Энергетический обмен и его стадии

Энергетический обмен – это совокупность реакций, в результате которых из высокомолекулярных веществ извлекается энергия, которая запасается в макроэргических связях АТФ.

Биологическое окисление органических веществ в клетке ведет к образованию углекислого газа и воды (в случае аэробного дыхания). Процессы биологического окисления протекают ступенчато, при участии многих ферментов.

Энергетический обмен протекает в несколько стадий, поскольку энергия из высокомолекулярных веществ извлекается постепенно.

Субстратами для реакций энергетического обмена являются углеводы, жиры и белки. В первую очередь клетка использует углеводы. Клетки головного мозга млекопитающих вообще не могут использовать для окисления ничего, кроме глюкозы. Прежде чем полисахариды включатся в реакции окисления, они распадаются до моносахаридов. Жиры служат резервным веществом и используются тогда, когда исчерпан запас углеводов. Жиры в этом случае также подвергаются предварительному расщеплению до глицерина и жирных кислот. Белки выполняют ряд важнейших функций, поэтому они используются лишь после того, как будут израсходованы запасы углеводов и жиров, например, при длительном голодании.

Таким образом, первым этапом энергетического обмена является подготовительный этап, который связан с распадом сложных веществ до их мономеров. Энергия, которая при этом выделяется, рассеивается в виде тепла. У многоклеточных животных этот этап протекает преимущественно в пищеварительном тракте при участии специфических ферментов. Кроме того, подготовительный этап может происходить и в лизосомах клетки.

Рисунок 16 – Специфические ферменты

Вторым этапом энергетического обмена служит бескислородный этап. Он является общим для организмов с аэробным и анаэробным дыханием.

Важнейшим процессом этого этапа является гликолиз – ферментативное бескислородное расщепление глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты (ПВК). Гликолиз происходит в цитоплазме клеток. Энергии, которая при этом выделяется, достаточно для образования 2 молекул АТФ. Кроме того, при гликолизе освобождается четыре атома водорода, которые с помощью специального переносчика НАД поступают в митохондрии.

Рисунок 17 – Суммарная реакция гликолиза выглядит следующим образом.

Рисунок 18 – Другая форма записи реакции гликолиза

Соединение НАД играет роль переносчика протонов и электронов. Конечная судьба пировиноградной кислоты зависит от наличия кислорода в клетке. Если кислорода достаточно, то ПВК переходит в митохондрии для полного окисления до СО2 и Н2О (аэробное дыхание). Если же кислород отсутствует, ПВК вовлекается в реакции брожения и превращается в этанол (например, у дрожжей), в молочную кислоту (например, у молочнокислых бактерий). В случаях, когда в силу различных обстоятельств у аэробных организмов наблюдается нехватка кислорода, часть ПВК также переходит в молочную кислоту. Такой процесс, в частности, имеет место в мышечных клетках при выполнении повышенных нагрузок. (Вспомните процесс утомления мышц: один из факторов утомления – накопление молочной кислоты).

У анаэробных организмов бескислородный этап энергетического обмена является конечным. У аэробных организмов имеется третий этап – кислородный.

Кислородный этап (биологическое окисление) протекает в митохондриях. Пировиноградная кислота поступает в митохондрии, где полностью окисляется с образованием углекислого газа и воды. Энергия, извлеченная при распаде ПВК, тратится на синтез АТФ. Всего на кислородном этапе в расчете на одну молекулу глюкозы образуется 36 молекул АТФ.

Общий выход АТФ в результате полного окисления одной молекулы глюкозы составляет 38 молекул АТФ (2 во время гликолиза и 36 на кислородном этапе).

Пластический обмен

Примерами пластических процессов, протекающих в организме, могут быть фотосинтез, хемосинтез, биосинтез белка.