освобождается в клетках при:
переносе питательных веществ кровью
образовании органических веществ из неорганических
окислении органических веществ
Один из конечных продуктов подготовительного этапа энергетического обмена в клетке:
молочная кислота
аминокислота
вода
Один из конечных продуктов подготовительного этапа энергетического обмена в клетке:
глицерин
молочная кислота
углекислый газ
Строгая последовательность множества химических реакций бескислородного этапа энергетического обмена обеспечивается:
молекулами АТФ
совокупностью ферментов
молекулами РНК
Окисление органических веществ, которое приводит к освобождению энергии, происходит в:
протоках печени
полости желудка
клетках тела
Ламелярными кристами называют:
кристы в виде тубул
кристы в виде пластин
кристы в виде аморфных тел
Особый сложный жир, содержащего сразу четыре жирные кислоты и делающего мембрану абсолютно непроницаемой для протонов, характерен для:
наружной мембраны митохондрий
лизосом
внутренней мембраны митохондрий
Расщепление липидов до глицерина и жирных кислот происходит в:
кислородную стадию энергетического обмена
подготовительную стадию энергетического обмена
процессе гликолиза
С прекращением энергетического обмена клетка перестаёт снабжаться:
молекулами АТФ
липидами
углеводами
В подготовительной стадии энергетического обмена происходит:
синтез белков из аминокислот
расщепление глюкозы до молочной кислоты
расщепление сложных веществ до простых
Расщепление сложных углеводов до глюкозы в клетке происходит при участии ферментов:
лизосом
эндоплазматической сети
рибосом
Благодаря энергетическому обмену клетка обеспечивается:
белками
молекулами АТФ
липидами