Энергетический обмен (катаболизм)

Катаболизм — реакции распада химических соединений, в результате которых запасается необходимая клетке и организму энергия и образуются соединения, используемые в реакциях пластического обмена (рис. 4.11).

Энергетический обмен в животной клетке

Рис. 4.11. Энергетический обмен в животной клетке

К основным реакциям энергетического обмена относят гликолиз и клеточное дыхание.

Для чего клетке нужна энергия? Куда тратится выработанная в клетке энергия?

Клетка является системой, по своему составу и организации резко отличающийся от окружающей ее среды (межклеточного пространства). Установление равновесия с окружающей средой для клетки означает прекращение биохимических реакций и обмена веществ и приведет к смерти. Клетка, которая достигла энергетического равновесия с окружающей средой, не может выполнять какую либо работу и погибает. Фактически метаболическая неравновесность в клетке есть показатель ее жизни.

Показателем неравновесности является так называемая свободная энергия, накопленная в системе (клетке). Уравнение свободной энергии:

где Н — общая энергия системы (клетки); Т — температура; S — степень энтропии (упорядоченности) системы.

Свободная энергия (G) — это та часть общей энергии системы, которая тратится на полезную работу в клетке. Чем больше хаос в системе, тем выше энтропия и тем меньше свободной энергии. Чем больше свободной энергии — тем больше способность системы к выполнению полезной для нее работы.

Все реакции в клетке можно разделить на реакции пластического и энергетического обмена. Пластический обмен потребляет энергию системы, тем самым снижая количество свободной энергии и способность производить какую-либо другую работу. Возместить эти потери могут реакции энергетического обмена. Поскольку клетка — открытая система, то она может получать энергию из разных источников (солнце, распад органических и неорганических соединений) и использовать ее для повышения собственной свободной энергии, которая опять тратится на реакции пластического обмена.

Способность извлекать энергию из окружающей среды является одним из основных свойств, отличающих живые системы от неживых.

Не вся энергия системы тратится на «полезную» работу. Некоторая часть рассеивается в виде тепла, повышая энтропию системы. Это определяет коэффициент полезного действия (КПД) той или иной реакции в клетке. В живых системах КПД довольно высок: в мышцах он достигает 30 %, гликолиз проходит с КПД в 40 %, а в «батареях» электрических рыб КПД затрат энергии на полезную работу достигает 95—98 %. Ни один механизм, построенный человеком, не достигает такого КПД.

По способу «добывания» энергии все существа разделяются на четыре основные группы:

• фотоавтотрофы — организмы, использующие в качестве источника энергии энергию Солнца (зеленые растения, пурпурные и зеленые бактерии, цианобактерии);

  • гетеротрофы — организмы, использующие готовые органические соединения, которые они поглощают в виде пищи (животные, грибы, ряд прокариот, некоторые паразитические высшие растения);
  • авто/гетеротрофы — организмы, совмещающие оба способа «добычи» энергии. Это своеобразные симбиотические организмы, которые используют органические соединения, синтезированные бактериями или водорослями - автотрофами, обитающими в клетках организма хозяина. К ним относятся лишайники, многие одноклеточные эукариоты (протисты) и даже некоторые животные.

Среди этой группы наибольший интерес вызывают недавно открытые беспозвоночные «автотрофные животные» — вестиментиферы. Они живут в глубинах океанов в районах рифтовых разломов, где активно работают подводные вулканы. В этих местах температура воды достигает 300—400 С°. В воде растворены соединения серы, железа, цинка, магния, меди, и все это в кромешной темноте (глубина более километра). В непосредственной близости от этих зон были обнаружены целые сообщества животных. Среди них были и вестиментиферы — животные, у которых нет рта и пищеварительной системы. Как же они питаются? В клетках вестиментифер были обнаружены многочисленные серные бактерии — хемоавтотрофы, которые окисляют сероводород до серы и полученную энергию используют для строительства органических соединений. Эти соединения, в свою очередь, используются организмом хозяина — гетеротрофом. У других глубоководных беспозвоночных — погонофор были обнаружены метанотроф- ные симбиотические бактерии.

Хемоавторофы — организмы (в основном прокариоты), которые необходимую энергию получают за счет энергии химических связей неорганических соединений серы, железа, водорода, азота и т. д.

На какие процессы в клетке тратится энергия, добытая в реакциях энергетического обмена?

Общие энергетические потребности клетки складываются из потребности в энергии многих процессов, постоянно идущих в клетке. Эти процессы можно разделить на несколько групп: механические (движение ресничек и жгутиков, движение клеток, сокращение мышц), транспортные (перенос веществ и ионов через мембраны, внутриклеточный транспорт), химические (процессы распада и синтеза веществ), электрические (возникновение мембранных потенциалов, нервных импульсов).

Рассмотрим основные пути преобразования энергии в про- и эукариотических клетках. Их два: анаэробный (бескислородный) и аэробный (кислородный) обмен.

Аэробный обмен.

Этот путь получения энергии наиболее древний, поскольку на ранних этапах жизни на Земле кислород в атмосфере отсутствовал.

Гликолиз. Основной путь получения энергии при анаэробном обмене. Это процесс анаэробного расщепления глюкозы и других органических соединений. Гликолиз идет в цитоплазме клеток и не связан с какими либо мембранными системами.

Процесс гликолиза довольно сложен и включает несколько этапов, в результате которых из одной молекулы глюкозы образуется две молекулы АТФ, две молекулы НАД-Н2 и две молекулы пировиноградной кислоты (С3Н403). Большая часть энергии (60 %) в реакции гликолиза рассеивается в виде тепла, и только 40 % идет на синтез АТФ. Этот способ синтеза высокоэнергетических молекул АТФ за счет распада молекул углеводов называют субстратным фосфорилированием.

Уравнение гликолиза:

Среди анаэробных прокариотических организмов данный способ получения энергии распространен очень широко. У аэробов (как прокариот, так и эукариот) гликолиз является первым этапом клеточного дыхания. Полученные при этом молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) используются в дальнейших биохимических превращениях. В анаэробных условиях пируват вступает в реакции брожения.

Брожение — это один из самых древних способов использования живыми организмами углеводов. В зависимости от конечного продукта реакции различают несколько видов брожения (рис. 4.12).

Гликолиз. Типы брожения и клеточное дыхание

Рис. 4.12. Гликолиз. Типы брожения и клеточное дыхание

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >