Энергетический обмен

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

Структурная формула пировиноградной кислоты (С3Н4О3)

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⁺

В клетках животных и у некоторых микроорганизмов при недостатке кислорода пируват может восстанавливаться до лактата; этот процесс называют молочнокислым брожением:

С₃Н₄О₃ + НАД·Н₂ → С₃Н₆О₃ + НАД⁺

Структурная формула молочной кислоты (С3Н6О3)

Часть энергии глюкозы при гликолизе запасается в форме двух молекул АТФ и восстановленного НАДН, а значительная часть энергии остается в молекулах пирувата и может быть использована на последующих этапах клеточного дыхания.

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.

Суммарную химическую реакцию аэробного окисления глюкозы можно записать как С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О. В клетках эукариот из одной молекулы глюкозы обычно получают около 30–32 молекул АТФ; точный выход зависит от условий и способа переноса восстановительных эквивалентов в митохондрии.

(тепловая энергия)

Биохимические процессы в клетках регулируются множеством факторов, а скорость многих реакций определяется работой ферментов. В регуляции обмена веществ также участвуют гормоны и витамины. Важно понимать разницу между этими веществами.

Ферменты — это вещества, синтезирующиеся в организме и ускоряющие биохимические реакции, проходящие в организме.

Гормоны — сигнальные вещества, вырабатываемые эндокринными клетками и тканями и регулирующие деятельность клеток-мишеней и органов.

Витамины — органические вещества, необходимые организму в небольших количествах для нормального обмена веществ; большинство из них человек получает с пищей, хотя некоторые могут частично образовываться в организме или микробиотой.