Энергетический обмен

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) – это совокупность реакций разложения сложных органических веществ, которые организм использует для получения энергии.

Машина сжигает топливо, и выделяющаяся энергия переходит в рабочий ход двигателя.

Но мы выгодно отличаемся от машины:

  1. Во-первых, если машина ест только бензин, то мы едим мясо, овощи, плюшки, пирожные и так далее. Наше топливо намного более разнообразно.
  2. Во-вторых, двигатель машины совершает всего один вид работы – крутит колеса. У нас же гораздо больше задач, куда нужно затратить энергию. Надо сократить разные мышцы, качать кровь, синтезировать новые вещества и координировать работу всего этого.
  3. В-третьих, мы не можем позволить всей этой энергии выделиться сразу. Потому что не вынесем нагревания до нескольких сот градусов. При сжигании топлива выделяется очень много тепла.

Возникает ряд задач. Нам нужно, чтобы энергия выделялась не вся сразу, а поэтапно, малыми порциями. Чтобы как-то запасалась. И могла быть израсходована на совершенные разные виды работы. А еще для каждого вида топлива нужно придумать свой способ, как это все делать.

Универсальный аккумулятор энергии.

Природа изобрела универсальную молекулу, в которую можно запасти энергию. Перенести эту энергию в нужную часть клетки и там использовать.

Это аденозинтрифосфат (АТФ). Строение типичного аденилового нуклеотида: аденин (1), сахар рибоза (2). И самое главное: три фосфата (3). Вот эти волнистые линии (4) обозначают макроэргические связи. Они и запасают энергию.

АТФ - аденозинтрифосфат

Когда макроэргическая связь разрывается (1) запасенная энергия выделяется. От АТФ отщепляется один фосфат (2), а на молекуле осталось только два фосфата – это получился аденозиндифосфат (АДФ) – 3. Ди – это «два».

Разрыв макроэргической связи в АТФ

Когда клетка хочет запасти энергию, она берет фосфат (1) и АДФ (2) и соединяет их. Образуется АТФ. Это называется фосфорилирование.

Фосфорилирование - синтез АТФ

АДФ + Ф+ Энергия → АТФ

Сжигая топливо, клетка запасает энергию в АТФ. А потом когда нужно (и где нужно) расщепляет разрывает макроэргическую связь в АТФ, и энергия выделяется:

АТФ - аккумулятор энергии

Не вся энергия запасается.

Если бы мы запасали всю энергию в виде АТФ, потом бы ее всю тратили на синтез веществ. Потом бы разлагали эти вещества и снова бы запасали энергию, которая при этом образуется. То получился бы вечный двигатель. Но это невозможно. Часть энергии превращается в простое тепло.

Я не говорю теряется, потому что тепло нам тоже нужно – ничего не зря. Белки ведь, если помните, работают при строго определенной температуре.

Универсальное топливо.

Организм, в отличие от машины, может потреблять разные виды топлива. Но, так же как и она, сжигать может только один вид. Универсальным топливом для нас является водород.

Да, вы все правильно прочитали, именно этот взрывоопасный газ нас обеспечивает основной частью энергии. Сжигание происходит в митохондрии.

И для водорода тоже нужен переносчик. Таких переносчиков существует два: НАД и ФАД.

У них очень длинные названия: ФАД – флавинадениндинуклеотид, НАД – никотинамидадениндинуклеотид.

Каждый уносит по два атома водорода. Когда НАД и ФАД присоединяют водород, они восстанавливаются. Когда отдают, соответственно, окисляются:

Различие в том, что ФАД – «слабенький» и уносит водороды, которые дают чуть меньше энергии, чем те, которые переносит НАД. Но об этом позже.

Подготовительный этап энергетического обмена.

Все, что мы едим надо приготовить к тому, чтобы отщеплять водород. Это происходит под действием пищеварительных ферментов в ЖКТ. Основные компоненты пищи: белки, жиры и углеводы расщепляются на составные части.

  1. Белки – это полимеры аминокислот (АК):

Белки разлагаются до аминокислот:

гидролиз белка

  1. Жиры образованы глицерином (1) и жирными кислотами (2).

Жиры тоже разлагаются на составные части:

гидролиз жира на глицерин и жирные кислоты

  1. Углеводы.

Углеводы могут быть моносахаридами, олигосахаридами и полисахаридами. Олигосахариды и полисахариды образованы моносахаридами, поэтому на них и разлагаются. В итоге все углеводы превращаются в глюкозу.

гидролиз крахмала

А вы скажете: почему только глюкоза? Есть же продукты, содержащие фруктозу, галактозу и другие моносахариды. Да, но клетки кишечника (энтероциты) превращают все моносахариды в глюкозу. Так что в кровь всасывается только она.

Глюкоза – главный участник энергетического обмена. Ее разложение и разберем.

Гликолиз.

Из клеток кишечника глюкоза попадает в кровь. Кровью она доставляется в клетку.

И в цитоплазме клетки протекает процесс, называемый гликолизом.

Гексоза глюкоза (С6) разбивается на две триозы (С3). И каждая триоза преобразуется в пировиноградную кислоту (ПВК). Формула ПВК изображена на рисунке, ее формулу неплохо бы и запомнить.

В ходе превращения каждой триозы до ПВК отщепляется первая порция атомов водорода и уносится НАДом. А также образуется АТФ.

гликолиз - окисление глюкозы до ПВК

Заметьте, этот АТФ образовался без сжигания водорода. Такое образование АТФ называется субстратным фосфорилированием. Энергия, которая запасается, берется не из сжигания водорода, а напрямую от связей в органических веществах. В противоположность окислительно-восстановительному фосфорилированию, о котором позже. А вот два НАД·Н2, которые здесь образуются уже направляются на сжигание в митохондрию.

субстратное фосфорилирование

уравнение гликолиза

Декарбоксилирование ПВК.

Этот процесс протекает в митохондрии. ПВК проникает туда.

перенос ПВК в митохондрию

Декарбоксилирование – это отщепление CO2 от ПКВ. Если от ПВК оторвать СО2 получится уксусная кислота. Но уксусная кислота – не кот, она не может гулять сама по себе. Ей тоже нужен переносчик. Молекулой-переносчиком для уксусной кислоты служит кофермент-А (КоА). Молекула уксусной кислоты, которая переносится коферментом-А называется ацетил-КоА.

В ходе этого процесса отщепляется еще одна порция водорода и уносится НАДом.

декарбоксилирование ПВК и образование ацетил-КоА

Цикл Кребса.

Ночной кошмар всех изучающий биохимию, хотя там сложного ничего нет. Нам этим пока заниматься рано. Мы рассмотрим в упрощенной форме.

Все, что нам пока нужно знать: цикл Кребса – это последовательность реакций, в ходе которых уксусная кислота (в виде ацецил-КоА) окончательно разлагается до СО2. Весь оставшийся водород отщепляется. Образуется 3НАД·Н2 и 1ФАД·Н2. И, кроме этого, образуется один АТФ. Благодаря, опять-таки, субстратному фосфорилированию: напрямую запасается энергия из химический связей.

цикл Кребса

суммарное уравнение цикла Кребса
суммарное уравнение цикла Кребса

Электрон-транспортная цепь: сжигание водорода.

И, наконец, настал момент сжечь весь водород, который отщеплен от органических веществ.

Но сначала подведем небольшой итог:

окисление глюкозы
Итоговая схема окисления глюкозы до углекислого газа и воды

Из 1 молекулы глюкозы мы получили 4АТФ (2 в гликолизе и 2 в цикле Кребса). 10НАД·Н2 и 2ФАД·Н2.

На внутренней мембране митохондрии располагается топка, где весь собранный водород сжигается. Это сложный белковый комплекс, который называется электрон-транспортной цепью (или дыхательной цепью).

электрон-транспортная цепь
Электрон-транспортная цепь располагается на внутренней мембране митохондрии

В электрон-транспортной цепи (1) водород, который принесли переносчики (2), в прямом смысле сжигается: он реагирует с кислородом (3) и выделяется энергия (4). Эту энергию электрон-транспортная цепь использует для присоединения фосфата к АДФ. Образуется АТФ, и энергия запасается.

окислительно-восстановительное фосфорилирование

Такое фосфорилирование, когда запасается энергия, получаемая при сжигании кислорода, называется окислительно-восстановительным фосфорилированием.

Окислительно-восстановительное фосфорилирование – это главный процесс, где нам нужен кислород. Фактически для него мы и дышим.

Энергии из водородов, которые приносит один НАД·Н2, хватает на синтез 3АТФ.

А ФАД, как говорилось ранее, «слабее». Энергии от одного ФАД·Н2 хватает только на 2АТФ.

При окислении одной молекулы глюкозы мы получим:

10 НАД·Н2 – это 3 · 10 = 30АТФ

2ФАД·Н2 – это 3 · 2 = 6АТФ

Итого, окислительно-восстановительное фосфорилирование нам дает 34АТФ. Сравните с 4АТФ субстратного фосфорилирования. Очевидно преимущество.

Что будет, если кислород перестанет поступать.

Если кислород перестанет поступать в клетку, то остановится электрон-транспортная цепь.  Перестанет утилизироваться водород. Накапливаются НАД·Н2 и ФАД·Н2. Останавливается цикл Кребса, а за ним – декарбоксилирование. Работает только гликолиз.

ПВК не утилизируется, и, соответственно, накапливается. НАД·Н2 начинает сбрасывать атомы водорода на ПВК, и вот к чему это приводит:

синтез молочной кислоты из ПВК

ПВК превращается в молочную кислоту. В легкой форме такое состояние испытывал каждый из нас: когда долго бежал или занимался на тренажере. Накопление молочной кислоты в мышечных клетках вызывает боль в мышцах. Это при небольшом недостатке кислорода.

Если же полностью перекрыть доступ к кислороду, то АТФ из гликолиза однозначно будет не хватать для поддержания нормальной жизнедеятельности. Энергодефицит и накопление молочной кислоты приводит к гибели клетки.

Такой гликолиз в анаэробных условиях, когда нет возможности утилизировать ПВК и он превращается в молочную кислоту, называется анаэробным гликолизом.

анаэробный гликолиз
Анаэробный гликолиз приводит к накоплению молочной кислоты

В норме анаэробный гликолиз протекает в клетках, в которых нет митохондрий. Например, в эритроцитах.

Не глюкозой единой.

Мы разобрали окисление глюкозы, в которую превращаются все углеводы. Но кроме углеводов есть еще жиры и белки. Жиры на подготовительном этапе разложились на жирные кислоты и глицерин, белки – на аминокислоты. Как получить энергию из них?

Все это через цепи биохимических процессов превращается в ацетил-КоА, который направляется в цикл Кребса. Так или иначе все вещества, которые должны быть утилизирована превращаются в ацетил-КоА. И цикл Кребса для всех веществ является конечной точкой. Поэтому его часто называют общим путем катаболизма.

Жирные кислоты – очень ценный источник энергии для организма. Процесс превращения жирных кислот в ацетил-КоА называется бета-окислением. Длинна молекула жирной кислоты «рубится» на молекулы ацетил-КоА, как на дрова.

бета-окисление

Аминокислоты не используются как основной источник энергии. Они идут главным образом на синтез белков. Но возникают ситуации, когда требуется их утилизировать. Либо при крайнем истощении, когда запасов жиров и углеводов уже нет. Либо когда просто нужно избавиться от лишних аминокислот.

Разные аминокислоты (а их всего 20, как вы помните) утилизируются по-разному. Но в конечном итоге они все превращаются в ацетил-КоА и сгорают в цикле Кребса.

Простая арифметика.

Наконец, посчитаем молекулы АТФ. Это бывает нужно для решения задач. Расчеты для глюкозы:

Подготовительный этап не дает АТФ. Кислороднезависимые процессы (гликолиз) дают 2 АТФ на одну молекулу глюкозы.

Кислородзависимые реакции – это те, что протекают в митохондрии (декарбоксилирование ПВК, цикл Кребса и сжигание водорода в электрон-транспортной цепи). Они дают 36АТФ на одну молекулу глюкозы. По 18 с каждой ПВК: 17 – от сжигания водорода и 1 – от субстратного фосфорилирования.

 

Авторизация
*
*

Регистрация
*
*
*
Пароль не введен
*
Генерация пароля

himiyaklas.ru cможет принять любую посещаемость благодаря кешированию WP Super Cache