Энергетический обмен

Хемосинтез

Хемосинтез – синтез органических соединений из неорганических веществ с использованием химической энергии, выделяющейся в реакциях окисления неорганических веществ.

Процесс хемосинтеза открыт русским ученым‑микробиологом С. Н. Виноградским в 1887 г. Некоторые группы бактерий – нитрифицирующие, железобактерии, серобактерии способны накапливать освобождающуюся в процессах окисления энергию и затем использовать ее для синтеза органических веществ. Процесс хемосинтеза протекает без участия хлорофилла, для его осуществления не обязательно наличие света.

Например, нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до азотистой кислоты:

NH₄⁺ + кислород → NO ₂^‑ + Энергия или по уравнению реакции

2NH₃ + 3O₂ → 2НNO₂ + 2Н₂О + Энергия

Освобождающаяся энергия накапливается в молекулах АТФ и используется для синтеза органических веществ, протекающего по типу реакций темновой фазы фотосинтеза. Хемо‑синтезирующие бактерии играют важную роль в круговороте веществ. Нитрифицирующие бактерии способствуют накоплению в почве нитратов.

Энергия существует в природе в различных формах. Это прежде всего энергия солнечного света, а также химическая, тепловая и электрическая. Организмам энергия необходима для активного транспортирования веществ, для синтеза белков и иных биомолекул, для мышечных сокращений при перемещении в пространстве, для клеточного деления и т. д. Осуществление этих процессов и восполнение неизбежных потерь в ОС в соответствии с классическими законами термодинамики (см. разд. 6.3.5) возможны только при постоянном притоке энергии в организм из среды обитания.

Первоисточником энергии в природе является Солнце, но его энергию могут использовать только фотосинтетики, а все остальные организмы могут получать эту энергию лишь опосредовано, т. е. в форме энергии химических связей между атомами органических соединений. При разрыве связей энергия может высвобождаться, но чаще всего она временно запасается в виде особо богатого энергией нуклеотида – аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) – используемого клеткой для всех дальнейших процессов жизнедеятельности.

Главная роль в энергетическом обмене клеток животных принадлежит дыхательному обмену или клеточному дыханию. Клеточное дыхание представляет собой процесс, в котором высокомолекулярные высокоэнергетические органические соединения, окисляясь, распадаются на низкомолекулярные или неорганические соединения, бедные энергией. При окислении с участием кислорода дыхание называют аэробным, а без его участия – анаэробным.

Процесс потребления кислорода из среды обитания и возвращения в эту среду диоксида углерода называется газообменом организма с окружающей средой. Это иной процесс, отличный от клеточного дыхания; путать их нельзя.

Более половины энергии, ежедневно расходуемой человеком, затрачивается на мышечную работу. Запасы одних только углеводов могут удовлетворить энергетические потребности нашего организма в течение примерно 12 ч, тогда как человек среднего телосложения может обходиться без пищи, по крайней мере, в течение шести недель.

Животным, впадающим в зимнюю спячку и снижающим скорость метаболизма, накопленных летом запасов жира хватает на долгие месяцы. Последовательность расходования высокомолекулярных соединений в организме (на примере человека, рис. 2.3) следующая: прежде всего углеводы, затем жиры (у животных) или масла (у растений), и в последнюю очередь белки.

Выделение энергии, необходимой для любого процесса жизнедеятельности клетки, происходит при отщеплении от аденозинтрифосфорной кислоты, называемой также аденозинтрифосфатом (АТФ), одной фосфатной группы (фосфата) с образованием аденозиндифосфата (АДФ) в соответствии с уравнением

АТФ + Н₂О – АДФ + Фосфат + Энергия.

Рис. 2.3. Расходование запасов питательных веществ при голодании (по П. Кэмпу, К.Армсу): вначале жиры составляли 15 % веса тела: 1 – углеводы; 2 – жиры; 3 – белки

Структура строения аденозинфосфатов и схема процессов, протекающих при энергетическом обмене, показаны на рис. 2.4, где знаком «~» обозначены так называемые «богатые энергией» связи. При отщеплении от АДФ еще одной фосфатной группы образуется аденозинмонофосфат (АМФ).

Существенную роль в поддержании равновесия между

разновидностями аденозинфосфорных кислот играет обратимая ферментативная реакция

АТФ + АМФ ↔ 2АДФ

Энергетический обмен клетки осуществляется в три этапа.

Подготобительный этап – сложные органические соединения распадаются на более простые: белки на аминокислоты, полисахариды на моносахариды и т. п.

Этап неполного окисления (анаэробное дыхание или брожение). Неполному окислению могут подвергаться глюкоза, жирные кислоты, аминокислоты. При этом главным источником энергии в клетке является глюкоза. При бескислородном окислении одной молекулы глюкозы (процесс гликолиза) из двух молекул АДФ и при участии неорганического фосфата образуются две молекулы АТФ. В процессе гликолиза для нужд клетки извлекается не более 10 % энергии.

Этап полного расщепления (аэробное дыхание) протекает с обязательным участием кислорода. При дыхании последовательно проходит ряд ферментативных реакций. В условиях полного окисления, сопряженного с фосфорилированием АДФ до АТФ, недоокисленные продукты гликолиза отдают для нужд клетки оставшуюся в их химических связях энергию, которая аккумулируется в АТФ. Энергия АТФ превышает энергию АДФ на 30,6 кДж/моль, а энергию АМФ – на 2·30,6 = 61,2 кДж/моль.

Рис. 2.4. Структуры АТФ и АДФ (а), гидролиз АТФ (б) и рефосфорирование АДФ в результате дыхательной активности (в): Ф – фосфатная группа

Запас АТФ в клетке невелик. Так, в мышце запаса АТФ хватает на 20–30 сокращений. Для нескольких тысяч сокращений и работы мышцы часами необходим непрерывный синтез АТФ. Один из способов образования АТФ в клетке заключается в переносе под действием ферментов высокоэнергетической фосфатной группы от какой‑нибудь другой молекулы (например от дифосфоглицерата) на АДФ.

Для восполнения израсходованной АТФ используют энергию, освобождаемую в результате расщепления питательных веществ.

АТФ – единый и универсальный источник энергообеспечения клетки.

Дата добавления: 2014-11-25