Организации энергетического обмена в клетке
Энергия – это «способность производить внешнее действие» (М. Планк, т.е. совершать работу). По виду обмена веществом или энергией с окружающей средой различают следующие виды систем: изолированные (невозможен обмен веществ и энергии), адиабатические (невозможен обмен веществ, но возможен обмен энергией кроме тепловой), замкнутые (невозможен обмен веществ, но возможен обмен энергией в любой форме) и открытые (возможен любой обмен веществом и энергией) системы.
Все клетки и живые организмы являются гетерогенными открытыми системами. Первичным источником энергии для жизни на Земле является солнечная энергия. Для всех клеток живых организмов органические вещества (углеводы, жиры и частично белки) с их химической энергией служат источником энергии, необходимой для жизнедеятельности организма. Автотрофные организмы сами синтезируют энергию в таком виде, гетеротрофные – получают ее от автотрофных. Энергия химических связей, освобождающаяся при распаде органических веществ, не используется в клетках сразу для осуществления работы, а превращается в энергию макроэргических связей молекулы АТФ.
В процессе фотосинтеза солнечная энергия в растительных клетках сначала превращается в энергию молекул АТФ, НАДФН+Н+, а затем молекул органических веществ. В клетках гетеротрофных организмов поток энергии начинается с поступления готовых органических веществ, а затем обеспечивается процессами брожения и дыхания. Брожение происходит в гиалоплазме в анаэробных условиях. При этом промежуточными продуктами диссимиляции органических веществ являются две молекулы пировиноградной кислоты (С3Н4О3) и две молекулы АТФ. Поэтому, выход энергии при брожении невелик. Он составляет 40%, а 60% – рассеивается в виде тепла.
Высокоэнергетичным процессом является дыхание, при котором в матриксе и на мембранах крист митохондрий образуется еще 36 молекул АТФ. В сумме энергия одной молекулы глюкозы трансформируется в энергию 38 молекул АТФ. Энергетический выход на кислородном этапе – 36 АТФ (цикл Кребса – 2 АТФ, электронтранспортная цепь 34 АТФ) (Рис. 4).
Процесс энергетического обмена включает: подготовительный этап, бескислородный и кислородный. На первом этапе наблюдается образование мономеров из сложных органических веществ. Во втором – участвует более 10 ферментативных реакций цитоплазмы. На этом этапе завершается энергетический обмен организмов анаэробов. При этом, из АДФ и фосфатов клетки синтезируется только 2 молекулы АТФ и 2 молекулы пировиноградной кислоты.
Рис. 4 — Общая схема потока энергии
У высокоорганизованных животных и человека гликолиз является обязательным дополнительным источником энергии к аэробиозу. При недостатке кислорода в мышцах продолжается анаэробное расщепление пировиноградной кислоты. При этом пировиноградная кислота превращается в молочную.
Полное извлечение энергии из промежуточного продукта распада пировиноградной кислоты происходит на кислородном этапе, включающем цикл Кребса в матриксе митохондрий и дыхательную цепь на мембранах крист (10 реакций последовательного превращения трикарбоновых кислот). В цикле Кребса в результате последовательного превращения образуется 2 молекулы АТФ, 6СО2, 8НАДН+Н+ и 2ФАДН2. Последние являются переносчиками водорода к мембранам крист. В дыхательной цепи образуются 34 АТФ и конечный продукт распада – вода. Всего на кислородном этапе энергетический выход составляет 36 АТФ. Общий выход энергии – 38 молекул АТФ из одной молекулы глюкозы.
На синтез АТФ клетка использует 67% энергии поступающих в нее органических веществ.