Глава 10 ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ - 10.4. Распад и окисление органических веществ в клетках

Содержание материала

 

10.4. Распад и окисление органических веществ в клетках

Для жизнедеятельности организма постоянно требуется энергия. Она образуется при распаде органических соединений — в основном угле­водов и жиров, в меньшей степени — белков. Белки нужны организ­му человека для обеспечения анаболических процессов. Энергия выделяется при разрушении химических связей между атомами этих молекул. Частично она рассеивается в виде тепла, а частично запа­сается в виде АТФ (аденозинтрифосфат). Соотношение между рас­сеянной энергией и запасенной примерно 1:1.

В молекуле АТФ между остатками фосфорной кислоты имеются макроэргические связи, при разрыве которых выделяется большое количество энергии. Разрыв связей при гидролизе молекул АТФ осу­ществляется последовательно до АДФ (аденозиндифосфата) и АМФ (аденозинмонофосфата). Энергия, запасенная в АТФ, может быть использована клетками организма по мере необходимости. Таким образом, АТФ — универсальный аккумулятор энергии в клетке.

Сущностью процесса образования АТФ является фосфорилиро- вание — присоединение остатка фосфорной кислоты к АДФ. Одна­ко для этого необходима энергия, которая образуется в результате распада сложных органических молекул и тканевого дыхания. В ка­честве примера можно рассмотреть образование АТФ при распаде одной молекулы глюкозы (С6Н1206). Полное расщепление глюкозы до углекислого газа и воды в клетке требует прохождения анаэроб­ного (бескислородного) и аэробного (с участием кислорода) процес­сов ее окисления (рис. 10.1).

Гликолиз (анаэробное окисление). Происходит в цитоплазме клетки без участия кислорода. В последнее время установлено, что гликолиз может активно протекать с высокой скоростью и в аэробных условиях.

Рис. 10.1. Распад и окисление глюкозы в клетке
 
При гликолизе происходят последовательно 10 биохи­мических реакций, каждая из которых катализируется своим фер­ментом. При достаточном количестве кислорода в клетке конечным продуктом анаэробного окисления является пировиноградная кис­лота (ПВК). При недостатке кислорода в клетке происходит еще одна, одиннадцатая, реакция гликолиза, в результате которой из ПВК образуется молочная кислота. В процессе 10 реакций гликолиза обра­зуются две молекулы ПВК и две молекулы АТФ.

Дефицит кислорода наблюдается в клетках, например, в случае чрезмерной физической нагрузки. При этом в цитоплазме происхо­дит активация гликолитических процессов и в большом количестве из глюкозы образуется молочная кислота (лактат). Это вещество не может быть использовано клеткой в дальнейшем и удаляется из нее. При значительном накоплении лактата возникают болезненные ощу­щения, связанные с закислением внутренней среды организма.

Аэробное окисление. ПВК поступает из цитоплазмы клетки в ми­тохондрии, где происходит ее декарбоксилирование до уксусной кислоты, которая «сгорает» в цикле Кребса до углекислоты с осво­бождением протонов водорода. В дыхательной цепи протоны водо­рода соединяются с кислородом, образуя воду. При этом происходит синтез 36 молекул АТФ. Суммарная реакция распада глюкозы вы­глядит следующим образом:


Тканевое дыхание. Так называют обмен газов, происходящий в клетках при биологическом окислении питательных веществ. В ходе окислительных процессов клетки выделяют конечный продукт мета­болизма — углекислый газ и одновременно поглощают из кровенос­ных капилляров кислород. При этом атомы водорода, образующие­ся при окислении глюкозы, переносятся на ферменты внутренней мембраны митохондрий. Это так называемая дыхательная транспорт­ная цепь. Водород взаимодействует с кислородом, образуя воду. Ток протонов водорода характеризуется значительным выделением энер­гии, которая расходуется на синтез АТФ из АДФ и остатка фосфор­ной кислоты. В результате этих реакций при окислении одной мо­лекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. При этом недостаток кислорода лимитирует окислительные реакции значительно сильнее, чем неадекватное удаление углекислого газа. Энергия, аккумулиро­ванная в АТФ, используется организмом для поддержания всех его функций, жизненных процессов:

1) синтеза новых органических веществ, свойственных организ­му (белков, жиров, углеводов, ДНК), образования новых клеточных структур и органелл;

2) осуществления основных жизненных процессов в клетке (ми­тоза, транспорта веществ в клетку и др.);

3) поддержания температурного гомеостаза организма.