Посмотрите на порошок для стирки в вашем шкафу. В теплой воде он удаляет пятно от еды за полчаса. В лаборатории та же задача потребовала бы сильной кислоты и кипячения…
English narration · English + 中文 subtitles burned in · Английское озвучивание · Английский + китайские субтитры (встроенные)
3.1
Enzymes as Biological Catalysts · Ферменты как биологические катализаторы
Syllabus · Программа
English
Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.
Learning Objective 3.1.A: Explain how enzymes affect the rate of biological reactions.
3.1.A.1 The structure and function of enzymes contribute to the regulation of biological processes. Enzymes are proteins that are biological catalysts that facilitate chemical reactions in cells by lowering the activation energy.
3.1.A.2 For an enzyme-mediated chemical reaction to occur, the shape and charge of the substrate must be compatible with the active site of the enzyme. This is illustrated by the enzyme-substrate complex model.
Русский
Большая идея 2 — Энергетика: Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.
Цель обучения 3.1.A: Объяснить, как ферменты влияют на скорость биологических реакций.
3.1.A.1 Структура и функции ферментов способствуют регуляции биологических процессов. Ферменты — это белки, являющиеся биологическими катализаторами, которые облегчают химические реакции в клетках за счет снижения энергии активации.
3.1.A.2 Для протекания химической реакции, опосредованной ферментом, форма и заряд субстрата должны быть совместимы с активным центром фермента. Это иллюстрируется моделью комплекса фермент-субстрат.
Source: College Board AP Course and Exam Description · Источник: Описание курса и экзамена College Board AP
English
An enzyme 酶 is a protein catalyst 催化剂 that speeds a reaction by lowering its activation energy 活化能, without being used up. Each enzyme has an active site 活性位点 that binds a specific substrate 底物 (the "lock and key" or induced fit), so enzymes are highly specific. They do not change whether a reaction is favorable – only how fast it goes.
Русский
Биологический стиральный порошок использует ферменты, работающие при умеренной температуре и pH
Фермент — это белковый катализатор, ускоряющий реакцию за счёт снижения её энергии активации, не расходуясь при этом. Каждый фермент имеет активный центр, который связывает конкретный субстрат («ключ-замок» или индуцированное соответствие), поэтому ферменты обладают высокой специфичностью. Они не изменяют термодинамическую выгодность реакции — только скорость её протекания.
Фермент снижает энергию активации реакцииМодели «ключ-замок» и индуцированного соответствия действия ферментов
Explore · Исследовать
Raise substrate and watch the rate saturate · Увеличьте субстрат и наблюдайте насыщение скорости
An enzyme speeds a reaction by lowering activation energy. As substrate rises the rate climbs, then levels off once every active site is busy (saturation). · Фермент ускоряет реакцию, снижая энергию активации. По мере увеличения субстрата скорость растёт, затем выходит на плато, когда все активные центры заняты (насыщение).
constant input of free energy/ˈkɒnstənt ˈɪnpʊt ɒv friː ˈenədʒi/
постоянный приток свободной энергии
Photosynthesis/ˌfəʊtəʊˈsɪnθəsɪs/
Фотосинтез
Calvin cycle/ˈkælvɪn ˈsaɪkl/
цикл Кальвина
prokaryotes/ˈprɒkərɪəʊts/
прокариоты
cyanobacteria/ˌsaɪəˌnɒbəkˈtɪərɪə/
цианобактерии
oxygenated atmosphere/ˈɒksɪdʒeneɪtɪd ˈætməsfɪə/
кислородная атмосфера
banded iron formations/ˈbændɪd ˈaɪən fɔːˈmeɪʃnz/
полосчатые железистые формации
Cellular respiration/ˈseljʊlə ˌrespɪˈreɪʃn/
Клеточное дыхание
Glycolysis/ɡlaɪˈkɒləsɪs/
Гликолиз
Krebs cycle/krebz ˈsaɪkl/
цикле Кребса
electron transport chain/ɪˈlektrɒn ˈtrænspɔːt tʃeɪn/
дыхательной цепи
fermentation/fɜːmənˈteɪʃn/
брожение
3.2
Environmental Impacts on Enzyme Function · Влияние факторов среды на работу ферментов
Syllabus · Программа
English
Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.
Learning Objective 3.2.A: Explain how changes to the structure of an enzyme may affect its function.
3.2.A.1 Change to the molecular structure of a component in an enzymatic system may result in a change to its function or efficiency.
i. Denaturation of proteins, such as enzymes, occurs when the protein structure is disrupted by a change in temperature, pH, or chemical environment, eliminating the ability to catalyze reactions.
ii. Environmental temperatures and pH outside the optimal range for a given enzyme will cause changes to its structure (by disrupting the hydrogen bonds), altering the efficiency with which it catalyzes reactions.
3.2.A.2 In some cases, enzyme denaturation is reversible, allowing the enzyme to regain activity.
Learning Objective 3.2.B: Explain how the cellular environment affects enzyme activity.
3.2.B.1 The relative concentrations of substrates and products determine how efficiently an enzymatic reaction proceeds.
Русский
Большая идея 2 — Энергетика: Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.
Цель обучения 3.2.A: Объяснить, как изменения в структуре фермента могут повлиять на его функцию.
3.2.A.1 Изменение молекулярной структуры компонента в ферментативной системе может привести к изменению его функции или эффективности.
i. Денатурация белков, таких как ферменты, происходит, когда структура белка нарушается изменением температуры, pH или химической среды, что исключает способность катализировать реакции.
ii. Температуры окружающей среды и pH вне оптимального диапазона для данного фермента вызовут изменения в его структуре (путем разрушения водородных связей), изменяя эффективность, с которой он катализирует реакции.
3.2.A.2 В некоторых случаях денатурация ферментов обратима, позволяя ферменту восстанавливать активность.
Цель обучения 3.2.B: Объяснить, как клеточная среда влияет на активность ферментов.
3.2.B.1 Относительные концентрации субстратов и продуктов определяют, насколько эффективно протекает ферментативная реакция.
Source: College Board AP Course and Exam Description · Источник: Описание курса и экзамена College Board AP
English
Enzyme activity depends on conditions. Each enzyme has an optimal temperature and pH; beyond it, the protein denatures 变性 (loses shape) and stops working. Substrate concentration raises the rate until the enzyme saturates. Inhibitors 抑制剂 slow enzymes – competitive ones block the active site, noncompetitive ones bind elsewhere and change the shape.
Русский
Активность ферментов зависит от условий. У каждого фермента есть оптимальные температура и pH; при выходе за эти пределы белок денатурирует (теряет форму) и перестаёт работать. Концентрация субстрата повышает скорость до момента насыщения фермента. Ингибиторы замедляют работу ферментов: конкурентные блокируют активный центр, неконкурентные связываются в другом месте и изменяют форму.
У каждого фермента есть оптимальный pHСкорость возрастает до оптимальной температуры, затем снижается из-за денатурации фермента
Explore · Исследовать
Change temperature and watch enzyme activity · Измените температуру и наблюдайте активность фермента
Each enzyme has an optimum temperature and pH. Too cold is slow; too hot denatures the enzyme so its active site loses shape and activity crashes. · У каждого фермента есть оптимальная температура и pH. Слишком холодно — медленно; слишком горячо денатурирует фермент, его активный центр теряет форму, и активность резко падает.
3.3
Cellular Energy and ATP · Клеточная энергия и АТФ
Syllabus · Программа
English
Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.
Learning Objective 3.3.A: Describe the role of energy in living organisms.
3.3.A.1 All living systems require an input of energy.
3.3.A.2 Life requires a highly ordered system and does not violate the first and second laws of thermodynamics.
i. Energy input must exceed energy loss to maintain order and to power cellular processes.
ii. Cellular processes that release energy may be coupled with cellular processes that require energy.
iii. Significant loss of order or energy flow results in death.
Exclusion statement: Students will need to understand the concept of energy, but the equation for Gibbs free energy is beyond the scope of the AP Exam.
3.3.A.3 Energy-related pathways in biological systems are sequential to allow for a more controlled transfer of energy. A product of a reaction in a metabolic pathway is typically the reactant for the subsequent step in the pathway.
Learning Objective 3.3.B: Explain how shared, conserved, and fundamental processes and features support the concept of common ancestry for all organisms.
3.3.B.1 Core metabolic pathways (e.g., glycolysis, oxidative phosphorylation) are conserved across all currently recognized domains (Archaea, Bacteria, and Eukarya).
Русский
Большая идея 2 — Энергетика: Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.
Цель обучения 3.3.A: Описать роль энергии в живых организмах.
3.3.A.1 Все живые системы требуют поступления энергии.
3.3.A.2 Жизнь требует высокоупорядоченной системы и не нарушает первый и второй законы термодинамики.
i. Поступление энергии должно превышать потери, чтобы поддерживать порядок и обеспечивать работу клеточных процессов.
ii. Клеточные процессы, выделяющие энергию, могут быть связаны с клеточными процессами, требующими энергии.
iii. Значительная потеря порядка или потока энергии приводит к смерти.
Замечание об исключении: Студенты должны будут понять концепцию энергии, но уравнение свободной энергии Гиббса выходит за рамки экзамена AP.
3.3.A.3 Энергетические пути в биологических системах последовательны, что позволяет более контролируемый перенос энергии. Продуктом реакции в метаболическом пути обычно является реагентом для последующего шага в этом пути.
Цель обучения 3.3.B: Объяснить, как общие, консервативные и фундаментальные процессы и особенности подтверждают концепцию общего предка всех организмов.
3.3.B.1 Основные метаболические пути (например, гликолиз, окислительное фосфорилирование) сохраняются во всех признанных доменах (Археи, Бактерии и Эукариоты).
Source: College Board AP Course and Exam Description · Источник: Описание курса и экзамена College Board AP
English
ATP (adenosine triphosphate) is the cell's energy currency. Energy is stored in its phosphate bonds; breaking off a phosphate (ATP → ADP) releases energy to power cellular work, and reattaching one stores energy. Cells constantly recycle ATP, coupling energy-releasing reactions to energy-requiring ones.
Life and the laws of thermodynamics
A living cell is highly ordered, and that order is often mistaken for a violation of physics. It is not.
The first law 热力学第一定律 says energy is conserved: it changes form but is never created or destroyed. A cell does not make energy — it transforms the chemical energy of glucose, or the light energy of the Sun, into the chemical energy of ATP.
The second law 热力学第二定律 says that in any energy transfer, some energy is lost as heat and the entropy 熵 of the universe increases. A cell builds order inside itself, but only by releasing more disorder to its surroundings, mostly as heat.
So life requires a constant input of free energy 自由能 from outside. This is why an organism cut off from its energy source dies: maintaining order is not free, and the moment the input stops, the ordered system runs down.
Русский
АТФ (аденозинтрифосфат) — это энергетическая валюта клетки. Энергия хранится в его фосфатных связях; отщепление одной фосфатной группы (АТФ → АДФ) выделяет энергию для выполнения клеточной работы, а присоединение новой запасает энергию. Клетки постоянно рециклируют АТФ, сопрягая энерговыделяющие реакции с энергозатратными.
Цикл АТФ-АДФ запасает и выделяет энергию
Жизнь и законы термодинамики
Живая клетка высоко упорядочена, и эту упорядоченность часто ошибочно принимают за нарушение законов физики. Это не так.
Первый закон гласит, что энергия сохраняется: она меняет форму, но не создаётся и не уничтожается. Клетка не производит энергию — она преобразует химическую энергию глюкозы или световую энергию Солнца в химическую энергию АТФ.
Второй закон гласит, что при любом передаче энергии часть энергии теряется в виде тепла, а энтропия вселенной увеличивается. Клетка создаёт порядок внутри себя, но лишь ценой выброса большего беспорядка во внешнюю среду, преимущественно в виде тепла.
Таким образом, жизнь требует постоянного притока свободной энергии извне. Именно поэтому организм, отрезанный от источника энергии, погибает: поддержание порядка недешёво, и как только приток прекращается, упорядоченная система приходит в негодность.
3.4
Photosynthesis · Фотосинтез
Syllabus · Программа
English
Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.
Learning Objective 3.4.A: Describe the photosynthetic processes and structural features of the chloroplast that allow organisms to capture and store energy.
3.4.A.1 Photosynthesis is the series of reactions that use carbon dioxide $(\mathrm{CO_2})$, water $(\mathrm{H_2O})$, and light energy to make carbohydrates and oxygen $(\mathrm{O_2})$.
i. Photosynthetic organisms capture energy from the sun and produce sugars that can be used in biological processes or stored.
ii. Photosynthesis first evolved in prokaryotic organisms.
iii. Scientific evidence supports the claim that prokaryotic (cyanobacterial) photosynthesis was responsible for the production of an oxygenated atmosphere.
iv. Prokaryotic photosynthetic pathways were the foundation of eukaryotic photosynthesis.
Exclusion statement: Memorization of the steps in the Calvin cycle, the structure of the molecules, and the names of the enzymes involved, with the exception of ATP synthase, is beyond the scope of the AP Exam.
3.4.A.2 Stroma and thylakoids are found within the chloroplast.
i. The stroma is the fluid within the inner chloroplast membrane and outside the thylakoid. The carbon fixation (Calvin cycle) reactions of photosynthesis occur in the stroma.
ii. The thylakoid membranes contain chlorophyll pigments organized into two photosystems, as well as electron transport proteins.
iii. Thylakoids are organized in stacks called grana. The light reactions of photosynthesis occur in the grana.
3.4.A.3 The light reactions of photosynthesis in eukaryotes involve a series of coordinated reaction pathways that capture energy present in light to yield ATP and NADPH, which power the production of organic molecules in the Calvin cycle. This provides energy for metabolic processes.
Learning Objective 3.4.B: Explain how cells capture energy from light and transfer it to biological molecules for storage and use.
3.4.B.1 Electron transport chain (ETC) reactions occur in chloroplasts, in mitochondria, and across prokaryotic plasma membranes. In photosynthesis, electrons that pass through the thylakoid membrane are picked up and ultimately transferred to $\mathrm{NADP^+}$ reducing it to NADPH in photosystem I.
Exclusion statement: The full names of the specific electron carriers in the electron transport chain are beyond the scope of the AP Exam.
Exclusion statement: Specific steps, names of enzymes, and intermediates of the pathways for these processes are beyond the scope of this course and the AP Exam.
3.4.B.2 During photosynthesis, chlorophylls absorb energy from light, boosting electrons to a higher energy level in photosystems I and II. Water then splits, supplying electrons to replace those lost from photosystem II.
3.4.B.3 Photosystems I and II are embedded in the thylakoid membranes of chloroplasts and are connected by the transfer of electrons through an ETC.
3.4.B.4 When electrons are transferred between molecules in a series of oxidation/reduction reactions as they pass through the ETC, an electrochemical gradient of protons (hydrogen ions) is established across the thylakoid membrane. The membrane separates a region of low proton concentration outside the thylakoid membrane from a region of high proton concentration inside the thylakoid membrane.
3.4.B.5 The formation of the proton gradient is linked to the synthesis of ATP from ADP and inorganic phosphate via ATP synthase. The flow of protons back through membrane-bound ATP synthase by chemiosmosis drives the formation of ATP from ADP and inorganic phosphate; this is known as photophosphorylation.
3.4.B.6 The energy captured in the light reactions and transferred to ATP and NADPH powers the production of carbohydrates from carbon dioxide in the Calvin cycle. This occurs in the stroma of the chloroplast.
Русский
Большая идея 2 — Энергетика: Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.
Цель обучения 3.4.A: Описать фотосинтетические процессы и структурные особенности хлоропласта, которые позволяют организмам улавливать и запасать энергию.
3.4.A.1 Фотосинтез — это серия реакций, использующих углекислый газ $(\mathrm{CO_2})$, воду $(\mathrm{H_2O})$ и световую энергию для производства углеводов и кислорода $(\mathrm{O_2})$.
i. Фотосинтезирующие организмы улавливают энергию солнца и производят сахара, которые могут использоваться в биологических процессах или запасаться.
ii. Фотосинтез впервые возник у прокариотических организмов.
iii. Научные данные подтверждают утверждение о том, что фотосинтез прокариот (цианобактерий) был ответственным за образование кислородной атмосферы.
iv. Прокариотические фотосинтетические пути легли в основу эукариотического фотосинтеза.
Уточнение об исключении: Запоминание этапов цикла Кальвина, структуры молекул и названий вовлеченных ферментов, за исключением АТФ-синтазы, выходит за рамки экзамена AP.
3.4.A.2 Строма и тилакоиды находятся внутри хлоропласта.
i. Строма — это жидкость внутри внутренней мембраны хлоропласта и вне тилакоида. Реакции фиксации углерода (цикл Кальвина) фотосинтеза протекают в строме.
ii. Тилакоидные мембраны содержат пигменты хлорофилла, организованные в два фотосистемы, а также белки электронно-транспортной цепи.
iii. Тилакоиды организованы в стопки, называемые гранами. Световые реакции фотосинтеза протекают в гранах.
3.4.A.3 Световые реакции фотосинтеза у эукариот включают серию координированных реакционных путей, которые улавливают энергию света для получения АТФ и НАДФН, обеспечивающих синтез органических молекул в цикле Кальвина. Это обеспечивает энергию для метаболических процессов.
Цель обучения 3.4.B: Объяснить, как клетки улавливают энергию света и передают ее биологическим молекулам для хранения и использования.
3.4.B.1 Реакции электронно-транспортной цепи (ЭТЦ) происходят в хлоропластах, митохондриях и через плазматические мембраны прокариот. При фотосинтезе электроны, проходящие через тилакоидную мембрану, захватываются и в конечном итоге передаются $\mathrm{NADP^+}$, восстанавливая его до НАДФН в фотосистеме I.
Исключенное содержание: Полные названия конкретных переносчиков электронов в электронно-транспортной цепи выходят за рамки экзамена AP.
Исключенное содержание: Конкретные этапы, названия ферментов и промежуточные продукты путей этих процессов выходят за рамки данной программы и экзамена AP.
3.4.B.2 Во время фотосинтеза хлорофиллы поглощают энергию света, повышая уровень энергии электронов в фотосистемах I и II. Затем вода расщепляется, поставляя электроны для замещения тех, что были потеряны фотосистемой II.
3.4.B.3 Фотосистемы I и II встроены в тилакоидные мембраны хлоропластов и соединены переносом электронов через ЭТЦ.
3.4.B.4 Когда электроны передаются между молекулами в серии окислительно-восстановительных реакций при прохождении через ЭТЦ, поперек тилакоидной мембраны устанавливается электрохимический градиент протонов (ионов водорода). Мембрана отделяет область с низкой концентрацией протонов снаружи тилакоидной мембраны от области с высокой концентрацией протонов внутри тилакоидной мембраны.
3.4.B.5 Образование протонного градиента связано со синтезом АТФ из АДФ и неорганического фосфата посредством АТФ-синтазы. Поток протонов обратно через мембрано-связанную АТФ-синтазу благодаря хемиосмосу движет образование АТФ из АДФ и неорганического фосфата; это называется фотофосфорилированием.
3.4.B.6 Энергия, уловленная в световых реакциях и переданная АТФ и НАДФН, обеспечивает производство углеводов из углекислого газа в цикле Кальвина. Это происходит в строме хлоропласта.
Source: College Board AP Course and Exam Description · Источник: Описание курса и экзамена College Board AP
English
Photosynthesis 光合作用 captures light energy to build sugar from $\text{CO}_2$ and water, releasing $\text{O}_2$. It has two stages:
The light reactions (in the thylakoid membranes) use light to make ATP and NADPH and split water, releasing oxygen.
The Calvin cycle 卡尔文循环 (in the stroma) uses that ATP and NADPH to fix $\text{CO}_2$ into sugar.
So light energy becomes chemical energy stored in glucose.
Where the oxygen in the air came from
Photosynthesis did not only feed the first organisms; it changed the planet. Scientific evidence supports the claim that photosynthesis by prokaryotes 原核生物 — specifically cyanobacteria 蓝细菌 — produced the oxygen that built Earth's oxygenated atmosphere 含氧大气.
The evidence is physical: banded iron formations 条带状铁建造 in rocks about 2.4 billion years old record iron dissolved in the ocean being oxidised and precipitating out, which needs free oxygen. Before that event, called the Great Oxidation Event, the atmosphere held almost none.
Two consequences matter for the rest of the course. Free oxygen made aerobic respiration possible, which releases far more ATP per glucose than anaerobic pathways do. And it was lethal to much of the anaerobic life already present, so it counts as one of the largest extinction events in Earth's history — an early example of organisms changing their own environment.
Русский
Хлоропласты заполняют мезофилл растительных клеток — органоиды фотосинтеза
Фотосинтез улавливает световую энергию для синтеза сахара из $\text{CO}_2$ и воды, выделяя $\text{O}_2$. Он состоит из двух этапов:
Два этапа фотосинтеза связаны АТФ и НАДФН
Световые реакции (в тилакоидных мембранах) используют свет для синтеза АТФ и НАДФН и расщепления воды с выделением кислорода.
Цикл Кальвина (в строме) использует эти АТФ и НАДФН для фиксации $\text{CO}_2$ в сахар.
Таким образом, световая энергия превращается в химическую энергию, запасаемую в глюкозе.
Откуда взялся кислород в атмосфере
Фотосинтез не только обеспечивал питанием первые организмы; он изменил планету. Научные данные подтверждают, что фотосинтез у прокариот, в частности у цианобактерий, привёл к образованию кислорода, сформировавшего кислородную атмосферу Земли.
Доказательства носят физический характер: полосчатые железистые формации в породах возрастом 2.4 миллиардов лет фиксируют процесс окисления и осаждения железа, растворённого в океане, что требует наличия свободного кислорода. До этого события, известного как Большая кислородная катастрофа, атмосфера содержала практически его не имела.
Два следствия важны для дальнейшего изучения курса. Свободный кислород сделал возможным аэробное дыхание, которое высвобождает значительно больше АТФ на молекулу глюкозы по сравнению с анаэробными путями. Кроме того, он был смертелен для значительной части уже существовавшей анаэробной жизни, поэтому это событие считается одним из крупнейших массовых вымираний в истории Земли — ранним примером изменения организмами собственной среды обитания.
3.5
Cellular Respiration · Клеточное дыхание
Syllabus · Программа
English
Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.
Learning Objective 3.5.A: Describe the processes and structural features of mitochondria that allow organisms to use energy stored in biological macromolecules.
3.5.A.1 Cellular respiration uses energy from biological macromolecules to synthesize ATP. Respiration and fermentation are characteristic of all forms of life.
3.5.A.2 Aerobic cellular respiration in eukaryotes involves a series of coordinated enzyme-catalyzed reactions that capture energy from biological macromolecules.
3.5.A.3 The ETC transfers electrons in a series of oxidation-reduction reactions that establish an electrochemical gradient across membranes.
i. In cellular respiration, electrons delivered by NADH and $\mathrm{FADH_2}$ are passed to a series of electron acceptors as they move toward the terminal electron acceptor, oxygen. Aerobic prokaryotes use oxygen as a terminal electron acceptor, while anaerobic prokaryotes use other molecules.
ii. The transfer of electrons, through the ETC, is accompanied by the formation of a proton gradient across the inner mitochondrial membrane, with the membrane(s) separating a region of high proton concentration outside the membrane from a region of low proton concentration inside the membrane. The folding of the inner membrane increases the surface area, which allows for more ATP to be synthesized. In prokaryotes, the passage of electrons is accompanied by the movement of protons across the plasma membrane.
iii. The flow of protons back through membrane-bound ATP synthase by chemiosmosis drives the formation of ATP from ADP and inorganic phosphate. This is known as oxidative phosphorylation in aerobic cellular respiration.
iv. In aerobic cellular respiration, decoupling oxidative phosphorylation from electron transport generates heat. This heat can be used by endothermic organisms to regulate body temperature.
Exclusion statement: The full names of the specific electron carriers in the electron transport chain are beyond the scope of the AP Exam.
Exclusion statement: Specific steps, names of enzymes, and intermediates of the pathways for these processes are beyond the scope of this course and the AP Exam.
Learning Objective 3.5.B: Explain how cells obtain energy from biological macromolecules in order to power cellular functions.
3.5.B.1 Glycolysis is a biochemical pathway that releases the energy in glucose molecules to form ATP (from ADP and inorganic phosphate), NADH (from $\mathrm{NAD^+}$), and pyruvate.
3.5.B.2 Pyruvate is transported from the cytosol to the mitochondrion where oxidation occurs. This process releases electrons during the Krebs (citric acid) cycle, reducing $\mathrm{NAD^+}$ to NADH and FAD to $\mathrm{FADH_2}$, and releasing $\mathrm{CO_2}$.
3.5.B.3 The Krebs cycle takes place in the mitochondrial matrix. During the Krebs cycle, carbon dioxide is released from organic intermediates, ATP is synthesized from ADP and inorganic phosphate, and electrons are transferred by the coenzymes $\mathrm{NAD^+}$ and FAD.
3.5.B.4 Electrons extracted in glycolysis and Krebs cycle reactions are transferred by NADH and $\mathrm{FADH_2}$ to the ETC in the inner mitochondrial membrane.
3.5.B.5 When electrons are transferred between molecules in a sequence of reactions as they pass through the ETC, an electrochemical gradient of protons (hydrogen ions) across the inner mitochondrial membrane is established. The pH inside the mitochondrial matrix is higher than in the intermembrane space.
3.5.B.6 Fermentation allows glycolysis to proceed in the absence of oxygen and produces organic molecules such as alcohol and lactic acid.
Exclusion statement: Memorization of the steps in glycolysis and the Krebs cycle, and of the structures of the molecules and the names of the enzymes involved, is beyond the scope of this course and the AP Exam.
Русский
Большая идея 2 — Энергетика: Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.
Цель обучения 3.5.A: Описать процессы и структурные особенности митохондрий, позволяющие организмам использовать энергию, запасенную в биологических макромолекулах.
3.5.A.1 Клеточное дыхание использует энергию биологических макромолекул для синтеза АТФ. Дыхание и брожение характерны для всех форм жизни.
3.5.A.2 Аэробное клеточное дыхание у эукариот включает серию координированных ферментативно-катализируемых реакций, улавливающих энергию из биологических макромолекул.
3.5.A.3 ЭТЦ передает электроны в серии окислительно-восстановительных реакций, устанавливающих электрохимический градиент поперек мембран.
i. При клеточном дыхании электроны, доставляемые НАДН и $\mathrm{FADH_2}$, передаются серии акцепторов электронов по мере их движения к конечному акцептору электронов, кислороду. Аэробные прокариоты используют кислород в качестве конечного акцептора электронов, тогда как анаэробные прокариоты используют другие молекулы.
ii. Перенос электронов через ЭТЦ сопровождается образованием протонного градиента поперек внутренней мембраны митохондрии, при этом мембрана(ы) отделяют область с высокой концентрацией протонов снаружи мембраны от области с низкой концентрацией протонов внутри мембраны. Складки внутренней мембраны увеличивают площадь поверхности, что позволяет синтезировать больше АТФ. У прокариот перенос электронов сопровождается перемещением протонов через плазматическую мембрану.
iii. Поток протонов обратно через мембрано-связанную АТФ-синтазу благодаря хемиосмосу движет образование АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Это называется окислительным фосфорилированием при аэробном клеточном дыхании.
iv. При аэробном клеточном дыхании расщепление связи между окислительным фосфорилированием и переносом электронов выделяет тепло. Это тепло может использоваться эндотермными организмами для регуляции температуры тела.
Исключенное содержание: Полные названия конкретных переносчиков электронов в электронно-транспортной цепи выходят за рамки экзамена AP.
Исключенное содержание: Конкретные этапы, названия ферментов и промежуточные продукты путей этих процессов выходят за рамки данной программы и экзамена AP.
Цель обучения 3.5.B: Объяснить, как клетки получают энергию из биологических макромолекул для обеспечения клеточных функций.
3.5.B.1 Гликолиз — это биохимический путь, который высвобождает энергию из молекул глюкозы для образования АТФ (из АДФ и неорганического фосфата), НАДН (из $\mathrm{NAD^+}$) и пирувата.
3.5.B.2 Пировиноградная кислота переносится из цитоплазмы в митохондрию, где происходит её окисление. В ходе этого процесса в цикле Кребса (цикле лимонной кислоты) выделяются электроны, что приводит к восстановлению $\mathrm{NAD^+}$ до NADH и FAD до $\mathrm{FADH_2}$, а также высвобождению $\mathrm{CO_2}$.
3.5.B.3 Цикл Кребса протекает в матриксе митохондрии. Во время цикла Кребса из органических промежуточных продуктов выделяется углекислый газ, синтезируется АТФ из АДФ и неорганического фосфата, а электроны передаются коферментами $\mathrm{NAD^+}$ и FAD.
3.5.B.4 Электроны, извлечённые в реакциях гликолиза и цикла Кребса, передаются NADH и $\mathrm{FADH_2}$ в электрон-транспортную цепь (ЭТЦ), расположенную во внутренней мембране митохондрии.
3.5.B.5 При передаче электронов между молекулами в последовательности реакций при прохождении через ЭТЦ устанавливается электрохимический градиент протонов (ионов водорода) через внутреннюю мембрану митохондрии. Значение pH внутри матрикса митохондрии выше, чем в межмембранном пространстве.
3.5.B.6 Ферментация позволяет гликолизу протекать в отсутствие кислорода и приводит к образованию органических веществ, таких как алкоголь и молочная кислота.
Утверждение об исключении: Запоминание этапов гликолиза и цикла Кребса, а также структур молекул и названий вовлечённых в них ферментов, выходит за рамки данной программы и экзамена AP.
Source: College Board AP Course and Exam Description · Источник: Описание курса и экзамена College Board AP
English
Cellular respiration 细胞呼吸 releases the energy in glucose to make ATP, mostly using oxygen. Its stages:
Glycolysis 糖酵解 (in the cytoplasm) splits glucose, making a little ATP.
The Krebs cycle 克雷布斯循环 (mitochondrial matrix) releases $\text{CO}_2$ and loads electron carriers.
The electron transport chain 电子传递链 (inner membrane) uses those electrons to pump protons and make most of the ATP, with oxygen as the final electron acceptor.
Without oxygen, cells use fermentation 发酵 to keep glycolysis running, making far less ATP. Photosynthesis and respiration are complementary – the products of one are the reactants of the other.
Worked example. Aerobic respiration of one glucose nets about 2 ATP from glycolysis, 2 ATP from the Krebs cycle, and about 28 ATP from oxidative phosphorylation, for $\approx$32 ATP total. With no oxygen only glycolysis runs, so fermentation nets just 2 ATP per glucose — roughly 16 times less energy, which is why aerobic pathways dominate in oxygen-rich cells.
Русский
Электронная микроскопия митохондрии: складки внутренней мембраны (кристы) увеличивают поверхность для дыхания
Клеточное дыхание высвобождает энергию из глюкозы для синтеза АТФ, преимущественно с использованием кислорода. Его этапы:
Этапы аэробного дыхания и места их протекания в клетке
Гликолиз (в цитоплазме) расщепляет глюкозу, образуя немного АТФ.
Цикл Кребса (матрикс митохондрий) выделяет $\text{CO}_2$ и загружает переносчики электронов.
Электрон-транспортная цепь (внутренняя мембрана) использует эти электроны для перекачивания протонов и синтеза большей части АТФ, где кислород выступает конечным акцептором электронов.
Без кислорода клетки используют брожение для поддержания гликолиза, вырабатывая значительно меньше АТФ. Фотосинтез и дыхание являются взаимодополняющими процессами — продукты одного являются реагентами другого.
Разобранный пример. Аэробное дыхание одной молекулы глюкозы даёт чистый выход примерно 2 АТФ из гликолиза, 2 АТФ из цикла Кребса и около 28 АТФ из окислительного фосфорилирования, итого $\approx$32 АТФ. Без кислорода работает только гликолиз, поэтому брожение даёт всего 2 АТФ на глюкозу — примерно в 16 раз меньше энергии, именно поэтому аэробные пути доминируют в клетках, богатых кислородом.
3.5
Exam tips · Советы для экзамена
English
An enzyme lowers the activation energy and is not used up; its active site is specific to one substrate (lock and key).
Rate rises with temperature only up to the optimum — beyond it the enzyme denatures and the rate falls (unlike an ordinary reaction).
Know the ATP↔ADP cycle: breaking a phosphate releases energy to power the cell.
Write the overall equations: photosynthesis stores energy (builds glucose); respiration releases it (breaks glucose down) — they are opposites.
Match each stage to its location and whether it needs oxygen.
Русский
Фермент снижает энергию активации и не расходуется; его активный центр специфичен для одного субстрата (принцип «ключ-замок»).
Скорость реакции возрастает с повышением температуры лишь до оптимума — после этого фермент денатурирует, и скорость снижается (в отличие от обычной химической реакции).
Знать цикл АТФ↔АДФ: разрыв фосфатной связи выделяет энергию для работы клетки.
Записывать общие уравнения: фотосинтез запасает энергию (синтез глюкозы); дыхание высвобождает её (расщепление глюкозы) — они противоположны.
Сопоставить каждый этап с местом его протекания и необходимостью кислорода.
Interactive lessons on this topic · Интерактивные уроки по этой теме
Work through it step by step, with instant-check exercises. · Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · Выберите один, и сайт будет вести вас — конспекты, работы, видео и практика откроются там.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · Введите запрос для поиска заметок, уроков, кода, словаря и вопросов с реальных экзаменов по всем предметам.
