Энергетический обмен

Процессом, противоположным синтезу, является диссимиляция – совокупность реакций расщепления. При расщеплении высокомолекулярных соединений выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Поэтому диссимиляцию называют еще энергетическим обменом клетки или катаболизмом.

Химическая энергия питательных веществ заключена в молекулах АТФ. Отщепление концевого фосфата АТФ сопровождается выделением 40 кДж вместо 12 кДж, выделяемых при разрыве обычных химических связей.

Этапы энергетического обмена.

1.      Первый этап энергетического обмена называется подготовительным.

Происходит в лизосомах.

Он заключается в расщеплении крупных молекул органических веществ  до более мелких составных частей при участии воды (реакции гидролиза):

а) если расщеплению подвергаются чужеродные органические вещества пищи, то этот процесс протекает в желудочно-кишечном тракте;

б) если расщеплению подвергаются собственные органические вещества клеток, то этот процесс происходит за счет ферментов клеточных лизосом. 

Белки расщепляются до аминокислот, жиры до жирных кислот, углеводы до глюкозы. При этом вся энергия расщепления выделяется в виде тепла и молекулы АТФ не образуются.

2.      Второй этап называется гликолизом (брожение, анаэробный этап).

Происходит в цитоплазме клеток.

В мышцах в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на две молекулы пировиноградной кислоты (С₃Н₄О₃), которые затем восстанавливаются в молочную кислоту (С₃Н₆О₃). В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ.

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ + 2НАД⁺ ® 2С₃Н₄О₃ + 2АТФ + 2НАД-Н₂⁺ + 2Н₂О.

У дрожжевых грибов молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и углекислый газ. У других микроорганизмов гликолиз может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты, винной кислоты, масляной кислоты.

Несмотря на низкий энергетический выход, бескислородное расщепление органических веществ широко используется в живой природе. Оно является основным поставщиком энергии для многих микроорганизмов, в том числе прокариот, грибов, анаэробных простейших.

Энергетический выход: 2 молекулы АТФ.

3.      Третий этап – аэробное дыхание (кислородный этап, окисление).

Происходит в митохондриях.

При доступе кислорода к клетке образовавшиеся во время предыдущего этапа вещества окисляются до конечных продуктов – воды и углекислого газа. Кислородное дыхание сопровождается выделением большого количества энергии и аккумуляцией ее в молекулах АТФ.

2С₃Н₆О₃ + 6 О₂ +36АДФ + 36Н₃РО₄ ®36АТФ +  6СО₂ + 42Н₂О.

Различают две стадии клеточного (тканевого) дыхания:

1.      Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса или цикл лимонной кислоты)

2.      Перенос электронов от НАД*Н и ФАД*Н₂ к молекулярному кислороду для синтеза АТФ

Цикл Кребса.

В митохондрии проникает ПВК, образовавшаяся на втором этапе и в результате ряда реакций превращается в ацетил-КоА. В дальнейших реакциях окисляется ацетил-КоА.

Цепь переноса электронов.

Ее называют дыхательной цепью. Перенос электронов от НАД*Н к молекулярному кислороду через электрон-транспортную цепь также называют окислительным фосфорилированием. Происходит окислительно-восстановительная реакция. Энергия переводится в макроэргические связи АТФ.

При полном окислении одной молекулы глюкозы до СО₂ и Н₂О происходит образование 38 макроэргических фосфатных связей в виде АТФ.