Распад и окисление органических веществ в клетках

для жизнедеятельности организма постоянно требуется энергия.

Она образуется при распаде органических соединений - в основ­ном углеводов и жиров, в меньшей степени - белков. Белки нуж­ны организму человека для обеспечения анаболических процес­сов. Энергия выделяется при разрушении химических связей меж­ду атомами этих молекул. Частично она рассеивается в виде тепла, а частично запасается в виде АТФ (аденозинтрифосфат). Соотно­шение между рассеянной энергией и запасенной примерно 1: 1.

В молекуле АТФ между остатками фосфорной кислоты имеют­ся макроэргические связи, при разрыве которых выделяется большое количество энергии. Разрыв связей при гидролизе молекул АТФ осуществляется последовательно до АДФ (аденозиндифос­фата) и АМФ (аденозинмонофосфата). Энергия, запасенная в АТФ, может быть использована клетками организма по мере необходи­мости. Таким образом, А ТФ - универсальный аккумулятор энер­гии в клетке.

Сущностью процесса образования АТФ является фосфорили­рование - присоединение остатка фосфорной кислоты к АДФ. Однако для этого необходима энергия, которая образуется в ре­зультате распада сложных органических молекул и тканевого ды­хания. В качестве примера можно рассмотреть образование АТФ при распаде одной молекулы глюкозы (СБН1ЛБ)' Полное расщеп­ление глюкозы до углекислого газа и воды в клетке требует про­хождения анаэробного (бескислородного) и аэробного (с учас­тием кислорода) процессов ее окисления.

Гликолиз (анаэробное окисление). Происходит в цитоплазме клетки без участия кислорода. В последнее время установлено, что гликолиз может активно протекать с высокой скоростью и в аэроб­ных условиях. При гликолизе происходят последовательно 10 био­химических реакций, каждая из которых катализируется своим ферментом. При достаточном количестве кислорода в клетке ко­нечным продуктом анаэробного окисления является пировино­градная кислота (ПВК). При недостатке кислорода в клетке про­исходит еще одна, одиннадцатая, реакция гликолиза, в результа­те которой из ПВК образуется молочная кислота. В процессе 10 реак­ций гликолиза образуются две молекулы ПВК и две молекулы АТФ.

Дефицит кислорода наблюдается в клетках, например, в слу­чае чрезмерной физической нагрузки. При этом в цитоплазме про­исходит активация гликолитических процессов и в большом ко­личестве из глюкозы образуется молочная кислота (лактат). Это вещество не может быть использовано клеткой в дальнейшем и удаляется из нее. При значительном накоплении лактата возника­ют болезненные ощущения, связанные с закислением внутрен­ней среды организма.

Аэробное окисление. ПВК поступает из цитоплазмы клетки в ми­тохондрии, где происходит ее декарбоксилирование до уксусной кислоты, которая «сгорает» В цикле Кребса до углекислоты с ос­вобождением протонов водорода. В дыхательной цепи протоны водорода восстанавливают поступивший кислород до воды и про­исходит синтез 36 молекул АТФ. Суммарная реакция распада глю­козы выглядит следующим образом:

С₆Н_l2О_б + 602 ~ 6С0₂ + 6Н₂О + Q (энергия)

Тканевое дыхание. Так называют обмен газов, происходящий в клетках при биологическом окислении питательных веществ. В ходе окислительных процессов клетки выделяют конечный продукт метаболизма - углекислый газ и одновременно поглощают из кровеносных капилляров кислород. При этом атомы водорода, образующиеся при окислении глюкозы, переносятся на фермен­ты внутренней мембраны митохондрий. Это так называемая дыха­тельная транспортная цепь. Водород взаимодействует с кислородом, образуя воду. Ток протонов водорода характеризуется значи­тельным выделением энергии, которая расходуется на синтез АТФ из АДФ и остатка фосфорной кислоты. В результате этих реакций при окислении 1 моля глюкозы образуется 38 молекул АТФ. При этом недостаток кислорода лимитирует окислительные реакции значительно сильнее, чем неадекватное удаление углекислого газа. Энергия, аккумулированная в АТФ, используется организмом для поддержания всех его функций, жизненных процессов:

синтеза новых органических веществ, свойственных организму (белков, жиров, углеводов, ДНК), образования новых клеточных структур и органелл;

осуществления основных жизненных процессов в клетке (ми­тоза, транспорта веществ в клетку и др.);

поддержания температурного гомеостаза организма.