Енергетичний обмін як джерело постачання енергії у клітин

Виділяють три послідовні етапи енергетичного обміну: підготовчий, безкисневий і кисневий.

Початковий етап енергетичного обміну – підготовчий. У більшості багатоклітинних тварин і людини він відбувається у шлунково–кишковому тракті, а також у цитоплазмі клітин, де органічні макромолекули під дією ферментів розщеплюються до мономерів: білки – до амінокислот, жири – до гліцерину і жирних кислот, полісахариди – до моносахаридів, нуклеїнові кислоти – до нуклеотидів. Ці процеси відбуваються з вивільненням енергії, але її кількість незначна, і вона розсіюється у вигляді тепла. Проте це тепло може використовуватись організмами для підтримання температури власного тіла.

Другий етап – безкисневий. Він відбувається у клітинах. Його ще називають анаеробним, оскільки мономери, які утворилися на попередньому етапі, зазнають подальшого багатоступеневого розщеплення без участі кисню. Анаеробне розщеплення, або анаеробне дихання, – це найпростіша форма утворення та запасання енергії у високоенергетичних зв’язках молекул АТФ. Найважливішим на безкисневому етапі енергетичного обміну у клітинах є розщеплення молекул глюкози за допомогою гліколізу. Під час гліколізу молекула глюкози (С₆Н₁₂0₆) розщеплюється на дві молекули піровиноградної (С₃Н₄0₃) або (наприклад, у клітинах м’язів) молочної (С₃Н₆0₃) кислот. Сумарне рівняння гліколізу має такий вигляд:

С₆Н₁₂0₆ + 2АДФ + 2Н₃Р0₄ D 2С₃Н₆0₃ + 2АТФ + 2Н₂0

Під час гліколізу виділяється близько 200 кДж енергії. Частина її (майже 84 кДж) витрачається на синтез двох молекул АТФ, а інша – розсіюється у вигляді тепла. Отже, процес гліколізу енергетично малоефективний: лише 35 – 40% енергії запасається у зв’язках молекул АТФ. Проміжні продукти гліколізу використовуються для біосинтезу різних сполук.

Глюкоза також розщеплюється у результаті спиртового бродіння, до якого здатні деякі види дріжджів і бактерій. Унаслідок цього процесу молекула глюкози розпадається на дві молекули етилового спирту (С₂Н₅ОН) та дві молекули вуглекислого газу (С0₂). Існують ще й інші види безкисневого бродіння, наприклад, маслянокисле (з утворенням масляної кислоти), молочнокисле (молочної кислоти) тощо.

Завершальним етапом енергетичного обміну є кисневий, або аеробне дихання. Кисневий етап енергетичного обміну можливий лише за наявності кисню. Під час цього етапу органічні сполуки, які утворилися на попередньому, безкисневому, окислюються до кінцевих продуктів – С0₂ і Н₂0. Сукупність реакцій окиснення, які відбуваються в живих клітинах, називають біологічним окисненням. Завдяки йому організм отримує значну кількість енергії, необхідної для забезпечення процесів життєдіяльності. Частина цієї енергії запасається у високоенергетичних зв’язках молекул АТФ.

Аеробне дихання відбувається в мітохондріях. Важливе місце в аеробному енергетичному обміні належить так званому циклу Кребса. Цикл Кребса – це послідовне перетворення певних органічних кислот, що відбувається в матриксі мітохондрій.

На початку циклу піровиноградна кислота реагує з щавлевооцтовою, утворюючи лимонну кислоту. Остання через низку послідовних реакцій перетворюється на інші кислоти. Внаслідок таких перетворень відтворюється щавлевооцтова кислота, яка знову реагує з піровиноградною, і цикл повторюється.

Унаслідок кожного циклу Кребса може утворюватися одна молекула АТФ. Крім того, упродовж біохімічних реакцій циклу від органічних кислот відщеплюються атоми гідрогену, які є носіями енергії. Ці атоми відновлюють певні сполуки. Енергія, запасена в атомах гідрогену, згодом частково використовується для синтезу молекул АТФ. А молекули вуглекислого газу, які утворюються під час цих перетворень, залишають мітохондрії та з часом виводяться з клітини.

Повне окиснення молекул молочної або піровиноградної кислоти, що утворилися з глюкози під час гліколізу, до Н₂0 і С0₂ супроводжується виділенням такої кількості енергії, якої достатньо для утворення 36 молекул АТФ. Під час цих перетворень виділяється близько 2800 кДж енергії, з яких у молекулах АТФ запасається 1596 кДж, або 55%, а 45% – розсіюється у вигляді тепла. Сумарне рівняння кисневого етапу енергетичного обміну має такий вигляд:

2С₃Н₆0₃ + 60₂ + 36Н₃Р0₄ + 36АДФ D 6С0₂ + 36АТФ + 36Н₂0

Енергії, яка виділяється внаслідок повного розщеплення однієї молекули глюкози, вистачає на утворення 38 молекул АТФ. Сумарне рівняння безкисневого і кисневого етапів енергетичного обміну має такий вигляд:

C₆H₁₂O₆ + 38АДФ + 38Н₃РО₄ + 60₂ D 6С0₂ + 38АТФ + 44Н₂0

Завершується енергетичний обмін виведенням кінцевих продуктів з організму.

Дата добавления: 2015-05-26