МЕТАБОЛИЗМ - Использование энергии. Гомеостаз - Жизнь и жизнедеятельность

Энергия есть главная движущая сила эволюции.

Р. Фокс

§1. МЕТАБОЛИЗМ.

Живая клетка — непрерывно изменяющаяся структура. Химические реакции, происходящие в ней, можно разделить на две большие группы:

1) анаболические — в этих реакциях крупные молекулы синтезируются из более мелких; для этого необходимо затратить энергию.

2) катаболические — молекулы распадаются на более мелкие; обычно этот процесс идёт с выделением энергии. Впоследствии эти мелкие “кирпичики” могут снова использоваться для биосинтеза.

Перечисленные два типа реакций составляют метаболизм клетки.

     Метаболизм = анаболизм + катаболизм

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. Тем не менее, 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 в результате фосфорилирования из АДФ и фосфата (Фк) в митохондриях клетки:

АДФ + Фк → АТФ + Н₂O

Для этого нужно потратить 30,6 кДж на 1 моль; 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). АТФ (аденозинтрифосфат) — универсальный источник энергии, он может быть доставлен в любое место клетки и гидролизован там с выделением энергии.

Молекула АТФ состоит из аденина, пентарибозы и трёх фосфатных групп. Именно пирофосфатные связи и позволяют запасти в молекуле АТФ столь большое количество энергии.

В дыхательном процессе необходимо наличие окисляющегося вещества (субстрата). Как правило, эту роль играют углеводы, поступающие в клетку в виде питательных веществ, реже — жиры, в исключительных случаях — белки. К примеру, из каждой молекулы глюкозы в итоге получаются две молекулы АТФ, а также две молекулы пировиноград ной кислоты 2С₃Н₄О₃. В присутствии кислорода эта кислота окончательно окисляется до углекислого газа и воды:

С₆Н₁₂O₆ + 6O₂ → 6СO₂ + Н₂O + 38АТФ;

при анаэробном дыхании образуются либо этиловый спирт (например, у дрожжей):

С₆Н₁₂O₆ → 2С₂Н₅ОН + 2СO₂ + 2АТФ;

либо молочная кислота (например, в мышечных клетках при недостатке кислорода):

С₆Н₁₂O₆ → 2С₃Н₆Oз + 2АТФ.

Коэффициент полезного действия этих реакций составляет около 40% для аэробного дыхания и молочнокислого брожения и около 29% для спиртового брожения. Так как часть АТФ при молочнокислом брожении образуется позднее, в присутствии кислорода, то аэробное дыхание можно считать более эффективным, чем анаэробное. Впрочем, КПД любого из этих процессов значительно выше, чем, скажем, КПД парового двигателя (около 10%). Большинство из описанных процессов протекают в митохондриях. В сутки энергозатраты человека покрываются пищей, в которой содержится более полукилограмма глюкозы.

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.