Энергетический обмен в клетке

Для нормального существования живого организма необходим постоянный обмен веществами, между живым организмом и окружающей средой. Пища как известно строительный и энергетический материал.

Из поступивших в клетку компонентов пищи, то есть белков жиров и углеводов под действием биологических катализаторов-ферментов, синтезируются новые молекулы. Возобновляются разрушенные белки, строятся клетки, бегут по нервам импульсы, сокращаются мышцы, работают все системы органов. Для их работы требуется энергия.

То есть поступившие вещества расщепляются до более простых, а затем из них строятся сложные высокомолекулярные соединения (белки, нуклеиновые кислоты, липиды, полисахариды и другие), те вещества, которые необходимы какому-то органу или системе организма.

Все реакции синтеза органических веществ называются ассимиляцией или пластическим обменом. Эти процессы идут с затратой энергии.

В ходе ассимиляции простые вещества, превращаются в сложные.

Вот растения, например, миллионы лет тому назад научились улавливать лучи света и тем самым напрямую используют солнечную энергию.

А у животных и человека энергия извлекается при расщеплении сложных высокомолекулярных соединений, тех, которые образовались в процессе ассимиляции.

Так наряду с процессами биосинтеза новых веществ идут процессы распада (диссимиляции) запасённых при ассимиляции сложных органических веществ.

Данные вещества расщепляются до более простых, при этом высвобождается энергия.

Итак, совокупность всех этих реакций распада, которые сопровождаются выделением энергии носит название энергетического обмена или диссимиляции. Эти выражения слова синонимы.

Итак, образование новых веществ называют ассимиляцией, а распад образовавшихся при ассимиляции высокомолекулярных веществ с образованием энергии называют диссимиляцией. Данные процессы взаимосвязаны и зависят друг от друга.

Рассмотрим процесс энергетического обмена. Когда высокомолекулярные вещества расщепляются до более простых с выделением энергии.

Образовавшаяся при распаде сложных веществ энергия запасается в виде АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты).

Аденозинтрифосфорная кислота — это нуклеотид…который содержит, азотистое основание аденин, углевод рибозу, и 3 остатка фосфорной кислоты. При разрыве фосфатных связей энергия высвобождается.

Продолжительность жизни АТФ меньше минуты так как АТФ – это неустойчивая структура. Её фосфорные остатки постоянно отщепляются и присоединяются, отдавая организму энергию.

При отделении одного остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в аденозин дифосфат (АДФ). И высвобождается 40 кДж энергии.

А если отделяется ещё один остаток, то АДФ переходит в аденозинмонофосфат (АМФ).

Чаще всего в организме происходит отщепление только одного фосфорного остатка так это наиболее выгодный вариант. АТФ универсальный источник энергии для всех реакций, протекающих в клетке.

Если представить молекулу АТФ как аккумулятор, то при отщеплении фосфорных остатков от АТФ высвобождается энергия и аккумулятор разряжается.

А как же его зарядить? У растений он заряжается при помощи процессов дыхания и фотосинтеза. А у животных и человека при дыхании и гликолизе.

Рассмотрим подробнее как же происходит зарядка «аккумулятора» АТФ.

Источником энергии у всех организмов как мы уже сказали являются сложные органические вещества. А вот извлечь данную энергию достаточно сложно и эти процессы у организмов проходят в несколько этапов.

Этот процесс у аэробов проходит в три этапа: подготовительный, бескислородный, кислородный.

В организмах, которые обитают в бескислородной среде и не нуждаются в кислороде для энергетического обмена – анаэробах, при недостатке кислорода энергетический обмен проходит в два этапа: подготовительный и бескислородный.

Этапы энергетического обмена

Первый этап подготовительный.

У человека и животных он проходит в органах пищеварения, а у одноклеточных организмов в фагосомах клеток. Сложные органические соединения расщепляются с помощью ферментов до более простых белки – до аминокислот, полисахариды распадаются на ди- и моносахариды, а липиды (жиры) расщепляются до глицерина и жирных кислот.

Главным источником энергии в клетке является глюкоза.

Большинство клеток в первую очередь используют углеводы, а жиры остаются в первом резерве и используются по окончанию запаса углеводов.

Хотя есть и исключения: например, в клетках скелетных мышц при наличии жирных кислот и глюкозы предпочтение отдаётся жирным кислотам. Белки расходуются в последнюю очередь, когда запас углеводов и жиров будет исчерпан – например при длительном голодании.

Рассмотрим этапы энергетического обмена на примере глюкозы.

Итак, в органах пищеварения крахмал постепенно расщепляется до глюкозы.

В процессе этого расщепления высвобождается не очень много энергии, около 5 кДж и она рассеивается в виде тепла. Это именно то тепло которое мы ощущаем после приёма пищи.

На данном этапе АТФ не образуется. То есть заряда нашего аккумулятора (запаса энергии) не происходит.  

Образовавшаяся глюкоза поступает в клетки и тут начинается второй этап энергетического обмена.

Этот этап идёт без участия кислорода его называют гликолизом (гликос от греческого –сладкий, лизис расщепление) – то есть этап расщепления глюкозы.

Гликолиз происходит в цитоплазме клеток.  

Затем каждая молекула глюкозы расщепляется на 2 молекулы пировиноградной кислоты.

Пировиноградная кислота — является конечным продуктом метаболизма глюкозы в процессе гликолиза.

Которая во многих клетках превращается в молочную кислоту.

На данном этапе выделяется уже 200 кДж на каждую молекулу глюкозы. Из них 80 кДж сберегается (по 40 кДж на 1 АТФ). Вы помните, что для того что бы превратить АДФ в АТФ необходимо затратить 40 кДж. Поэтому 80 кДж достаточно для превращения двух молекул АДФ в 2 молекулы АТФ. А 120 кДж образовавшийся при расщеплении глюкозы рассеивается в виде тепла. В итоге на втором этапе энергетического обмена наша батарея заряжается на 2 АТФ.

Благодаря многостадийности гликолиза выделяющиеся небольшие порции тепла не успевают нагреть клетку до опасного уровня.

У некоторых грибов (дрожжей например) второй этап энергетического обмена представлен спиртовым брожением.

При спиртовом брожении у дрожжей образуется этиловый спирт, углекислый газ, вода и так же 2 молекулы АТФ.

Все продукты брожения широко используются в практической деятельности человека, например, кисломолочные бактерии сбраживают молекулу глюкозы до молочной кислоты. Так получаются кисломолочные продукты.

У человека, например, во время интенсивных физических нагрузок, пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту, где также образуется только 2 АТФ.

То есть интенсивно работающие мышцы берут энергию не за счёт процессов дыхания. А за счёт процессов гликолиза.

Во время интенсивных физических нагрузок уровень поступления молочной кислоты превышает уровень её удаления, она накапливается в тканях и вызывает жжение.

При отдыхе и умеренной нагрузке организм предпочитает расщеплять жиры для получения энергии.

При нагрузках в 50 % от максимума организм перестраивается на преимущественное потребление углеводов. Чем больше углеводов вы используете в качестве топлива, тем больше производство молочной кислоты.

Существует распространённый миф о молочной кислоте. Многие считают, что боль в мышцах после тренировок возникает в результате накопления большого количества молочной кислоты. Это не так, поскольку большая часть молочной кислоты выводится из мышц сразу после тяжёлого упражнения, а остатки в течение часа после тренировки. Она вызывает небольшое жжение во время самой тренировки. А болевые ощущения, которые возникают на следующий день, связаны с мышечными микротравмами, получаемыми во время работы. Чем интенсивнее работа, тем больше повреждения, тем сильнее будут болеть мышцы во время восстановления.

Также современные исследования говорят о том, что молочная кислота полезна для роста мышц. Она вызывает расширение сосудов, улучшая кровоток, и позволяя лучше транспортировать кислород.

Итак, мы остановились на втором этапе энергетического обмена –бескислородном расщеплении глюкозы до 2х молекул пировиноградной кислоты, который проходи в цитоплазме клеток.  

Если кислорода в организме достаточно, то пировиноградная кислота поступает в митохондрии.

Начинается третий этап энергетического обмена – который называется клеточным дыханием. Он проходит на кристах митохондрий.

Главной функцией митохондрий является захват богатых энергией субстратов (жирных кислот, углеродного скелета аминокислот и других высокомолекулярных веществ) из цитоплазмы и их окислительное расщепление с образованием углекислого газа и воды, связанное с синтезом АТФ.

Здесь на кристах митохондрий пировиноградная кислота превращается в ацетил-кофермент А. Сокращённо ацетил-КоА ─ это важное соединение в обмене веществ, используемое во многих биохимических реакциях.

Его главная функция — доставлять атомы углерода с ацетил-группой в цикл трикарбоновых кислот (или цикл Кребса), чтобы те были окислены с выделением энергии.

То есть ацетил Коа является основным субстратом, который необходим для реакций цикла трикарбоновых кислот – цикла Кребса. Данный цикл проходит внутри митохондрий.

Это очень сложный ряд последующих реакций. Цикл трикарбоновых кислот — ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме. Он является промежуточным этапом между гликолизом и электронтранспортной (дыхательной) цепью.

В ходе цикла Кребса ацетильные остатки (остатки кофермента А) окисляются до углекислого газа.

При этом за один цикл образуется 2 молекулы углекислого газа, 3 НАДН, 1 ФАДН2 (ФАД аш 2) и 1 ГТФ (или АТФ).

Итак, в процессе гликолиза и Цикла Кребса образуются необходимые молекулы (НАДН).

НАДН переносят водороды из одной реакции в другую. НАД+ забирает водород и восстанавливается, а НАДН отдаёт и окисляется.

Водороды, находящиеся на НАДН и ФАДН2, в дальнейшем переносятся на дыхательную цепь, где образуется АТФ.

Итак, на мембране митохондрии атомы водорода, полученные от НАДН и ФАД, разделяются на протоны и электроны. Электроны начинают проходить через комплексы 1,2,3,4. Это белки, которые встроены в мембрану.

А протоны водорода переносятся через комплексы и накапливаются в межмембранном пространстве.

В результате чего и образуется градиент концентрации протонов необходимый для синтеза молекулы АТФ.

Вы помните, что протоны при прохождении через АТФ-синтазу помогают образованию самой АТФ.

Синтез АТФ рассматривали при изучении строении митохондрий.

На втором этапе энергетического обмена при гликолизе (бескислородном процессе) 1 молекула глюкозы расщепляется на 2 молекулы пировиноградной кислоты и образуется только 2 АТФ.

А на третьем этапе в митохондриях при клеточном дыхании (кислородном процессе) 2 молекулы пировиноградной кислоты окисляются до углекислого газа, воды и 36 молекул АТФ.

При полном расщеплении 1 молекулы глюкозы в итоге образуется 38 молекул АТФ в случае с растениями, а в случае с животными 36 молекул АТФ и 2 ГТФ.