Энергетический обмен в клетке

Энергетический обмен — это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ. Синтезированная АТФ становится универсальным источником энергии для жизнедеятельности организмов.

Процессы расщепления органических соединений у аэробных организмов происходят в три этапа, каждый из которых сопровождается несколькими ферментативными реакциями. Участие ферментов снижает энергию активации химических реакций, благодаря чему энергия выделяется не сразу (как при зажигании спички), а постепенно.

• Первый этап — подготовительный. В желудочно-кишечном тракте многоклеточных организмов он осуществляется пищеварительными ферментами. У одноклеточных — ферментами лизосом. На первом этапе происходит расщепление белков до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, полисахаридов до моносахаридов, нуклеиновых кислот до нуклеотидов. Этот процесс называют пищеварением.
• Второй этап — бескислородный (гликолиз). Происходит в цитоплазме клеток. Главным источником энергии в клетке является глюкоза. Ее бескислородное расщепление называют анаэробным гликолизом. Он состоит из ряда последовательных реакций по превращению глюкозы в лактат. Его присутствие в мышцах хорошо известно уставшим спортсменам.
  В ходе гликолиза образуется большое количество энергии, часть которой рассеивается в виде тепла, а часть используется на синтез АТФ.
  Суммарное уравнение реакций гликолиза выглядит следующим образом:
  
  Молекула С₃Н₄О₃ — пировиноградная кислота, или пируват, может восстанавливаться до этилового спирта при спиртовом брожении у дрожжей или в клетке растений, а может превращаться в лактат, как это происходит у некоторых бактерий или в мышцах животных:
  СН₃СОСООН + НАДН → С₃Н₆O₃ + НАД + лактат.
• Третий этап — кислородный, состоящий из цикла Кребса и окислительного фосфорилирования. Он стал возможным после накопления в атмосфере достаточного количества молекулярного кислорода. Происходит в митохондриях клеток.

Пировиноградная кислота (ПВК), попав в митохондрии, взаимодействует с коферментом А (КоА). В результате образуется ацетилкофермент А, который включается в цикл Кребса, названный по имени нобелевского лауреата Ганса Кребса.

Суммарная реакция гликолиза и цикла Кребса:

C₆H₁₂O₆ + 6Н₂O + 6СO₂ + 4АТФ + 8НАДН₂ + 2НАДФН₂ + + 2ФАДН₂.

Большая часть энергии сберегается в переносчиках электронов — НАД и ФАД. Энергия молекул-переносчиков используется в следующей стадии — стадии окислительного фосфорилирования.

Окислительное фосфорилирование (клеточное дыхание) происходит на внутренних мембранах митохондрий, в которые встроены молекулы — переносчики электронов. В ходе этой стадии освобождается большая часть метаболической энергии. Молекулы-переносчики транспортируют электроны к молекулярному кислороду. Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть расходуется на образование АТФ.

АТФ образуется в результате работы протонной помпы, протаскивающей протоны Н⁺ через канал АТФ-азы на внутреннюю поверхность мембраны. Протоны, взаимодействуя с кислородом, образуют воду, а энергия протонов используется для фосфорилирования АДФ в АТФ.

Реакции в дыхательной цепи:

• НАД(Ф)Н₂+ O₂ НАД(Ф) + Н₂O + ЗАТФ;
• ФАДН₂ + O₂ → ФАД + Н₂O = 2АТФ.

Суммарная реакция энергетического обмена:

• С₆Н₁₂О₆ + 6O₂ 6СO₂ + 6Н₂O + 38АТФ.