3.13. Кислородная задолженность

 

Когда какая–либо ткань, например работающая мышца, получает О₂ меньше того количества, которое необходимо для синтеза АТР путем окислительного фосфорилирования, часть пировиноградной кислоты перестает поступать в качестве субстрата в ЦТК и восстанавливается в молочную кислоту. На каждые две молекулы восстановленной пировиноградной кислоты получаются две молекулы окисленного NADH (рис. 3–42), что обходится клетке в шесть молекул АТР, которые она могла бы синтезировать путем фосфорилирования в дыхательной цепи. Если кислородное голодание продолжается, концентрация молочной кислоты растет, и часть ее может проникать в межклеточное пространство и систему кровообращения. После того как мышца расслабляется, накопившаяся в ней молочная кислота окисляется NAD⁺ при участии фермента лактатдегидрогеназы обратно в пировиноградную кислоту (рис. 3–46).

 

Рис. 3.46. Синтез пировиноградной кислоты из молочной кислоты за счет восстановления NAD+ до NADH.NAD+ восполняется в процессе окислительного фосфорилирования

 

 

Окисление в дыхательной цепи молекул NADH, образовавшихся в этой реакции, позволяет восстановить запасы АТР, истощенные при анаэробном образовании молочной кислоты. Кроме того, часть пировиноградной кислоты, регенерированной из молочной кислоты, поступает в качестве субстрата в ЦТК, а часть идет на синтез аланина и глюкозы. Таким образом, дефицит кислорода в какой–то ткани приводит к ее переключению на анаэробный гликолиз, при котором синтез АТР происходит с низкой эффективностью. Однако неиспользованная химическая энергия аккумулируется в этой ткани в виде молочной кислоты и позже может использоваться через аэробное расщепление при поступлении достаточного количества кислорода. После прекращения интенсивных физических усилий системы дыхания и кровообращения продолжают некоторое время поставлять в ткани большое количество кислорода, чтобы «погасить» кислородную задолженность, которая материализовалась в виде накопленной молочной кислоты.

 

 

3.14. Резюме

 

Отличительная черта биологических систем заключается в том, что в них поддерживается состояние низкой энтропии, т. е. в том, что они высокоорганизованы. Постоянное расходование энергии на поддержание этой организации должно покрываться за счет энергии молекул питательных веществ в процессе метаболизма. В живой клетке метаболизм осуществляется через упорядоченную последовательность регулируемых химических реакций, катализируемых ферментами. Все самопроизвольно протекающие химические реакции стремятся нивелировать разность энергий, уменьшая свободную энергию и увеличивая энтропию. На первый взгляд кажется, что в живых системах нарушается закон неубывания энтропии, но это не так; просто они существуют за счет химической энергии, получаемой из окружающей их среды.

Биологические реакции, требующие энергетических затрат, идут за счет расщепления АТР – трижды фосфорилированного нуклеозида, который служит общим промежуточным продуктом, способным отдавать химическую энергию, запасенную в его концевой пирофосфатной связи. Такая передача энергии осуществляется в системе сопряженных реакций, в которой эндоэргическая (энергозатратная) реакция протекает за счет экзоэргической (идущей с высвобождением энергии). АТР ресинтезируется из ADP за счет окисления молекул питательных веществ, основная масса которых обязана своим происхождением энергии излучения Солнца, аккумулированной в процессе фотосинтеза в зеленых растениях. Таким образом, животные зависят от энергии, так или иначе поступающей от Солнца.

Катализ, осуществляемый ферментами – глобулярными белковыми молекулами,–уменьшает энергию, которую требуется затратить на активацию реагентов, чтобы реакция могла произойти; поэтому в присутствии катализаторов реакции ускоряются. Таким образом, биохимические реакции могут протекать при умеренных температурах, характерных для живых организмов. Каталитическая эффективность фермента достигается благодаря стерической и электростатической специфичности связывания между активным центром фермента и молекулой субстрата. Такое связывание приводит к благоприятному взаимному расположению в пространстве реагирующих молекул. Регуляция концентраций ферментов сообразно потребности в них, их функциям и условиям окружающей среды осуществляется на генетическом уровне через механизмы ферментативной индукции и репрессии. Активность ряда ферментов может регулироваться также аллостерически, т. е. через конформационные изменения активного центра в результате связывания регуляторных молекул или ионов с каким–то участком на поверхности фермента, расположенным вне его активного центра.

Расщепление молекул углеводов путем их окисления – основной источник химической энергии в животной клетке. В анаэробных условиях этот процесс осуществляется в цитозоле путем гликолиза (до молочной кислоты), в аэробных условиях – через цикл трикарбоновых кислот (до СО₂ и Н₂О). Высвобождение энергии, заключенной в химических связях молекул, в процессе метаболизма происходит при переносе электронов от донора электронов (восстановителя) к окислителю. При гликолизе и окислительном фосфорилировании высвобождение химической энергии осуществляется поэтапно, относительно небольшими порциями, сравнимыми с тем количеством химической энергии, которое требуется для фосфорилирования ADP до АТР. В частности, при окислительном фосфорилировании электроны спускаются вниз по энергетической лестнице по цепи акцепторов и доноров электронов. Таким образом, можно сказать, что существует некий градиент электронного давления, начиная с восстановленных коферментов NADH и FADH, далее по цепи, образованной цитохромами, и кончая конечным акцептором электронов – молекулярным кислородом. Именно сильное сродство атома кислорода к электронам и его распространенность на поверхности Земли делает его идеальным конечным акцептором электронов в живых системах.

В процессе гликолиза глюкоза расщепляется на две трикарбоновые молекулы молочной кислоты при анаэробном окислении, при котором образуются две молекулы АТР, или до пировиноградной кислоты, являющейся субстратом для аэробного расщепления. В цикле трикарбоновых кислот пировиноградная кислота окисляется полностью до СО₂ и Н₂О, что сопровождается образованием 34 молекул АТР и двух молекул GTP. КПД биологических систем составляет поэтому не менее 42%, т.е. значительно больше, чем у любой созданной человеком машины, использующей энергию окисления органических топлив.