Энергетический обмен
Энергетический обмен (диссимиляция) — совокупность ферментативных реакций в живом организме, направленных на расщепление сложных органических веществ (белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов), поступающих с пищей и запасённых в самом организме (крахмал, гликоген и пр.) до простых веществ с высвобождением энергии.
Условно энергетический обмен можно разделить на несколько этапов.
Первый этап — подготовительный , включающий в себя расщепление сложных веществ на простые молекулы.
Следующий этап — бескислородный , протекающий в цитоплазме клеток без участия кислорода.
Наиболее важным является кислородный этап . Он протекает в митохондриях и требует присутствия кислорода.
Подготовительный этап энергетического обмена заключается в расщеплении крупных молекул органических веществ на более мелкие.
Их распад происходит в различных частях желудочно-кишечного тракта. Внутри клеток органические вещества расщепляются при участии ферментов лизосом.
Выделяющаяся в результате подготовительного этапа энергия рассеивается в виде тепла, а образовавшиеся малые молекулы используются в качестве строительного материала.
Бескислородный этап энергетического обмена характеризуется ферментативным распадом органических веществ в анаэробных условиях.
Он идёт непосредственно в цитоплазме клетки.
Примерами бескислородных процессов служат гликолиз и брожение .
В результате бескислородного этапа энергетического обмена организмы получают энергию, необходимую для жизнедеятельности; 40% энергии расходуется на синтез АТФ, остальное расходуется в виде теплоты.
Кислородное расщепление (кислородный этап) — этап энергетического обмена, во время которого происходит полное окисление продуктов бескислородного этапа до углекислого газа и воды с выделением энергии и её аккумулированием в молекулах АТФ.
Так, при окислении двух молекул молочной кислоты образуется 36 молекул АТФ. Часть молекул расходуется на сами процессы окисления, а 21 молекула АТФ передается в цитоплазму для обеспечения работы других клеточных структур.
2C 3 H 6 O 3 + 6O 2 + 36H 3 PO 4 + 36АДФ => 6CO 2 + 6H 2 O + 36АТФ
Кислородное расщепление идёт на внутренней мембране митохондрий и в матриксе под действием многочисленных ферментов крист.
Молекула АТФ (аденозинтрифосфорная кислота ) является универсальным переносчиком и основным аккумулятором химической энергии в клетке. Она представляет собой нуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты. В организме АТФ синтезируется из АДФ и неорганического фосфата:
АДФ + H 3 PO 4 + энергия → АТФ + H 2 O.
Малые размеры молекул позволяют им легко диффундировать в различные участки клетки, где необходимо обеспечить энергией процессы жизнедеятельности.
В организме АТФ является одним из самых часто обновляемых веществ — так у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин. В течение суток одна молекула АТФ проходит в среднем 2 000 — 3 000 циклов ресинтеза (около 40 кг АТФ в день). Таким образом, запаса АТФ в организме практически не создаётся, и для нормальной жизнедеятельности необходимо постоянно синтезировать новые молекулы.
Первичным источником энергии в живых организмах является Солнце. Энергия, приносимая световыми квантами (фотонами), поглощается пигментом хлорофиллом, содержащимся в хлоропластах зеленых листьев, и накапливается в виде химической энергии в различных питательных веществах.
Все клетки и организмы можно разделить на два основных класса в зависимости от того, каким источником энергии они пользуются. У первых, называемых аутотрофными (зеленые растения), СО 2 и Н 2 О превращаются в процессе фотосинтеза в элементарные органические молекулы глюкозы, из которых и строятся затем более сложные молекулы.
Клетки второго класса, называемые гетеротрофными (животные клетки), получают энергию из различных питательных веществ (углеводов, жиров и белков), синтезируемых аутотрофными организмами. Энергия, содержащаяся в этих органических молекулах, освобождается главным образом в результате соединения их с кислородом воздуха (т.е. окисления) в процессе, называемом аэробным дыханием. Этот энергетический цикл у гетеротрофных организмов завершается выделением СО 2 и Н 2 О.
Клеточное дыхание - это окисление органических веществ, приводящее к получению химической энергии (АТФ). Большинство клеток использует в первую очередь углеводы. Полисахариды вовлекаются в процесс дыхания лишь после того, как они будут гидролизованы до моносхаридов: крахмал, глюкоза (у растений), гликоген (у животных).
Жиры составляют «первый резерв» и пускаются в дело главным образом тогда, когда запас углеводов исчерпан. Однако в клетках скелетных мышц при наличии глюкозы и жирных кислот предпочтение отдается жирным кислотам. Поскольку белки выполняют ряд других важных функций, они используются лишь после того, как будут израсходованы все запасы углеводов и жиров, например, при длительном голодании.
Этапы энергетического обмена: Единый процесс энергетического обмена можно условно разделить на три последовательных этапа:
Первый из них - подготовительный . На этом этапе высокомолекулярные органические вещества в цитоплазме под действием соответствующих ферментов расщепляются на мелкие молекулы: белки - на аминокислоты, полисахариды (крахмал, гликоген) - на моносахариды (глюкозу), жиры - на глицерин и жирные кислоты, нуклеиновые кислоты - на нуклеотиды и т.д. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде тепла.
Белки + Н 2 О=аминокислота + тепло (рассеивается)
Жиры + Н 2 О = глицерин + жирные кислоты + тепло
Полисахариды + Н 2 О = глюкоза + тепло
Второй этап - бескислородный, или неполный. Образовавшиеся на подготовительном этапе вещества - глюкоза, аминокислоты и др. - подвергаются дальнейшему ферментативному распаду без доступа кислорода. Примером может служить ферментативное окисление глюкозы (гликолиз), которая является одним из основных источников энергии для всех живых клеток. Гликолиз - многоступенчатый процесс расщепления глюкозы в анаэробных (бескислородных) условиях до пировиноградной кислоты (ПВК), а затем до молочной, уксусной, масляной кислот или этилового спирта, происходящий в цитоплазме клетки. Глюкоза под воздействием ферментов расщепляется до двух молекул С 3 Н 6 О 3 с выделением энергии.60% этой энергии рассеивается в виде тепла, 40% в виде АТФ.
Переносчиком электронов и протонов в этих окислительно-восстановительных реакциях служит никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и его восстановленная форма НАД *Н. Продуктами гликолиза являются пировиноградная кислота, водород в форме НАД Н и энергия в форме АТФ.
При разных видах брожения дальнейшая судьба продуктов гликолиза различна. В клетках животных и многочисленных бактерий ПВК восстанавливается до молочной кислоты. Известное всем молочнокислое брожение (при списании молока, образовании сметаны, кефира и т.д.) вызывается молочнокислыми грибками и бактериями.
При спиртовом брожении продуктами гликолиза являются этиловый спирт и СО 2 . У других микроорганизмов продуктами брожения могут быть бутиловый спирт, ацетон, уксусная кислота и т.д.
В ходе бескислородного расщепления часть выделяемой энергии рассеивается в виде тепла, а часть аккумулируется в молекулах АТФ.
Третий этап энергетического обмена - стадия кислородного расщепления, или аэробного дыхания, происходит в митохондриях. На этом этапе в процессе окисления важную роль играют ферменты, способные переносить электроны. Структуры, обеспечивающие прохождение третьего этапа, называют цепью переноса электронов. В цепь переноса электронов поступают молекулы - носители энергии, которые получили энергетический заряд на втором этапе окисления глюкозы. Электроны от молекул - носителей энергии, как по ступеням, перемещаются по звеньям цепи с более высокого энергетического уровня на менее высокий. Освобождающаяся энергия расходуется на зарядку молекул АТФ. Электроны молекул - носителей энергии, отдавшие энергию на «зарядку» АТФ, соединяются в конечном итоге с кислородом. В результате этого образуется вода. В цепи переноса электронов кислород - конечный приемник электронов. Таким образом, кислород нужен всем живым существам в качестве конечного приемника электронов. Кислород обеспечивает разность потенциалов в цепи переноса электронов и как бы притягивает электроны с высоких энергетических уровней молекул - носителей энергии на свой низкоэнергетический уровень. По пути происходит синтез богатых энергией молекул АТФ. В итоге на кислородном этапе образуется 36 АТФ.
Энергетический обмен - это по-этапный распад сложных органических соединений, протекающий с выделением энергии, которая запасается в макроэргических связях молекул АТФ и используется потом в процессе жизнедеятельности клетки, в том числе на биосинтез, т.е. пластический обмен.
В аэробных организмах выделяют:
- Подготовительный - расщепление биополимеров до мономеров.
- Бескислородный - гликолиз - расщепление глюкозы до пировиноградной кислоты.
- Кислородный - расщепление пировиноградной кислоты до углекислого газа и воды.
Подготовительный этап
На подготовительном этапе энергетического обмена происходит расщепление поступивших с пищей органических соединений на более простые, обычно мономеры. Так углеводы расщепляются до сахаров, в том числе глюкозы; белки - до аминокислот; жиры - до глицерина и жирных кислот.
Хотя при этом выделяется энергия, она не запасается в АТФ и, следовательно, не может быть использована впоследствии. Энергия рассеивается в виде тепла.
Расщепление полимеров у многоклеточных сложноорганизованных животных протекает в пищеварительном тракте под действием выделяющихся сюда железами ферментов. Затем образовавшиеся мономеры всасываются в кровь в основном через кишечник. Уже кровью питательные вещества разносятся по клеткам.
При этом не все вещества разлагаются до мономеров в пищеварительной системе. Расщепление многих происходит непосредственно в клетках, в их лизосомах. У одноклеточных организмов поглощенные вещества попадают в пищеварительные вакуоли, где и перевариваются.
Образовавшиеся мономеры могут использоваться как для энергетического, так и пластического обмена. В первом случае они расщепляются, во-втором – из них синтезируются компоненты самих клеток.
Бескислородный этап энергетического обмена
Бескислородный этап протекает в цитоплазме клеток и в случае аэробных организмов включает только гликолиз - ферментативное многоступенчатое окисление глюкозы и ее расщепление до пировиноградной кислоты , которую также называют пируватом.
Молекула глюкозы включает шесть атомов углерода. При гликолизе она расщепляется до двух молекул пирувата, который включает три атома углерода. При этом отщепляется часть атомов водорода, которые передаются на кофермент НАД, который, в свою очередь, потом будет участвовать в кислородном этапе.
Часть выделяющейся при гликолизе энергии запасается в молекулах АТФ. На одну молекулу глюкозы синтезируется всего две молекулы АТФ.
Энергия, оставшаяся в пирувате, запасенная в НАД, у аэробов далее будет извлечена на следующем этапе энергетического обмена.
В анаэробных условиях, когда кислородный этап клеточного дыхания отсутствует, пируват «обезвреживается» в молочную кислоту или подвергается брожению. При этом энергия не запасается. Таким образом, здесь полезный энергетический выход обеспечивается только малоэффектвным гликолизом.
Кислородный этап
Кислородный этап протекает в митохондриях . В нем выделяют два подэтапа: цикл Кребса и окислительное фосфорилирование. Поступающий в клетки кислород используется только на втором. В цикле Кребса происходит образование и выделение углекислого газа.
Цикл Кребса протекает в матриксе митохондрий, осуществляется множеством ферментов. В него поступает не сама молекула пировиноградной кислоты (или жирной кислоты, аминокислоты), а отделившаяся от нее с помощью кофермента-А ацетильная группа, включающая два атома углерода бывшего пирувата. За многоступенчатый цикл Кребса происходит расщепление ацетильной группы до двух молекул CO 2 и атомов водорода. Водород соединяется с НАД и ФАД. Также происходит синтез молекулы ГДФ, приводящей к синтезу потом АТФ.
На одну молекулу глюкозы, из которой образуется два пирувата, приходится два цикла Кребса. Таким образом, образуется две молекулы АТФ. Если бы энергетический обмен заканчивался здесь, то суммарно расщепление молекулы глюкозы давало бы 4 молекулы АТФ (две от гликолиза).
Окислительное фосфорилирование протекает на кристах – выростах внутренней мембраны митохондрий. Его обеспечивает конвейер ферментов и коферментов, образующий так называемую дыхательную цепь, заканчивающуюся ферментом АТФ-синтетазой.
По дыхательной цепи происходит передача водорода и электронов, поступивших в нее от коферментов НАД и ФАД. Передача осуществляется таким образом, что протоны водорода накапливаются с внешней стороны внутренней мембраны митохондрий, а последние ферменты в цепи передают только электроны.
В конечном итоге электроны передаются молекулам кислорода, находящимся с внутренней стороны мембраны, в результате чего они заряжаются отрицательно. Возникает критический уровень градиента электрического потенциала, приводящий к перемещению протонов через каналы АТФ-синтетазы. Энергия движения протонов водорода используется для синтеза молекул АТФ, а сами протоны соединяются с анионами кислорода с образованием молекул воды.
Энергетический выход функционирования дыхательной цепи, выраженный в молекулах АТФ, велик и суммарно составляет от 32 до 34 молекул АТФ на одну исходную молекулу глюкозы.
Рассмотрим более подробно, каким образом живые организмы освобождают запасенную в сложных органических соединениях энергию. Человечество, например, как и живая клетка, постоянно нуждается в энергии. Для этого в большинстве случаев сжигается органическое топливо (газ, нефть, уголь). Запасенная в топливе химическая энергия превращается сначала в тепловую (энергия перегретого пара), затем в механическую (вращение турбин электростанций), и, наконец, в электрическую энергию, которая может передаваться по линиям электропередачи на значительные расстояния и использоваться в различных целях. Процесс горения органического топлива (например, газа метана) можно описать простым уравнением:
СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О + энергия (тепло)
Во-первых, живые клетки проводят реакцию окисления в несколько стадий, постепенно окисляя насыщенный углеводород до спирта, альдегида (или кетона), органической кислоты и, наконец, углекислого газа. Условно это можно проиллюстрировать следующей последовательностью превращений:
СН 4 --> CH 3 OH --> H 2 C=O --> HCOOH --> CO 2
В конечном итоге в этом процессе выделится столько же энергии (тепла), как и при простом сжигании метана, однако она будет выделяться порциями, по частям.
Отсюда видно, что наиболее богаты энергией те органические вещества, в которых углерод максимально восстановлен . В клетках это липиды с большим количеством насыщенных жирных кислот, полное "сжигание" которых дает максимальное количество энергии. Расщепление углеводов, относящихся к альдегидоспиртам или кетоспиртам, или аминокислот будет давать примерно вдвое меньше энергии, так как большинство углеродных атомов в молекулах этих соединений уже частично окислено.
Во-вторых, не вся освобождаемая в ходе таких реакций энергия рассеивается в виде тепла, так как живые клетки запасают часть выделяемой энергии в виде АТФ . Для этого реакция, протекающая с освобождением энергии, "сопрягается" с реакцией, протекающей с поглощением энергии – с образованием АТФ из АДФ и неорганического фосфата (Н 3 РО 4).
В-третьих, для получения энергии совершенно не обязательно окислять органические вещества полностью , т.е. до углекислого газа. Энергия будет выделяться и при окислении, например, спирта до карбоновой кислоты, хотя, конечно, ее количество будет меньше, чем при полном окислении.
В-четвертых, живые клетки могут осуществлять окисление органических веществ и в отсутствие кислорода . Условно это можно проиллюстрировать следующей последовательностью реакций:
СН 3 - СН 3 --> CH 2 =CH 2 + 2H + ,
CH 2 =CH 2 + H 2 O --> CH 3 -CH 2 OH,
CH 3 -CH 2 OH --> CH 3 -HC=O + 2H + ,
CH 3 -HC=O + H 2 O --> CH 3 -HC(OH) 2 ,
CH 3 -HC(OH) 2 --> CH 3 -COOH + 2H +
Итак, мы видим, как один из углеродных атомов в молекуле этана последовательно окисляется до спирта, альдегида и карбоновой кислоты. Последовательно "отрываемые" от этого углеродного атома пары атомов водорода, которые называют восстановительными эквивалентами , в клетках присоединяются к универсальным акцепторам атомов водорода – молекулам НАД + или ФАД (см. лекцию "Органические вещества. Липиды. Нуклеотиды"), восстанавливая их до НАДН или ФАДН 2 . Эти вещества могут использоваться в реакциях биосинтеза для восстановления органических соединений (показанные выше реакции протекают в обратную сторону), а в присутствии кислорода НАДН и ФАДН 2 окисляются в дыхательной цепи митохондрий с освобождением большого количества энергии, запасаемой в виде АТФ.
Помимо сжигания органического топлива, человечество для получения энергии использует гидроэлектростанции: вода, накопленная по одну сторону плотины, стекает вниз и вращает турбины, производя электроэнергию. Интересно отметить, что живые клетки научились использовать аналогичный принцип задолго до появления человека как биологического вида: окисление НАДН и ФАДН 2 в дыхательной цепи митохондрий сопровождается переносом через митохондриальную мембрану из матрикса в межмембранное пространство протонов и созданием на мембране значительного градиента их концентрации; мембрана при этом выступает в качестве плотины. Когда протоны "текут" внутрь митохондрий по градиенту концентрации через специальный канал в молекуле фермента АТФ-синтетазы, они "вращают" этот фермент (как вода турбину), что приводит к синтезу АТФ (см. ниже).
Итак, основу энергетического обмена в клетках составляют последовательно протекающие окислительно-восстановительные реакции. В цепи таких реакций в анаэробных условиях одни органические вещества окисляются (теряют атомы водорода), а другие (главным образом, НАД+ и ФАД) восстанавливаются (присоединяют атомы водорода). В аэробных условиях восстановленные НАДН и ФАДН 2 сами окисляются в митохондриях, отдавая электроны кислороду, который восстанавливается с образованием воды. Выделяемая при протекании этих реакций энергия частично рассеивается в виде тепла, а частично запасается в виде АТФ.
Основным источником энергии для живых организмов, в том числе и для человека, служат углеводы. Условно процесс их расщепления и окисления, сопровождающийся запасанием энергии в виде АТФ, можно разделить на три этапа: подготовительный, анаэробный (или бескислородный) и аэробный (или кислородный) . На подготовительном этапе сложные полисахариды расщепляются пищеварительными ферментами до мономеров (глюкозы). Дальнейшие превращения глюкозы происходят в процессе гликолиза.
Бескислородный этап энергетического обмена
Последовательные реакции гликолиза катализируются 11 ферментами, которые локализованы в гиалоплазме. Условно гликолиз можно разделить на 2 стадии: на первой стадии глюкоза с затратой АТФ превращается в глицеральдегидфосфат, а на второй в результате окислительно-восстановительных реакций образуются АТФ и молочная кислота. Накапливаемый в качестве промежуточного продукта гликолиза восстановленный НАДН окисляется при образовании молочной кислоты до НАД + , который снова возвращается в гликолиз. При наличии достаточного количества кислорода НАДН может окисляться в дыхательной цепи митохондрий. В таком случае гликолиз заканчивается на стадии образования не молочной, а пировиноградной кислоты (пирувата), которая вступает в цикл Кребса и полностью окисляется до СО 2 .
При распаде одной молекулы глюкозы затрачивается 2 и образуется 4 молекулы АТФ, т.е. суммарный энергетический выход гликолиза составляет 2 молекулы АТФ . Необходимая для этого энергия выделяется в результате внутримолекулярного окисления альдегидной группы до карбоксильной. В виде АТФ запасается около 30% выделяемой при этом энергии, что, однако, составляет только 5% энергии, которую можно получить при полном окислении глюкозы до СО 2 и Н 2 О. Таким образом, гликолиз энергетически менее выгоден, чем дыхание. В гликолиз включаются и другие гексозы (галактоза, фруктоза), пентозы и глицерин. Субстратом гликолиза у животных и грибов может быть гликоген (этот процесс называется гликогенолизом), а у растений – крахмал.
По механизму, аналогичному гликолизу, протекает процесс брожения у различных микроорганизмов. Поскольку живые организмы, по-видимому, впервые появились на Земле в то время, когда ее атмосфера была лишена кислорода, анаэробное брожение следует рассматривать как простейший биохимический механизм получения энергии из питательных веществ. Брожению подвергаются углеводы (гексозы, пентозы), спирты, органические кислоты и азотистые основания. В зависимости от типа брожения его продуктами могут быть спирты (этиловый и др.), органические кислоты (муравьиная, уксусная, молочная, пропионовая, масляная), ацетон, СО 2 , а в ряде случаев – молекулярный водород. По виду образуемых продуктов брожение подразделяют на спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое и т.д., что легло в основу названия ряда групп бактерий (молочнокислые, маслянокислые, пропионовокислые и т.д.). В процессе спиртового или молочнокислого брожения из одной молекулы глюкозы образуются по две молекулы пирувата, АТФ и НАДН. Поскольку НАДН необходимо окислить и вернуть в цикл брожения, пируват восстанавливается им до молочной кислоты (лактата) или этилового спирта.
Брожение играет важную роль в круговороте веществ в природе (анаэробная деградация целлюлозы и других органических веществ), а также широко применяется в практике. В течение многих веков спиртовое брожение используется в виноделии, пивоварении, выпечке хлеба (а в последнее время – при получении топлива); молочнокислое – для получения кисломолочных продуктов, при квашении капусты, солении огурцов, силосовании кормов для скота; пропионовокислое – в сыроделии; ацетонно-бутиловое – для получения растворителей и т.д.
Кислородный этап энергетического обмена
Следующим за гликолизом этапом энергетического обмена является клеточное дыхание , или биологическое окисление – кислородный этап окисления органических соединений. В широком смысле слова дыхание – это процесс поглощения кислорода (О 2) из окружающей среды и выделения углекислого газа (СО 2) живыми организмами, необходимый для поддержания внутриклеточных окислительных процессов, обеспечивающих энергетический обмен. Дыхание подразделяют на внешнее дыхание – газообмен между организмом и окружающей средой, и тканевое, или клеточное дыхание (биологическое окисление) – совокупность ферментативных окислительно-восстановительных реакций, в результате которых сложные органические вещества окисляются кислородом до СО 2 с освобождением энергии, запасаемой клетками в форме АТФ.
Клеточное дыхание у растений, животных и большинства аэробных микроорганизмов начинается с отщепления СО 2 (декарбоксилирования) от молекулы пировиноградной кислоты (пирувата), которая образуется в процессе гликолиза, т.е. гликолиз является необходимой подготовительной стадией клеточного дыхания при расщеплении углеводов. В результате этой реакции от пирувата отрывается СО 2 , а образовавшийся двухуглеродный остаток – радикал уксусной кислоты (ацетил-радикал) присоединяется к молекуле универсального переносчика углеводородных радикалов - кофермента А - с образованием ацетил-кофермента А (ацетил-КоА ). В результате этой реакции НАД + восстанавливается до НАДН. Ацетил-КоА и НАДН образуются и при окислении жирных кислот, которые также являются субстратами клеточного дыхания. Дальнейшее окисление ацетил-КоА происходит в цикле Кребса , а НАДН – в дыхательной цепи митохондрий . В цикл Кребса на различных стадиях могут вступать все аминокислоты. Таким образом, в этом цикле сходятся пути окисления углеводов, жиров и белков.
(называемый также цикл трикарбоновых кислот или цикл лимонной кислоты) – сложный многоступенчатый окислительно-восстановительный процесс, в результате которого остаток уксусной кислоты, получаемый от ацетил-КоА, полностью окисляется до двух молекул СО 2 с образованием трех молекул НАДН, одной молекулы ФАДН 2 и одной молекулы ГТФ. Все ферменты цикла Кребса, как и ферменты окисления жирных кислот, локализованы в матриксе митохондрий, а один фермент – сукцинатдегидрогеназа – находится во внутренней митохондриальной мембране.
На первой стадии цикла Кребса остаток уксусной кислоты передается от ацетил-КоА на молекулу щавелевоуксусной кислоты (оксалоацетата) с образованием лимонной кислоты (цитрата), которая через промежуточную реакцию образования цис-аконитовой кислоты превращается в изолимонную кислоту (изоцитрат). От изолимонной кислоты отщепляется СО 2 и 2 атома Н + , в результате чего образуется молекула НАДН и a-кетоглутаровая кислота (a-кетоглутарат), которая взаимодействует с молекулой кофермента А. При этом отщепляется вторая молекула СО 2 и образуется еще одна молекула НАДН и богатое энергией соединение сукцинил-КоА, которое расщепляется с образованием свободной янтарной кислоты (сукцината), что сопровождается синтезом ГТФ из ГДФ и Ф н. Янтарная кислота окисляется до фумаровой (фумарата) с образованием ФАДН 2 , фумаровая кислота с присоединением воды превращается в яблочную (малат), а яблочная кислота окисляется до щавелевоуксусной (оксалоацетата) с образованием НАДН. На этой стадии цикл Кребса замыкается, т.е. оксалоацетат может снова вступать в цикл и конденсироваться со следующим остатком уксусной кислоты с образованием цитрата.
Таким образом, суммарную реакцию цикла Кребса можно описать следующим уравнением:
Ацетил-КоА +3НАД + + ФАД + ГДФ + Ф н +3Н 2 О --> 2СО 2 + 3НАДН + 3Н + + ФАДН 2 + ГТФ + КоА
Освобождаемая при окислении ацетил-КоА энергия запасается в виде одной молекулы ГТФ (которая может превращаться в АТФ) и четырех молекул восстановительных эквивалентов (3 молекулы НАДН и одна ФАДН 2), которые могут использоваться в различных процессах биосинтеза или окисляться. Их дальнейшее окисление происходит в дыхательной цепи митохондрий, локализованной во внутренней митохондриальной мембране. "Работа" дыхательной цепи митохондрий заключается в окислении НАДН, т.е. в "отрывании" от него электронов, и переносе их на молекулу кислорода. У аэробных бактерий дыхательная цепь расположена в специальных структурах плазматической мембраны – мезосомах, и в общих чертах напоминает дыхательную цепь митохондрий.
начинается с окисления НАДН в дыхательной цепи митохондрий, сопровождающегося отщеплением двух электронов и протона (Н +). Окончательным акцептором этих электронов является О 2 , который соединяется с находящимися в матриксе ионами Н + с образованием Н 2 О.
Окисление НАДН начинает фермент НАДН-дегидрогеназа, которая отщепляет от него два электрона и протон, освобождающийся в матрикс. Проследим путь отщепляемых от молекулы НАДН электронов. НАДН-дегидрогеназа представляет собой сложный комплекс, состоящий из большого количества белков (около 40), и содержит в качестве коферментов флавинмононуклеотид и несколько железо-серных кластеров. Отрываемые от НАДН электроны с помощью этих коферментов передаются на растворенное в митохондриальной мембране низкомолекулярное гидрофобное соединение - кофермент Q (убихинон), который передает их в цепь переносчиков электронов – цитохромов. Цитохромы представляют собой гем-содержащие белки (входящий в их состав гем напоминает гем гемоглобина). За счет изменения валентности входящего в состав гема атома железа они способны обратимо присоединять и отдавать электрон (Fe 3+ + e - --> Fe 2+ и затем Fe 2+ - e - --> Fe 3+). Кофермент Q передает электроны цитохромам b и с 1 , а от них электроны передаются цитохрому с. Он в свою очередь передает электроны цитохромам а и а 3 (цитохромоксидазе, в этом ферменте в переносе электронов участвуют также ионы меди), которые передают их окончательному акцептору – молекулярному кислороду (О 2).
"Отбираемые" от НАДН электроны передаются в дыхательной цепи от переносчика к переносчику, теряя при этом свой восстановительный потенциал. Часть выделяемой при этом энергии рассеивается в виде тепла, но, кроме того, часть энергии тратится на создание на внутренней мембране митохондрий разности концентраций протонов (электрохимического потенциала) за счет их переноса в нескольких пунктах дыхательной цепи (так называемых пунктах сопряжения) из матрикса в межмембранное пространство.
Эта разность концентраций протонов возникает в результате того, что перенос электронов от НАДН к кислороду сопровождается "перекачиванием" протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство.
Во-первых, при окислении НАДН НАДН-дегидрогеназой из матрикса выбрасываетс я как минимум 4 протона. Во-вторых, кофермент Q, получая электроны от НАДН-дегидрогеназы, захватывает 2 Н + из матрикса; при его окислении цитохромами b и с 1 эти протоны выбрасываются в межмембранное пространство, а за счет работы так называемого Q-цикла это количество увеличивается еще на 2 Н + . В-третьих, 2 протона выбрасываются из митохондрий при работе цитохромоксидазы. Итак, окисление НАДН сопровождается переносом через митохондриальную мембрану из матрикса как минимум 10 протонов. При окислении ФАДН 2 отщепляемые от него 2 электрона и 2 протона передаются сразу на кофермент Q, поэтому при окислении ФАДН 2 через мембрану митохондрий переносится только 6 протонов.
В результате работы дыхательной цепи митохондрий концентрация Н + в межмембранном пространстве существенно превышает их концентрацию в матриксе, что создает направленный внутрь митохондрий градиент концентрации протонов. Мембрана митохондрий для них непроницаема, поэтому ее можно сравнить с плотиной гидроэлектростанции, удерживающей воду в водохранилище. Энергия этого градиента используется ферментом АТФ-синтетазой , которая переносит в матрикс ионы Н + и синтезирует АТФ из АДФ и Ф н.
Для синтеза 1 молекулы АТФ необходимо перенести внутрь митохондрий 3 иона Н + по градиенту концентрации, поэтому за счет окисления 1 молекулы НАДН можно синтезировать 3 молекулы АТФ, а за счет окисления 1 молекулы ФАДН 2 – 2 молекулы АТФ.
Кроме того, часть энергии градиента концентрации протонов тратится на перенос через внутреннюю мембрану митохондрий различных веществ. Синтез АТФ в митохондиях ферментом АТФ-синтетазой называют окислительным фосфорилированием , подчеркивая связь этого процесса с окислением органических субстратов.
Таким образом, в результате полного окисления глюкозы до углекислого газа и воды образуется большое количество АТФ – 38 молекул. Две из них синтезируются в процессе гликолиза, а остальные 36 – при окислении пирувата. Во-первых, в гликолизе при образовании одной молекулы пирувата восстанавливается молекула НАДН, а его окисление в митохондриях дает 3 молекулы АТФ. Во-вторых, при декарбоксилировании пирувата и образовании ацетил-КоА восстанавливается еще одна молекула НАДН (еще 3 молекулы АТФ). В-третьих, в цикле Кребса образуется 3 молекулы НАДН (а это 9 молекул АТФ), 1 молекула ФАДН 2 (еще 2 молекулы АТФ) и 1 молекула ГТФ (обменивается своим терминальным макроэргическим фосфатом с АДФ, что дает еще 1 молекулу АТФ). Таким образом, полное окисление образовавшихся в гликолизе 1 молекулы НАДН и 1 молекулы пирувата дает 18 молекул АТФ, а двух – соответственно 36 молекул АТФ. С учетом 2 молекул АТФ, образованных в процессе гликолиза, полный энергетический выход окисления глюкозы до углекислого газа и воды в процессе клеточного дыхания составляет 38 молекул АТФ .
| |
|
Итоговое уравнение этого процесса будет выглядеть следующим образом:
С 6 H 12 O 6 + 6О 2 + 38АДФ + 38Ф н --> 6CO 2 + 6H 2 O + 38АТФ
Эффективность полного окисления глюкозы до углекислого газа и воды очень высока: от 55 до 70% освобождающейся энергии (в зависимости от условий) запасается в виде макроэргических связей в молекулах АТФ; остальная энергия рассеивается в виде тепла. Таким образом, основным продуктом реакций энергетического обмена является АТФ.
В ходе этой реакции углерод окисляется кислородом воздуха (углерод максимально восстановлен в метане (СН 4) и максимально окислен в углекислом газе (CO 2)), что и приводит к освобождению энергии в виде тепла. Аналогичный процесс протекает и в живых клетках аэробных организмов, однако он имеет ряд существенных отличий.
Клетка — функциональная единица организма. В клетку непрерывно поступают различные вещества. В ней синтезируются новые молекулы; часть молекул разрушается. Одни вещества расходуются клеткой, другие откладываются в запас, третьи выводятся из клетки. Вещества постоянно перемещаются из одной части клетки в другую. В одних молекулах клетки энергия запасается, другие молекулы расщепляются с освобождением энергии, необходимой для жизни клетки.
В клетке одновременно протекают тысячи различных ферментативных реакций, вся совокупность которых называется метаболизмом (от греч. metabole — изменение, превращение) или клеточным обменом веществ . Главная роль в этих реакциях принадлежит ферментам и АТФ, без которых они не протекают. В процессе метаболизма клетка получает энергию, которая освобождается при окислении молекул жиров, углеводов и белков. Метаболизм обеспечивает клетку и строительным материалом: в ней образуются новые сложные молекулы.
Метаболизм включает две группы взаимосвязанных реакций: синтез веществ — пластический обмен и расщепление веществ — энергетический обмен . Познакомимся сначала с энергетическим обменом.
В ходе энергетического обмена сложные молекулы углеводов, жиров, белков с участием множества ферментов окисляются до углекислого газа и воды. Освобождающаяся при этом энергия запасается в молекулах АТФ.
Энергетический обмен у аэробов включает три стадии:
- подготовительную;
- бескислородную;
- кислородную.
В первую, подготовительную стадию крупные молекулы распадаются на «блоки»: белки расщепляются до аминокислот, полисахариды — до моносахаридов, жиры — до глицерина и жирных кислот, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. Этот процесс происходит в лизосомах клетки. Небольшое количество освобождающейся при этом энергии рассеивается в виде тепла.
Вторая, бескислородная стадия протекает в цитоплазме, где органические вещества расщепляются до еще более простых. Эта стадия протекает без участия кислорода; энергии при этом освобождается немного; часть ее рассеивается в виде тепла и небольшая часть расходуется на синтез двух молекул АТФ из АДФ.
Каким образом в клетках образуется АТФ?
Откуда берется энергия на синтез ее молекул? Было уст 1000 ановлено, что большая часть АТФ синтезируется за счет энергии протона H + и электронов, источником которых служат атомы водорода. А атомы водорода освобождаются при расщеплении молекул органических веществ.
Рассмотрим процессы, характерные для второй стадии, на примере гликолиза
— процесса расщепления глюкозы без участия кислорода. Молекула глюкозы, которая содержит 6 атомов углерода, расщепляется на две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты — ПВК. Расщепление происходит в несколько этапов и включает более 10 реакций с участием большого числа ферментов. При этом освобождается энергия, которая используется на синтез двух молекул АТФ из АДФ.
При окислении молекулы глюкозы от нее отщепляются электроны и ионы водорода, которые присоединяются к особому веществу НАД + . Оно переходит в восстановленную форму НАД Н. Молекулы НАД переносят протоны и электроны в клетке от одной реакции к другой, сами при этом в реакциях не участвуют, не разрушаются, используясь многократно.
Таким образом, в результате бескислородной стадии расщепления глюкозы образуются 2 молекулы ПВК, 2 молекулы АТФ и 2 молекулы НАД Н 2 .
Судьба молекул пировиноградной кислоты (ПВК) в клетках разных организмов складывается по-разному. Существуют микроорганизмы, обитающие в бескислородной среде. Их называют анаэробами
(от греч. an
— отрицательная частица и aer
— воздух)
. В клетках анаэробов протекают только две (у аэробов три) стадии энергетического обмена — подготовительная и бескислородная, а молекулы АТФ синтезируются в процессе брожения. У анаэробов ПВК превращается либо в молочную кислоту, либо в этиловый спирт, либо в уксусную кислоту, содержащие еще много энергии.
Молочная кислота образуется в процессе жизнедеятельности -бактерий молочнокислого брожения, которое происходит при скисании молока, квашении капусты. Спиртовое брожение осуществляется дрожжевыми грибами, в результате которого образуются этиловый спирт и углекислый газ. Брожение широко используется в хозяйственной деятельности человека при получении теста, пива, вина, квашении капусты, производстве кефира.