Обмен энергии

Энергия в растениях накапливается в ходе процесса фотосинтеза за счет солнечной энергии, т. е. основным источником энергии для всех организмов на земле является солнечное излучение.

Животные получают необходимую им энергию в ходе распада (окисления) органических (питательных) веществ в организме.

Основным носителем энергии является электрон атома водорода.

Энергия выделяется в окружающую среду при переходе электрона с высокого энергетического уровня на более низкий.

Сущность энергетического обмена состоит в освобождении электронов атомов водорода из питательных веществ и использование их энергии для обеспечения всех химических процессов организма.

Особенностью этого обмена в организме являются постепенная выработка энергии и аккумулирование ее в макроэргических соединениях. Освободившаяся при этом энергия частично расходуется в виде тепла, а большая часть ее накапливается в фосфатной связи, которая называется макроэргической.

Соединения, содержащие макроэргическую связь, называются макроэргическими веществами или макроэргами. Основным макроэргическим веществом в организме является АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Из других макроэргов следует отметить кератин-фосфат, фосфоенолпировиноградную кислоту. Особенностью этих соединений является то, что при распаде энергия макроэргической связи не рассеивается, а переносится без потерь на другие соединения. Например: для синтеза АТФ необходимы АДФ, фосфорная кислота (H₃PO₄), соответствующие ферменты и определенное количество энергии. При распаде АТФ образуются исходные вещества и высвобождается такое же количество энергии.

Процесс освобождения энергии пищи, заключенной в электронах водорода, можно представить как процесс освобождения водорода и разбить условно на три этапа.

На I этапе (подготовительном), который протекает в желудочно-кишечном тракте, происходит расщепление высокомолекулярных соединений пищи до их составных частей (мономеров) и всасывание образовавшихся мономеров. Так, белки распадаются до аминокислот, углеводы — до моносахаридов, жиры — до глицерина и жирных кислот. На этом этапе освобождается примерно 0,1% энергии.

На II этапе, происходящем в клетках, мономеры распадаются на более простые соединения, которые могут быть одинаковыми у разных мономеров. Так, при окислении углеводов, жиров и некоторых аминокислот образуется одно и то же вещество — ацетил-Ко А (ацетил-кофермент А) — универсальный метаболит организма. На этом этапе высвобождается 1/3 часть всей энергии распавшихся веществ.

III этап представляет собой полное окисление ацетил-Ко а в цикле Кребса с образованием углекислого газа и освобождением водорода.

Цикл Кребса — это завершающий этап катаболизма, в ходе которого происходит окисление остатка уксусной кислоты, входящей в ацетил-Ко А до углекислого газа и воды. Цикл Кребса представляет собой замкнутую систему реакций, начинающуюся со взаимодействия ацетил-Ко А и щавелево-уксусной кислоты с образованием лимонной кислоты, которая проходя через ряд стадий, вновь превращается в щавелево-уксусную кислоту.

Реакции в цикле Кребса характеризуются строгой последовательностью. В качестве субстратов окисления, т. е. веществ, от которых отнимается водород, используются промежуточные продукты: изолимонная, альфа-кетоглутаровая, янтарная и яблочная кислоты. Окисление этих кислот катализируется ферментами дегидрогеназами, коферментами которых являются производные витаминов НАД, ФАД и др. Так, никотиновая кислота входит в состав НАД, а рибофлавин в ФАД.

Механизм действия дегидрогеназ заключается в том, что они отщепляют при окислении от кислот атомы водорода, которые присоединяются к коферментам. В результате этого НАД превращается в НАДH₂, ФАД в ФАДH₂ и т. д.

Освободившийся водород окисляется кислородом с образованием воды. Именно в ходе этого процесса происходит освобождение энергии, заключенной в электронах.

В эксперименте взаимодействие водорода с кислородом приводит к образованию воды, сопровождающееся взрывом, что свидетельствует о большом запасе энергии в электронах водорода. В организме образование воды происходит через ряд реакций:

1. Освободившийся в ходе процессов окисления в цикле Кребса водород поступает в цепь биологического окисления, расположенную в мембранах митохондрий, где энергия электронов выделяется не одномоментно, а постепенно. Эта цепь представляет собой последовательность окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых происходит перенос электронов водорода на кислород. Перенос электронов осуществляется с помощью коферментов дегидрогеназ НАД, ФАД, цитохромов. Особенностью этих соединений является их способность как окисляться, так и восстанавливаться. НАД может присоединить водород и отдать его на ФАД. При этом НАД окисляется, а ФАД восстанавливается. Цитохромы — специфические ферменты и участвуют только в переносе электронов. Механизм действия цитохромов состоит в том, что в их составе имеется атом железа с переменой валентностью, который может находится как в окисленном, так и в восстановленном состоянии. Один из цитохромов или цитохромоксидаза передает электроны непосредственно на кислород, переводя его в ионизированное состояние.

2. Восстановленный кислород взаимодействует с протонами 2H⁺ с образованием воды.

Всего, при переносе двух атомов водорода на кислород, т. е. в расчете на одну образовавшуюся молекулу воды, синтезируются 3 молекулы воды.

Значение цепи биологического окисления заключается в том, что электроны, переходя от одного переносчика на другой, постепенно опускаются с более высокого уровня на более низкий, постепенно теряя при этом заключенную в них энергию.

Освободившаяся энергия частично расходуется на образование тепла, а большая часть — на образование макроэргических соединений.

Образование макроэргических соединений в организме происходит двумя путями: окислительным и субстратным фосфорилированием.

Окислительное фосфорилирование - это путь синтеза АТФ с использованием энергии, образовавшейся при окислении вещества в цепи биологического окисления.

Энергетическая ценность цикла Кребса составляет 12 молекул АТФ, из которых 11 образовались путем окислительного фосфорилирования, а одна — при субстратном фосфорилировании (при превращении сукцинил-Ко А в янтарную кислоту).

Субстратное фосфорилирование — это синтез АТФ путем переноса макроэргической фосфатной связи с остатком фосфорной кислоты от субстрата на АТФ.

Процессы биологического окисления и окислительного фосфорилирование происходят в митохондриях, которые называют «энергетическими станциями» организма. Основным способом биологического окисления, т. е. окисление органических соединений в живом организме является тканевое дыхание (митохондриальное окисление).

Тканевое дыхание — это основной способ получения АТФ, используемый всем клетками организма (кроме красных клеток крови). Тканевое дыхание — это сложный ферментативный процесс. Все ферменты этого процесса делятся на три группы:

1. Никотинамидные дегидрогеназы

2. Флавиновые дегидрогеназы

3. Цитохромы

В процессе тканевого дыхания от окисляемого вещества отнимаются два атома водорода (два протона и два электрона) и по дыхательной цепи, состоящей из ферментов и коферментов, передаются на молекулярный кислород, доставляемый кровью из воздуха во все ткани организма. В результате присоединения атомов водорода к кислороду образуется вода. За счет энергии, выделяющейся при перемещении электронов по дыхательной цепи, в митохондриях осуществляется синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты.

Обычно образование одной молекулы воды сопровождается синтезом трех молекул АТФ.