Диссимиляция или энергетический обмен

Диссимиляция или энергетический обмен
Живая клетка – сложная и непрерывно изменяющаяся структура. Химические реакции, происходящие в ней, можно разделить на две большие группы. В анаболических
реакциях крупные молекулы синтезируются из более мелких (ассимиляция). Для этого
необходимо затратить энергию. В катаболических реакциях молекулы распадаются на
более мелкие (диссимиляция); обычно этот процесс идёт с выделением энергии. Впоследствии эти мелкие «кирпичики» могут снова использоваться для биосинтеза. Перечисленные два типа реакции составляют метаболизм клетки. Выделившаяся в ходе катаболических реакций энергия может быть использована клеткой в различных целях: синтез новых
молекул, транспорт, мышечные сокращения и т. п. Энергия может переходить из одной
формы в другую; наиболее удобен для использования химический тип энергии, то есть
энергия связи в молекулах. Однако, каковыми бы ни были трансформации энергии внутри
клетки, её первоисточником служит Солнце. В пищевые цепи солнечная энергия может
включиться после того, как будет поглощена автотрофными организмами.
Непосредственно выделение химической энергии происходит в процессе дыхания.
Как правило, оно идет в присутствии кислорода; в этом случае дыхание называется
аэробным. Дыхательные процессы, протекающие без участия кислорода, называются
анаэробными. Дыхание осуществляется в два этапа: взаимодействие с внешней средой
(поглощение кислорода и выделение углекислого газа) и окислительные реакции в клетках.
В клетке происходят окислительные реакции трёх типов:



прямое окисление кислородом;
окисление за счёт других веществ;
перенос электронов.
Основным результатом дыхания является образование АТФ. Молекула АТФ состоит из аденина, пентарибозы и трёх фосфатных групп. Именно пирофосфатные связи и
позволяют запасти в молекуле АТФ столь большое количество энергии. АТФ (аденозинтрифосфат) – универсальный источник энергии, он может быть доставлен в любое место клетки и гидролизован там с выделением энергии.
АТФ образуется в результате фосфорилирования из АДФ и фосфата в митохондриях клетки. Для этого нужно потратить 30,6 кДж на 1 моль:
При окислительном фосфорилировании необходимую энергию доставляет протонный градиент, устанавливающийся
по разные стороны мембраны митохондрии (в пространстве
между двумя слоями мембраны митохондрий накапливаются положительно заряженные протоны, а в матриксе митохондрий – отрицательно заряженные гидроксильные ионы;
именно за счёт этой энергии осуществляется синтез молекул
АТФ, который реализуется при движении протонов через
фермент мембраны митохондрий АТФ-синтетазу).
Образование АТФ происходит главным образом в митохондриях, за что их называют “силовыми станциями” клетки.
При дыхательном процессе необходимо наличие окисляющегося вещества (субстрата). В клетках человека, многих
животных и некоторых микроорганизмов главным поставщиком энергии для синтеза АТФ является глюкоза, реже –
жиры, в исключительных случаях – белки. Расщепление
глюкозы в клетке, в результате которого происходит синтез
АТФ, осуществляется в две следующих друг за другом стадии: первую называют гликолизом (греч. "glycos" - сладкий, "lysis" - расщепление), или бескислородным расщеплением, вторую - кислородным расщеплением. Подготовительный этап расщепления заключается в том, что
крупные молекулы белков, углеводов, жиров и нуклеиновых
кислот распадаются на более мелкие: из крахмала образуется глюкоза, из жиров - глицерин и жирные кислоты, из белков - аминокислоты, из нуклеиновых кислот - нуклеотиды.
При таком распаде выделяется незначительное количество
энергии, которая рассеивается в виде тепла.
Бескислородное расщепление глюкозы (гликолиз) осуществляется ступенчато с
участием многих ферментов. Глюкоза C6H12O6 последовательно расщепляется до двух
трехуглеродных молекул (C3H4O3) пировиноградной кислоты - ПВК. При этом она теряет четыре атома водорода, т.е. происходит окисление глюкозы. Акцептором водорода служат молекулы
никотинамидадениндинуклеотида
(НАД+).
В результате каждой реакции освобождается небольшое количество
энергии, а в сумме получается внушительная величина – 200
кДж/моль. Одна часть этой энергии
(60%) рассеивается в виде теплоты,
а другая часть (40%) сберегается в
форме АТФ. Для наглядности можно произвести следующий небольшой подсчет: всего в
ходе бескислородного расщепления одного моль глюкозы освобождается 200 кДж (50 000
г/кал). На образование одной связи, богатой энергией, при превращении 1 моль АДФ в
АТФ затрачивается 40 кДж (10 000 г/кал). В ходе гликолиза образуется две такие связи,
значит, в энергию двух моль АТФ переходит 2·40 кДж (2·10 000 = 20 000 г/кал). Итак, из
200 кДж (50 000 г/кал) только 80 кДж (20 000 г/кал) сберегается в виде АТФ, а 120 кДж
(30 000 г/кал) рассеивается в виде тепла. Следовательно, в ходе гликолиза только 40%
энергии сберегается клеткой.
C6H12O6 + 2 НАД+ → 2C3H4O3 + 2НАД∙ Н2
2АДФ +2Ф = 2АТФ + 2 H2O
Процесс гликолиза происходит также у всех животных клеток и у некоторых микроорганизмов. Хорошо известно молочнокислое брожение (при скисании молока), вызываемое молочнокислыми грибками и бактериями. По механизму оно вполне тождественно
гликолизу. Но на последней стадии НАД∙ Н2 восстанавливает ПВК:
2C3H4O3 + 2НАД∙ Н2→ 2C3H6O3 + 2 НАД+
C3H6O3 - молочная кислота образуется и в клетках высших животных (например, в мышечных клетках при недостатке кислорода).
Спиртовое брожение также сходно с гликолизом. Большая часть реакций гликолиза
и брожения совпадает полностью. Различие состоит лишь в том, что на заключительной
стадии при гликолизе процесс заканчивается образованием ПВК, а при брожении появляется еще одно звено: из ПВК под влиянием фермента, содержащегося в дрожжах, выделяется CO2 и образуется этиловый спирт:
2C3H4O3 + 2НАД∙ Н2→ 2C2H5OH + 2CO2 + 2 НАД+
Ни в брожении, ни в гликолизе кислород не участвует, поэтому их называют бескислородными процессами. Каждая реакция сопровождается, как указывалось выше, выделением небольшого количества энергии. Если бы энергия, освобождающаяся при превращении глюкозы в ПВК, выделилась бы сразу, в результате одной реакции, то это привело бы к опасному перегреву и повреждению клетки. Постепенное выделение энергии
предохраняет клетку от теплового повреждения. Главными этапами расщепления глюкозы
можно считать следующие:
1. Фосфорилирование молекулы глюкозы за счет 2АТФ и образование
шестиуглеродной монозы с двумя фосфорнокислыми остатками.
2. Расщепление шестиуглеродной молекулы на две трехуглеродные с
одним остатком фосфорной кислоты
3. Дополнительное фосфорилирование молекулы и окисление ее
2 НАД+. Образование 2НАД∙ Н2
4. Субстратное фосфорилирование АДФ за счет остатка фосфорной кислоты монозы и образование АТФ
5. Образование ПВК
В кислородном процессе (окислении) участвуют ферменты, вода, окислители, переносчики электронов и молекулярный кислород - это вторая стадия энергетического обмена. Непременное условие - неповрежденные митохондриальные мембраны. Конечный
продукт гликолиза - ПВК - вступает в цикл превращений, называемый циклом Кребса
(цикл трикарбоновых кислот).
Трикарбоновые кислоты
образуются в цикле как промежуточные продукты, и все превращения осуществляются в митохондриях. Под влиянием ферментов ПВК вступает в реакцию
с водой и полностью разрушается:
2C3H4O3 +6H2O =6CO2
+20H
2АДФ +2Ф = 2АТФ + 2 H2O
При расщеплении глюкозы образуются главным образом 8 молекул НАД ∙ Н2 и 2ФАД ∙ Н2 (ФАД
- флавинадениндинуклеотид), от
которого электроны по многоступенчатой цепи переноса
электронов перемещаются к конечному их акцептору - молекулярному кислороду. Это - цепь
процессов окисления-восстановления. В результате этих процессов освобождающаяся
энергия используется для фосфорилирования АДФ в АТФ (этот процесс называется окислительным фосфорилированием; он
открыт в 1931 г.
выдающимся русским биохимиком
В. А. Энгельгардом). В сумме кислородное расщепление дает громадную величину
освобождающейся
энергии - 2600 кДж
(650 000 г/кал) на
две молекулы
ПВК.
Оксид углерода (CO2) свободно проходит через мембрану митохондрии и удаляется в
окружающую среду. Атомы водорода переносятся в мембрану, где под влиянием ферментов окисляются, т.е. теряют электроны:
Н - 1ē = H +.
Электроны и катионы водорода Н+ (протоны) с помощью молекул-переносчиков переправляются в противоположные стороны: электроны - на внутреннюю сторону мембраны,
где они соединяются с кислородом (молекулярный кислород непрерывно поступает в митохондрии из окружающей среды)
O2 + 1ē = О 2а катионы Н+ транспортируются на наружную сторону мембраны. Таким образом внутри
-
митохондрии увеличивается концентрация анионов О 2 с отрицательным зарядом, а снаружи накапливаются катионы H+ с положительным зарядом, поскольку мембрана для них
непроницаема. Поэтому внутри мембрана имеет отрицательный заряд, а снаружи - положительный, растет разность потенциалов. Если разность потенциалов на мембране достигает некоторого критического уровня (порядка 200 мВ), то положительно заряженные частицы проталкиваются через канал в молекуле фермента, синтезирующего АТФ, и переходят на внутреннюю сторону мембраны, где, взаимодействуя с кислородом, образуют
воду:
+
4H + О 2 =2 H2O
При прохождении электронов от атомов водорода к кислороду и катионов Н+ через
канал синтезирующего АТФ фермента освобождается значительная энергия, 45% которой
рассеивается в виде тепла, а 55% сберегается, т.е. преобразуется в энергию химических
связей АТФ (образуется 36 молекул АТФ вместо 2 молекул АТФ при гликолизе).
Потоки электронов и ионов водорода разделяются благодаря работе цепи переносчиков, образующих электроно-транспортную цепь. Эта цепь – крошечное образование на
мембране митохондрии или некоторых аэробных бактерий. В диаметре она 9нм (80 мм,
если увеличить в миллион раз). Включает набор молекул, первый из них – специфический
флавопротеид, переносящий электроны от НАД ∙ Н2. Второй окисляет ФАД ∙ Н2, следующий – янтарную кислоту. Далее следует молекула, использующая для потоков электронов
и ионов аскорбиновую кислоту (витамин С). Заканчивается цепь цитохромом, переносящим электроны на кислород. Эту реакцию могут блокировать цианид или угарный газ.
Суммировав уравнения гликолиза и кислородного процесса, получаем итоговое
уравнение:
C6H12O6 + 6O2 +38АДФ +38Ф → 6CO2 + 6H2O + 38АТФ +38H2O
Это уравнение показывает, что в результате полного расщепления глюкозы образуются конечные продукты - вода и оксид углерода, а самое главное - 38 молекул АТФ, в
которых запасается большая часть (55%) энергии, освобождающаяся при распаде 1 г/мол
глюкозы. Если провести небольшой расчет, то получается, что в ходе кислородного расщепления из 650 000 г/кал на синтез 36 молекул АТФ пошло 360 000 г/кал, а оставшиеся
290 000 г/кал выделяются в виде тепла. Если сравнить эти величины с запасанием энергии
при гликолизе в виде двух молекул АТФ (20 000 г/кал) и ее выделением (30 000 г/кал), то
видно явное преимущество кислородного процесса расщепления, при котором большая
часть энергии, высвобождающейся при расщеплении глюкозы, запасается в виде АТФ,
т.е. 36 молекул АТФ. Таким образом, кислородный процесс расщепления почти в 20 раз
эффективнее бескислородного. Кроме того, синтез АТФ при бескислородном расщеплении происходит без участия мембран, а при кислородном процессе наличие мембран является непременным условием, поскольку только на мембране происходит разделение
противоположно заряженных частиц, обусловливающих разность потенциалов. И еще: в
цикле преобразования трикарбоновых кислот образуется СО2, а в цепи переноса электронов - вода. Эти же продукты образуются при сжигании органического топлива. Однако
при сжигании органического топлива вся освобождающаяся энергия переходит в теплоту,
а при расщеплении глюкозы в клетке в теплоту переходит около 45% освободившейся
энергии, а большая часть - 55% - сберегается в виде АТФ. Состав продуктов горения
непостоянен, он меняется в зависимости от соотношения окисляемого вещества и кислорода, зависит от температуры и других условий. Дыхание в клетке происходит в результате высоко упорядоченного процесса ряда последовательных ферментативных реакций, а
образование CO2 при горении происходит в результате прямого присоединения кислорода
к углероду. Поэтому даже в самых совершенных машинах КПД не превышает максимума
- 45%, но при этом энергия расходуется полностью и не происходит ее запасания (все попытки создания "перпетуум мобиле" заканчиваются неудачей - энергия поступает извне и
расходуется полностью при сжигании, выделяясь в виде тепла).
При дефиците кислорода или полном его отсутствии в клетках происходит анаэробный гликолиз. Существуют организмы, обитающие в бескислородной среде, например,
черви, паразитирующие в кишечнике, некоторые простейшие и микробы. Эти организмы
лишены ферментов, позволяющих им осуществлять кислородное расщепление органических веществ. Они удовлетворяют свою потребность в энергии с помощью лишь малоэффективного бескислородного расщепления, в результате которого образуются лишь две
молекулы АТФ. Благодаря этому даже человек может обходиться короткое время без кислорода.
Следует указать на следующее: помимо углеводов, гликолизу и кислородному
расщеплению подвергаются некоторые жирные кислоты и аминокислоты с образованием
АТФ. Ещё более эффективным является использование жиров. Сначала они при участии
ферментов гидролизуются до глицерина и жирных кислот. Окисление одной молекулы
глицерина даёт в общем итоге всего 19 молекул АТФ, а вот окисление, к примеру, стеариновой кислоты – целых 147 молекул.