Обмен веществ в клетке и превращение энергии в клетке.
Совокупность реакций обмена веществ, протекающих в организме, называется метаболизмом.
Процессы синтеза специфических собственных веществ из более простых называется анаболизмом, или ассимиляцией, или пластическим обменом. В результате анаболизма образуются ферменты, вещества, из которых построены клеточные структуры, и т.п. Этот процесс, как правило, сопровождается большим потреблением энергии.
Эта энергия получается организмом в других реакциях, в которых более сложные вещества расщепляются до простых. Эти процессы называются катаболизмом, или диссимиляцией, или энергетическим обменом. Продуктами катаболизма у аэробных организмов являются СО2, Н2О, АТФ и
восстановленные переносчики водорода (НАД∙Н и НАДФ∙Н), которые принимают атомы водорода, отщепляемые от органических веществ в процессах окисления. Некоторые низкомолекулярные вещества, которые образуются в ходе катаболизма, в дальнейшем могут служить предшественниками необходимых клетке веществ (пересечение катаболизма и анаболизма).
Катаболизм и анаболизм тесно связаны: анаболизм использует энергию и восстановители, образующиеся в реакциях катаболизма, а катаболизм осуществляется под действием ферментов, образующихся в результате реакций анаболизма.
Как правило, катаболизм сопровождается окислением используемых веществ, а анаболизм — восстановлением.
| пластический обмен (анаболизм) | энергетический обмен (катаболизм) |
|---|---|
| синтез и накопление (ассимиляция) сложных веществ | распад сложных веществ на простые (диссимиляция) |
| идет с затратой энергии (расходуется АТФ) | выделяется энергия (синтезируется АТФ) |
| может быть источником органических веществ для энергетического обмена | является источником энергии для пластического обмена |
Пример: биосинтез белков, жиров, углеводов; фотосинтез (синтез углеводов растениями и сине-зелеными водорослями); хемосинтез | Пример: анаэробное дыхание ( = гликолиз = брожение); аэробное дыхание (окислительное фосфорилирование) |
Реакции анаболизма у разных организмов могут иметь некоторые отличия (см. тему "Способы получения энергии живыми организмами").
АТФ — аденозинтрифосфат
В процессе катаболизма выделяется энергия в виде тепла и в виде АТФ.
АТФ — единый и универсальный источник энергообеспечения клетки.
АТФ нестабильна.
АТФ является "энергетической валютой", которую можно потратить на синтезы сложных веществ в реакциях анаболизма.
Гидролиз (распад) АТФ:
АТФ +
Энергетический обмен
Живые организмы получают энергию в результате окисления органических соединений.
Окисление — процесс отдачи электронов.
Расход полученной энергии:
50% энергии выделяется в виде тепла в окружающую среду;
50% энергии идет на пластический обмен (синтез веществ).
В клетках растений:
крахмал → глюкоза → АТФ
В клетках животных:
гликоген → глюкоза → АТФ
Подготовительный этап
Ферментативное расщепление сложных органических веществ до простых в пищеварительной системе:
- белковые молекулы — до аминокислот
- липиды — до глицерина и жирных кислот
- углеводы — до глюкозы
Распад (гидролиз) высокомолекулярных органических соединений осуществляется или ферментами желудочно-кишечного тракта или ферментами лизосом.
Вся высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла.
Простые вещества всасываются ворсинками тонкого кишечника:
- аминокислоты и глюкоза — в кровь;
- жирные кислоты и глицерин — в лимфу;
и переносятся к клеткам тканей организма.
Образовавшиеся небольшие органические молекулы могут быть использованы в качестве «строительного материала» или могут подвергаться дальнейшему расщеплению (гликолизу).
На подготовительном этапе может происходить гидролиз запасные вещества клеток: гликогена — у животных (и грибов) и крахмала — у растений. Гликоген и крахмал являются полисахаридами и распадаются на мономеры — молекулы глюкозы.
Гликолиз — расщепление глюкозы с помощью ферментов.
Идет в цитоплазме, без кислорода.
Во время этого процесса происходит дегидрирование глюкозы, акцептором водорода служит кофермент НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид).
Глюкоза в результате цепочки ферментативных реакций превращается в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), при этом суммарно образуются 2 молекулы АТФ и восстановленная форма переносчика водорода НАД·Н2:
Дальнейшая судьба ПВК зависит от присутствия кислорода в клетке:
если кислорода нет, у дрожжей и растений происходит спиртовое брожение, при котором сначала происходит образование уксусного альдегида, а затем этилового спирта:
У животных и некоторых бактерий при недостатке кислорода происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:
В результате гликолиза одной молекулы глюкозы высвобождается 200 кДж, из которых 120 кДж рассеивается в виде тепла, а 80кДж запасается в связях 2 молекул АТФ.
Дыхание, или Окислительное фосфорилирование (аэробный этап)
Окислительное фосфорилирование — процесс синтеза АТФ с участием кислорода.
Идет на мембранах крист митохондрий в присутствии кислорода.
Пировиноградная кислота, образовавшаяся при бескислородном расщеплении глюкозы, окисляется до конечных продуктов СО2 и Н2О. Этот многоступенчатый ферментативный процесс называется циклом Кребса, или циклом трикарбоновых кислот.
В результате клеточного дыхания при распаде двух молекул пировиноградной кислоты синтезируются 36 молекул АТФ:
2
Кроме того, нужно помнить, что две молекулы АТФ запасаются в ходе бескислородного расщепления каждой молекулы глюкозы.
Суммарная реакция расщепления глюкозы до углекислого газа и воды выглядит следующим образом:
где Qт — тепловая энергия.
Таким образом при окислительном фосфорилировании образуется в 18 раз больше энергии (36 АТФ), чем при гликолизе (2 АТФ).
Гликолиз используют некоторые бактерии и паразиты, обитающие в анаэробных условиях.