2.2. Биоэнергетика на уровне организма
Источником энергии и строительных материалов для живой клетки являются простые органические вещества: моносахара, аминокислоты, жирные кислоты. Часть этих веществ расходуется на синтез из них более сложных органических веществ: углеводов, белков, липидов, из которых строятся клеточные структуры. Другая часть таких же простых органических молекул расходуется в реакциях распада на углекислый газ, воду или еще более простые органические молекулы, сопровождающихся высвобождением энергии. Совокупность этих реакций распада и синтеза называется обменом веществ клетки (организма) или метаболизмом. Реакции синтеза называются реакциями пластического обмена веществ; реакции распада с выделением энергии - реакциями энергетического обмена веществ.
Энергообеспечение любого организма происходит в конечном итоге за счет высвобождения энергии химических связей органических веществ. Поскольку процессы расщепления органических веществ происходят в любом организме постоянно, тогда как уровень энергозатрат значительно колеблется, а также из-за того, что для запуска процесса расщепления органического вещества также требуется энергия, каждая клетка должна иметь определенный энергетический запас, который может быть использован в любой необходимый момент. Таким аккумулятором энергии в живых клетках являются молекулы АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). Особенностью этой молекулы является то, что она очень легко отдает энергию химической связи с остатком фосфорной кислоты, и эта энергия может быть использована для обеспечения любых химических процессов в клетке. В процессе энергетического обмена любой клетки выделяют один или два этапа:
1. бескислородный - общий для всех живых клеток. На этом этапе за счет энергии двух молекул АТФ идет расщепление одной простой шестиуглеродной (6С) органической молекулы (типа глюкозы) на две трехуглеродные (3С) молекулы. В результате этого расщепления выделяется энергия, позволяющая синтезировать 4 молекулы АТФ. Этот этап остается единственным для всех анаэробных организмов;
2. кислородный - аэробные организмы, поглощая в процессе дыхания кислород, обеспечивают себя значительно большими энергоресурсами. Образовавшиеся в результате бескислородного этапа трехуглеродные молекулы (3С) включаются в цикл ферментативных реакций расщепления до образования углекислого газа и водорода. В результате освобождается энергия, достаточная для синтеза шести молекул АТФ.
Взаимодействие образовавшегося водорода с поглощенным кислородом воздуха идет в клетках постепенно, благодаря системе переноса электронов с мембраны на мембрану. В результате высвобождающаяся энергия постепенно аккумулируется в виде 30 молекул АТФ. Таким образом, эта реакция обеспечивает восемнадцатикратное увеличение выхода энергии на одну органическую молекулу:
1
)
б/O2:
6С - 2АТФ
3С
3С + E
+4АТФ;
2) с участием O2: CO2 + H CO2 + H + E 6АТФ
H + O2 H2O + E 30АТФ.