Клетка · 6 из 6

Энергия клетки

АТФ, фотосинтез, хемосинтез, гликолиз, брожение, дыхание

Каждую секунду клетка разряжает и снова заряжает миллиарды крошечных батареек — молекул АТФ. Разберём, откуда она берёт энергию на зарядку: от солнечного света до митохондрий.

Три способа добыть энергию

Любая работа клетки — движение, синтез белка, перенос веществ через мембрану — оплачивается одной «валютой»: молекулой АТФ. Вопрос только в том, откуда брать энергию, чтобы снова её заряжать.

Автотрофы сами делают органику: растения — фотосинтезом, часть бактерий — хемосинтезом. Потом все клетки, и наши тоже, разбирают органику и заряжают АТФ — это энергетический обмен.

Способ	Кто	Источник энергии
Фотосинтез	растения, водоросли, цианобактерии	свет
Хемосинтез	часть бактерий	окисление неорганических веществ
Энергетический обмен	все клетки	расщепление органики — глюкозы, жиров, белков

АТФ — батарейка клетки

АТФ — аденозинтрифосфат. Устроен просто: азотистое основание аденин, сахар рибоза и хвост из трёх остатков фосфорной кислоты. По строению это нуклеотид — родственник «кирпичиков» РНК.

Связи между фосфатами — макроэргические, то есть богатые энергией. Когда клетке нужна энергия, она отрывает последний фосфат.

Разрядка: АТФ + H₂O → АДФ + Ф + 40 кДж. Зарядка — наоборот: АДФ + Ф + энергия → АТФ. Энергию на зарядку клетка берёт извне — от света, химии или пищи.

АТФ — три фосфата, «заряженная батарейка».
АДФ (аденозиндифосфат) — два фосфата, «разряженная».
АМФ — один фосфат: вторая макроэргическая связь даёт ещё около 40 кДж.

Аналогия. АТФ — заряженная батарейка, АДФ — разряженная. Клетка не копит АТФ впрок: она каждую секунду разряжает и снова заряжает одни и те же молекулы.

НАД и НАДФ — такси для водорода

Ещё два героя, которых часто путают с АТФ. НАД и НАДФ — не батарейки, а переносчики: они возят атомы водорода вместе с электронами туда, где водород нужен.

Пустое такси — НАД⁺ (или НАДФ⁺). Посадили водород — получилось НАД·Н (НАДФ·Н, в учебниках часто пишут НАД·Н₂ и НАДФ·Н₂).

Переносчик	Где работает	Куда везёт водород
НАДФ	фотосинтез	из световой фазы в темновую — на сборку глюкозы
НАД	энергетический обмен	от глюкозы в дыхательную цепь митохондрии

Запомнить по букве: Ф — Фотосинтез. АТФ возит энергию, НАД и НАДФ возят водород — это разные молекулы, АТФ никогда не «превращается» в НАДФ.

Фотосинтез

Фотосинтез идёт в хлоропластах. Внутри лежат стопки плоских мешочков — тилакоидов (стопка — грана), а в их мембранах — зелёный пигмент хлорофилл. Жидкая часть хлоропласта — строма. Фотосинтез идёт в две фазы.

Световая фаза заряжает АТФ и НАДФ·Н, темновая тратит их на сборку глюкозы — и отправляет разряженные АДФ и НАДФ⁺ обратно.

Световая фаза

Квант — крошечная порция света — попадает в хлорофилл и выбивает из него электрон с высокой энергией. Энергия электрона идёт на зарядку АТФ. Чтобы вернуть хлорофиллу электрон, под действием света расщепляется вода — это фотолиз: 2H₂O → 4H⁺ + 4e⁻ + O₂. Водород садится в такси НАДФ, а кислород растению не нужен — он уходит в воздух.

Темновая фаза

Идёт в строме. «Темновая» — не потому, что ночью, а потому что свет ей напрямую не нужен. На энергии АТФ и водороде НАДФ·Н из углекислого газа собирается глюкоза. Этот конвейер называют циклом Кальвина.

Фаза	Где	Что нужно	Что получается
Световая	мембраны тилакоидов	свет, вода, АДФ, НАДФ⁺	АТФ, НАДФ·Н, O₂ (побочный)
Темновая	строма	CO₂, АТФ, НАДФ·Н	глюкоза, АДФ, НАДФ⁺

Общее уравнение: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ (на энергии света). Кислород при фотосинтезе берётся из воды, а не из CO₂.

Хемосинтез

Некоторые бактерии живут там, где света нет совсем: в почве, на дне океана у гидротермальных источников. Они заряжают АТФ энергией химических реакций — окисляют неорганические вещества. Это хемосинтез, его открыл русский учёный С. Н. Виноградский в 1887 году.

Дальше всё как в темновой фазе: на АТФ из CO₂ строится органика. Поэтому хемосинтетики — автотрофы, как растения.

Бактерии	Что окисляют	Реакция
Нитрифицирующие	аммиак — одни до азотистой, другие до азотной кислоты	2NH₃ + 3O₂ → 2HNO₂ + 2H₂O; 2HNO₂ + O₂ → 2HNO₃
Серобактерии	сероводород до серы и серной кислоты	2H₂S + O₂ → 2S + 2H₂O; 2S + 3O₂ + 2H₂O → 2H₂SO₄
Железобактерии	двухвалентное железо до трёхвалентного	4FeCO₃ + O₂ + 6H₂O → 4Fe(OH)₃ + 4CO₂
Водородные	водород	2H₂ + O₂ → 2H₂O

Нитрифицирующие бактерии замыкают круговорот азота: делают из аммиака нитраты, которые потом берут из почвы растения.

Энергетический обмен: три этапа

Мы — гетеротрофы: получаем готовую органику с едой и разбираем её, чтобы зарядить АТФ. Это энергетический обмен, или диссимиляция. Он идёт в три этапа, и выгода у них очень разная.

Почти всю АТФ клетка получает на последнем, кислородном этапе.

Этап	Где	Что происходит	АТФ
1. Подготовительный	пищеварительный тракт, лизосомы	белки → аминокислоты, жиры → глицерин и жирные кислоты, крахмал → глюкоза; энергия рассеивается теплом	0
2. Бескислородный (гликолиз)	цитоплазма	глюкоза → 2 ПВК	2
3. Кислородный	митохондрии	цикл Кребса, дыхательная цепь, АТФ-синтаза	36

Гликолиз

Гликолиз — второй, бескислородный этап. Он идёт в цитоплазме, кислород ему не нужен. Одна молекула глюкозы (шесть атомов углерода) за десять шагов распадается на две молекулы пировиноградной кислоты — ПВК (по три атома углерода). Каждый шаг ускоряет свой фермент — белок-ускоритель.

Из 200 кДж только 40 % запасается в двух АТФ, остальное уходит в тепло. Четыре атома водорода забирают две молекулы НАД⁺.

C₆H₁₂O₆ → 2 C₃H₄O₃ (ПВК) + 4 Н + 2 АТФ; 4 Н + 2 НАД⁺ → 2 НАД·Н.

Развилка: брожение или дыхание

Дальше всё зависит от того, есть ли кислород. Если кислорода нет, клетка идёт по пути брожения. Его задача — пристроить ПВК и освободить такси НАД⁺, иначе гликолиз остановится.

Брожение не даёт новых АТФ: на одну глюкозу остаются только 2 АТФ от гликолиза. С кислородом та же глюкоза даёт 38.

Брожение	Схема	Где встречается
Молочнокислое	ПВК + НАД·Н → молочная кислота + НАД⁺	молочнокислые бактерии (кефир, йогурт, квашеная капуста); мышцы при сильной нагрузке
Спиртовое	ПВК + НАД·Н → этиловый спирт + CO₂ + НАД⁺	дрожжи: пузырьки CO₂ поднимают тесто

Суммарно: молочнокислое — C₆H₁₂O₆ → 2 C₃H₆O₃ + 2 АТФ, спиртовое — C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ + 2 АТФ.

Кислородный этап в митохондриях

Если кислород есть, ПВК уходит в митохондрии — энергетические станции клетки. У митохондрии две мембраны: наружная гладкая, внутренняя собрана в складки — кристы. Внутри — жидкость, матрикс.

Шаг 1 — цикл Кребса. В матриксе углерод ПВК уходит в виде CO₂, а весь водород забирают такси: НАД превращается в НАД·Н.
Шаг 2 — дыхательная цепь. Такси отдают водород белкам во внутренней мембране. Электроны бегут по цепи, как по проводу, а их энергия перекачивает ионы водорода H⁺ в узкое пространство между мембранами — как воду за плотину.
Шаг 3 — АТФ-синтаза. Ионы водорода рвутся обратно через белок-турбину. Она вращается и прижимает фосфат к АДФ — получается АТФ. В конце цепи электроны и H⁺ соединяются с кислородом, и получается вода.

Без кислорода цепь встанет: электронам некуда деться, градиент H⁺ не создаётся, и турбина останавливается. Вот зачем мы дышим.

Кислородный этап даёт 36 АТФ: 2 C₃H₄O₃ + 6O₂ + 36 АДФ + 36 H₃PO₄ → 6CO₂ + 42H₂O + 36 АТФ.

Аналогия. Такая же АТФ-синтаза стоит в мембранах тилакоидов: в световой фазе фотосинтеза АТФ заряжается точно так же — потоком ионов водорода через турбину.

Итог: 38 АТФ

Гликолиз — 2 АТФ, кислородный этап — 36. Итого 38 АТФ на одну молекулу глюкозы — в 19 раз больше, чем при брожении.

Дыхание — это фотосинтез наоборот: растение собирает глюкозу энергией света, а клетка разбирает её и заряжает батарейки.

Дыхание: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 38 АТФ. Фотосинтез: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

	Брожение	Кислородное дыхание
Кислород	не нужен	нужен
Где	цитоплазма	цитоплазма и митохондрии
Продукты	молочная кислота или спирт + CO₂	CO₂ и H₂O
АТФ на глюкозу	2	38

38 — школьный счёт. По современным данным выходит около 30–32 АТФ: часть энергии уходит на перенос веществ через мембрану митохондрии. На экзамене пишут 38.

Не путай

Частые ошибки на контрольных и ЕГЭ.

Ошибка	Как правильно
Кислород при фотосинтезе — из CO₂	из воды, при фотолизе в световой фазе
Темновая фаза идёт ночью	идёт и днём — ей просто не нужен свет напрямую
АТФ превращается в НАДФ	АТФ ⇄ АДФ, НАДФ⁺ ⇄ НАДФ·Н — разные молекулы
Подготовительный этап даёт АТФ	0 АТФ — энергия рассеивается теплом
Гликолиз идёт в митохондриях	в цитоплазме; в митохондрию заходит уже ПВК
Брожение даёт ещё АТФ сверх гликолиза	итого только 2 АТФ — брожение лишь освобождает НАД⁺
Растения только фотосинтезируют, а не дышат	дышат всегда, днём и ночью: у них тоже есть митохондрии
Хемосинтетики — гетеротрофы	автотрофы: сами строят органику из CO₂

Проверь себя

1. Сколько фосфатов в молекуле АДФ?

2. Откуда берётся кислород при фотосинтезе?

3. Где идёт темновая фаза фотосинтеза?

4. Что переносит НАДФ?

5. Кто открыл хемосинтез?

6. Сколько АТФ даёт подготовительный этап?

7. Где идёт гликолиз?

8. Зачем клетке брожение?

9. Что вращает АТФ-синтазу?

10. Сколько АТФ даёт полное окисление одной глюкозы (школьный счёт)?

Термины

АДФ: Аденозиндифосфат — «разряженная» АТФ с двумя фосфатами.
Макроэргическая связь: Связь между фосфатами в АТФ, богатая энергией: при разрыве даёт около 40 кДж.
НАД: Переносчик водорода и электронов в энергетическом обмене; с водородом — НАД·Н.
НАДФ: Переносчик водорода в фотосинтезе; с водородом — НАДФ·Н.
Фотосинтез: Синтез органики из CO₂ и воды на энергии света; идёт в хлоропластах.
Тилакоид: Плоский мешочек внутри хлоропласта; на его мембранах идёт световая фаза.
Строма: Жидкая часть хлоропласта, где идёт темновая фаза.
Фотолиз: Расщепление воды светом на ионы водорода, электроны и кислород.
Цикл Кальвина: Цепь реакций темновой фазы, в которой из CO₂ собирается глюкоза.
Хемосинтез: Синтез органики на энергии окисления неорганических веществ; открыт С. Н. Виноградским в 1887 году.
Диссимиляция: Энергетический обмен: распад органических веществ с выделением энергии и синтезом АТФ.
Гликолиз: Бескислородное расщепление глюкозы до двух ПВК в цитоплазме; даёт 2 АТФ.
ПВК: Пировиноградная кислота, C₃H₄O₃ — продукт гликолиза.
Брожение: Бескислородный путь после гликолиза: ПВК превращается в молочную кислоту или спирт и CO₂.
Цикл Кребса: Цикл реакций в матриксе митохондрии: углерод ПВК уходит в CO₂, водород — в НАД·Н.
Дыхательная цепь: Белки внутренней мембраны митохондрии: по ним бегут электроны, их энергия качает H⁺ через мембрану.
АТФ-синтаза: Белок-турбина: ионы водорода текут через неё, она вращается и присоединяет фосфат к АДФ.
Матрикс: Внутреннее содержимое митохондрии, где идёт цикл Кребса.

Источники страницы

НазадТипы клетокРастения, животные, грибы и бактерии.

ДальшеКлетка-заводПодводящая глава: вся клетка как один завод — и почему вирусу он нужен.