Энергетический обмен (он же — катаболизм или диссимиляция) представляет собой совокупность реакций расщепления органических веществ в клетках, сопровождающихся выделением энергии. Энергия, освобождающаяся при расщеплении органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме АТФ и других высокоэнергетических соединений.
У аэробных организмов, живущих в кислородной среде, выделяют три этапа энергетического обмена: подготовительный, бескислородное окисление и кислородное окисление. У анаэробных организмов, живущих в бескислородной среде, так же, как и у аэробных при недостатке кислорода, третий этап отсутствует.
Подготовительный этап энергетического обмена заключается в ферментативном расщеплении сложных органических веществ (полимеров) до простых (мономеров). Белковые молекулы расщепляются до аминокислот, жиры — до глицерина и карбоновых кислот, углеводы — до глюкозы, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. Этот процесс осуществляется пищеварительными ферментами желудочно-кишечного тракта и ферментами клеточных лизосом. Подготовительный этап энергетически нерезультативен для организма, поскольку вся энергия, высвобождающаяся при расщеплении сложных органических веществ до простых, не усваивается организмом, а рассеивается в виде тепла. Значение подготовительного этапа заключается в подготовке материала для получения энергии — небольших органических молекул, а не в получении энергии как таковой.
Этап бескислородного окисления называют также этапом гликолиза (расщепления глюкозы), поскольку глюкоза является главным источником энергии в клетке.
Вспомним из химии, что потеря электронов называется окислением, а приобретение — восстановлением, при этом донор, отдающий электроны, окисляется, а акцептор, принимающий их, восстанавливается.
Гликолиз — это сложный многоступенчатый процесс, включающий в себя десять реакций. Во время этого процесса происходит дегидрирование глюкозы, которая в результате ряда ферментативных реакций превращается в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), при этом суммарно образуются 2 молекулы АТФ и восстановленная форма переносчика водорода НАД·Н2 (никотинамидадениндинуклеотид):
С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 + 2НАД+ → 2С3Н4О3 + 2АТФ + 2Н2О + 2НАД·Н2
Дальнейшие превращения пировиноградной кислоты зависят от присутствия в клетке кислорода. Если кислорода нет, у дрожжей и растений происходит спиртовое брожение, при котором сначала происходит образование уксусного альдегида (СН3СОН), а затем этилового спирта (С2Н5ОН): С3Н4О3 → СО2 + СН3СОН,
СН3СОН + НАД·Н2 → С2Н5ОН + НАД+
У животных и некоторых бактерий при недостатке кислорода происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:
С3Н4О3 + НАД·Н2 → С3Н6О3 + НАД+
В результате гликолиза одной молекулы глюкозы высвобождается 200 кДж, из которых 120 кДж рассеивается в виде тепла, а 80 кДж запасается в связях АТФ.
Третий этап энергетического обмена — кислородное окисление или дыхание заключается в полном расщеплении пировиноградной кислоты, которое происходит в митохондриях и при обязательном присутствии кислорода. Сначала происходит дегидрирование (отщепление водорода) и декарбоксилирование (отщепление углекислого газа) пировиноградной кислоты с образованием двухуглеродной ацетильной группы, которая вступает в цикл реакций, получивших название реакций цикла Кребса. Суть этих реакций состоит в дальнейшем окислении продуктов до образования водорода и углекислого газа с использованием выделившейся при этом энергии для синтеза АТФ. В общем виде этот процесс выглядит так:
С6Н12О6 + 6Н2О → 6СО2 + 4АТФ + 12Н2
Последним этапом является окисление пар атомов водорода с участием кислорода до воды с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ.
Суммарная реакция расщепления глюкозы до углекислого газа и воды выглядит следующим образом: С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + 38АТФ + Qт
(тепловая энергия)
Все биохимические процессы в клеточных биосистемах при протекают при участии определенных регуляторов, которые обеспечивают нужное и быстрое течение процессов. Главными регуляторами большинства процессов клеточного синтеза являются ферменты. Им помогают витамины и гормоны. Важно понимать разницу между этими веществами.
Ферменты — это вещества, синтезирующиеся в организме и ускоряющие биохимические реакции, проходящие в организме.
Гормоны — вещества, выделяемые эндокринными железами (железами внутренней секреции) организма, которые стимулируют деятельность каких-либо органов.
Витамины — вещества, поступающие в организм извне (с пищей) и участвующие в процессах метаболизма.