Енергетичний обмін в клітині

Енергетичний обмін в клітині. синтез АТФ

Синтез АТФ відбувається в цитоплазмі, головним чином в мітохондріях, тому вони і отримали назву «силових станцій» клітини.

У клітинах людини, багатьох тварин і деяких мікроорганізмів головним постачальником енергії для синтезу АТФ є глюкоза. Розщеплення глюкози в клітці, в результаті якого відбувається синтез АТФ, здійснюється в дві наступних один за одним стадії. Першу стадію називають гликолизом, або безкисневим розщепленням. Другу стадію називають кисневим розщепленням.

Гліколіз. Для ілюстрації (не для запам'ятовування) наведемо його підсумкове рівняння:

З рівняння видно, що в процесі гліколізу кисень не бере (тому стадія ця і називається безкисневим розщепленням). У той же час обов'язковим учасником гліколізу: є АДФ і фосфорна кислота. Обидва ці речовини завжди є, так як вони постійно утворюються в результаті життєдіяльності клітини. У процесі гліколізу розщеплюються молекули глюкози і відбувається синтез 2 молекул АТФ.

Підсумкове рівняння не дає уявлення про механізм процесу. Гліколіз - процес складний, багатоступінчастий. Він являє собою комплекс (або, краще сказати, конвеєр) наступних один за одним декількох реакцій. Кожну реакцію каталізує особливий фермент. В результаті кожної реакції відбувається невелика зміна речовини, а в підсумку зміна значно: з молекул 6-вуглецевої глюкози утворюються 2 молекули 3-вуглецевої органічної кислоти. В результаті кожної реакції звільняється невелика кількість енергії, а в сумі виходить значна величина - 200 кДж / моль. Частина цієї енергії (60%) розсіюється у вигляді теплоти, а частина (40%) зберігається в формі АТФ.

Процес гліколізу відбувається у всіх тваринних клітинах і в клітинах деяких мікроорганізмів. Відоме всім молочнокисле бродіння (при скисанні молока, освіті кислого молока, сметани, кефіру) викликається молочнокислими грибками і бактеріями. Механізм цього процесу тотожний гликолизу.

Кисневе розщеплення. Після завершення гліколізу йде друга стадія - кисневе розщеплення.

У кисневому процесі беруть участь ферменти, вода, окислювачі, переносники електронів і молекулярний кисень. Основна умова нормального перебігу кисневого процесу - це неушкоджені мітохондріальні мембрани.

Кінцевий продукт гліколізу - трехуглеродная органічна кислота - проникає в мітохондрії, де під впливом ферментів вступає в реакцію з водою і повністю руйнується:

Оксид вуглецю, (IV) вільно проходить через мембрану мітохондрії і видаляється в навколишнє середовище. Атоми водню переносяться в мембрану, де під впливом ферментів окислюються, т. Е. Втрачають електрони:

Електрони і катіони водню Н + (протони) підхоплюються молекулами-переносниками та переправляються в протилежні сторони: електрони на внутрішню сторону мембрани, де вони з'єднуються з киснем (молекулярний кисень безперервно надходить в мітохондрії з навколишнього середовища):

Катіони Н + транспортуються на зовнішню сторону мембрани. В результаті всередині мітохондрії збільшується концентрація аніонів Про r

т. е. часток, що несуть негативний заряд. На мембрані зовні накопичуються позитивно заряджені частинки (І), так як мембрана для них непроникна. Отже, мембрана зовні заряджається позитивно, а зсередини - негативно. У міру збільшення концентрації протилежно заряджених частинок по обидва боки мембрани між ними зростає різниця потенціалів.

Встановлено, що в деяких ділянках мембрани в неї вмонтовані молекули ферменту, який синтезує АТФ. У молекулі ферменту є канал, через який можуть пройти катіони H +. Це відбувається, однак, в тому випадку, якщо різниця потенціалів на мембрані досягає деякого критичного рівня порядку (200 мВ). Після досягнення цього значення силою електричного поля позитивно заряджені частинки проштовхуються через канал в молекулі ферменту, переходять на внутрішню сторону мембрани і, взаємодіючи з киснем, утворюють воду:

Процес кисневого розщеплення описується рівнянням:

В ході цього процесу звільняється значна енергія, 2600 кДж на кожні 2 благаючи органічної кислоти; 45% цієї енергії розсіюється у вигляді тепла, а 55% зберігається, т. Е. Перетворюється на енергію хімічних зв'язків АТФ.

Підсумувавши рівняння безкисневого і кисневого процесів, отримаємо рівняння повного розщеплення, молекули глюкози:

Матеріал цього параграфа дозволяє зробити наступні висновки:

1. Синтез АТФ в процесі гліколізу не потребує мембранах. Він йде і в пробірці, якщо є всі ферменти і субстрати. Для здійснення кисневого процесу необхідна наявність мітохондріальних мембран, так як вирішальну роль відіграють відбуваються на них електричні явища.

2. Розщеплення в клітці 1 молекули глюкози до оксиду вуглецю (IV) і води забезпечує синтез 38 молекул АТФ. З них в безкисневому стадію синтезуються 2 молекули, а в кіслородную- 36. Кисневий процес, таким чином, майже в 20 разів ефективніший, ніж безкисневому.

3. У житті клітини нерідко виникають ситуації, коли здійснення кисневого процесу ускладнене або неможливе (при нестачі кисню, пошкодженні мітохондрій). У цих випадках клітина з метою отримання необхідного для життя кількості АТФ використовує тільки безкисневому процес. Для цього їй потрібно витрачати в 20 разів більше глюкози, ніж у нормі.

4. Пропонуємо вирішити задачу: скільки АТФ синтезується клітинами людини в добу? Для вирішення завдання скористаємося сумарним рівнянням, з якого випливає, що при повному розщепленні однієї молекули глюкози синтезується 38 молекул АТФ.

Молекулярна маса глюкози - 180, АТФ - 504. Таким чином, в результаті розщеплення 180 г глюкози синтезується 504 · 38 = 19152 г АТФ. В добу енерговитрати дорослої людини покриваються доставкою з їжею 600-700 г глюкози. Якщо 180 г глюкози забезпечують синтез 19 кг АТФ, то 600 г глюкози дають 63 кг. Отже, протягом доби в тілі людини синтезується (і витрачається!) Більше 60 кг АТФ. Ця цифра здається неправдоподібною, але вона абсолютно точна.