Энергетический обмен в клетке

Энергетический обмен — это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ. Синтезированная АТФ становится универсальным источником энергии для жизнедеятельности организмов.

Процессы расщепления органических соединений у аэробных организмов происходят в три этапа, каждый из которых сопровождается несколькими ферментативными реакциями. Участие ферментов снижает энергию активации химических реакций, благодаря чему энергия выделяется не сразу (как при зажигании спички), а постепенно.

Первый этап — подготовительный. В желудочно-кишечном тракте многоклеточных организмов он осуществляется пищеварительными ферментами. У одноклеточных — ферментами лизосом. На первом этапе происходит расщепление белков до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, полисахаридов до моносахаридов, нуклеиновых кислот до нуклеотидов. Этот процесс называют пищеварением.

Второй этап — бескислородный (гликолиз). Происходит в цитоплазме клеток. Главным источником энергии в клетке является глюкоза. Ее бескислородное расщепление называют анаэробным гликолизом. Он состоит из ряда последовательных реакций по превращению глюкозы в лактат. Его присутствие в мышцах хорошо известно уставшим спортсменам.

В ходе гликолиза образуется большое количество энергии, часть которой рассеивается в виде тепла, а часть используется на синтез АТФ.

Суммарное уравнение реакций гликолиза выглядит следующим образом:

Молекула С3Н4О3 — пировиноградная кислота, или пиру-ват, может восстанавливаться до этилового спирта при спиртовом брожении у дрожжей или в клетке растений, а может превращаться в лактат, как это происходит у некоторых бактерий или в мышцах животных.

СН3СОСООН + НАДН -> С3Н6O3 + НАД + лактат.

Третий этап — кислородный, состоящий из цикла Кребса и окислительного фосфорилирования. Он стал возможным после накопления в атмосфере достаточного количества молекулярного кислорода. Происходит в митохондриях клеток.

Рис. 13. Схема синтеза АТФ в митохондриях

Пировиноградная кислота (ПВК), попав в митохондрии, взаимодействует с коферментом А (КоА). В результате образуется ацетилкофермент А, который включается в цикл Кребса, названный по имени нобелевского лауреата Ганса Кребса.

Суммарная реакция гликолиза и цикла Кребса:

C6H12O6 + 6Н2O 6СO2 + 4АТФ + 8НАДН2 + 2НАДФН2 + + 2ФАДН2.

Большая часть энергии сберегается в переносчиках электронов — НАД и ФАД. Энергия молекул-переносчиков используется в следующей стадии — стадии окислительного фосфорилирования.

Окислительное фосфорилирование (клеточное дыхание) происходит на внутренних мембранах митохондрий, в кото-рые встроены молекулы — переносчики электронов. В ходе »той стадии освобождается большая часть метаболической энергии. Молекулы-переносчики транспортируют электроны к молекулярному кислороду. Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть расходуется на образование АТФ.

АТФ образуется в результате работы протонной помпы, протаскивающей протоны Н+ через канал АТФ-азы на внутреннюю поверхность мембраны. Протоны, взаимодействуя с кислородом, образуют воду, а энергия протонов используется для фосфорилирования АДФ в АТФ.

Реакции в дыхательной цепи:

НАД(Ф)Н2+ O2 НАД(Ф) + Н2O + ЗАТФ;

ФАДН2 + O2 -> ФАД + Н2O = 2АТФ.

Суммарная реакция энергетического обмена:

С6Н12О6 + 6O2 6СO2 + 6Н2O + 38АТФ.