Обмен веществ и энергии в клетках организма - Рената Петросова

Циклические реакции, в которых происходит преобразование уксусной кислоты, носят название цикла ди- и трикарбоновых кислот, или цикла Кребса, по имени ученого, впервые описавшего эти реакции. В результате ряда последовательных реакций происходит декарбоксилирование — отщепление углекислого газа и окисление — снятие водорода с образующихся веществ. Углекислый газ, образующийся при декарбоксилировании ПВК и в цикле Кребса, выделяется из митохондрий, а далее из клетки и организма в процессе дыхания. Таким образом, углекислый газ образуется непосредственно в процессе декарбоксилирования органических веществ. Весь водород, который снимается с промежуточных веществ, соединяется с переносчиком НАД+, и образуется НАД · 2Н. При фотосинтезе углекислый газ соединяется с промежуточными веществами и восстанавливается водородом. Здесь идет обратный процесс.

Общее уравнение декарбоксилирования и окисления ПВК:

2С3Н4O3 + 6Н2O + 10НАД+  6СO2 + 10НАД · 2Н.

Проследим теперь путь молекул НАД · 2Н. Они поступают на кристы митохондрий, где расположена дыхательная цепь ферментов. На этой цепи происходит отщепление водорода от переносчика с одновременным снятием электронов. Каждая молекула восстановленного НАД · 2Н отдает два водорода и два электрона. Энергия снятых электронов очень велика. Они поступают на дыхательную цепь ферментов, которая состоит из белков — цитохромов. Перемещаясь по этой системе каскадно, электрон теряет энергию. За счет этой энергии в присутствии фермента АТФ-азы синтезируются молекулы АТФ. Одновременно с этими процессами происходит перекачивание ионов водорода через мембрану на наружную ее сторону. В процессе окисления 12 молекул НАД · 2Н, которые образовались при гликолизе (2 молекулы) и в результате реакций в цикле Кребса (10 молекул), синтезируются 36 молекул АТФ. Синтез молекул АТФ, сопряженный с процессом окисления водорода, называется окислительным фосфорилированием. Этот процесс был впервые описан русским ученым В. А. Энгельгардтом в 1931 г.

Рис. 18. Окислительное фосфорилирование. Схема работы дыхательной цепи ферментов

Конечным акцептором электронов является молекула кислорода, поступающая в митохондрии при дыхании. Атомы кислорода на наружной стороне мембраны принимают электроны и заряжаются отрицательно. Положительные ионы водорода соединяются с отрицательно заряженным кислородом, и образуются молекулы воды. Вспомним, что кислород атмосферы образуется в результате фотосинтеза при фотолизе молекул воды, а водород идет на восстановление углекислого газа. В процессе энергетического обмена водород и кислород вновь соединяются и превращаются в воду.

Обобщенная реакция кислородного этапа окисления:

2С3Н4O3 + 4Н + 6O2  6СO2 + 6Н2O;

36АДФ  36АТФ.

Итак, выход молекул АТФ при кислородном окислении в 18 раз больше, чем при бескислородном.

Суммарное уравнение окисления глюкозы на двух этапах:

С6Н12O6 + 6O2  6СO2 + 6Н2O + E

Таким образом, при расщеплении глюкозы на двух этапах образуется суммарно 38 молекул АТФ, причем основная часть — 36 молекул — при кислородном окислении. Такой выигрыш энергии обеспечил преимущественное развитие аэробных организмов по сравнению с анаэробными.

Эффективность энергетического обмена

Общее количество энергии, выделившееся в процессе энергетического обмена, составляет 2880 кДж/моль. Из них часть рассеивается в виде тепла, а часть запасается в 38 молекулах АТФ. Энергия, запасенная в 1 моль АТФ, составляет 30,6 кДж/моль. В 38 молекулах АТФ запасается 38 30,6 = 1162,8 кДж/моль. Эффективность процесса дыхания составляет:

(1162,8: 2880) · 100 % = 40,37 %.

Таким образом, при аэробном окислении глюкозы запасается в виде АТФ 40,37 % энергии.

При анаэробном окислении образуются лишь две молекулы АТФ. Рассчитаем эффективность этого процесса. Общее количество энергии спиртового брожения составляет 210 кДж/моль. Эффективность спиртового брожения:

(2 — 30,6: 210) · 100 % = 29,14 %.

Общее количество энергии при молочнокислом брожении (гликолиз в мышцах) составляет 150 кДж/моль. Эффективность молочнокислого брожения:

(2 — 30,6: 150) · 100 % = 40,8 %.

Сравним эти данные с КПД различных двигателей. В лучших турбинах КПД использования энергии составляет 20–25 %. В двигателях внутреннего сгорания — 35 %. Эффективность окисления органических веществ в живых организмах не вызывает сомнения.

Процессы дыхания, или биологического окисления, и горения схожи по конечному результату, но не по сберегаемости энергии. При горении вся энергия переходит в световую и тепловую, ничего при этом не запасается. В процессе дыхания часть энергии сберегается в молекулах АТФ, которые впоследствии используются в реакциях пластического обмена при синтезе органических веществ.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. АТФ — постоянный источник энергии для клетки. Его роль можно сравнить с ролью аккумулятора. Объясните, в чем заключается это сходство.

2. Что общего в реакциях превращения белков, жиров и углеводов в пищеварительном тракте человека? Как называются такие реакции? В каких органеллах клетки могут происходить аналогичные процессы расщепления?

3. Как используется организмом энергия, освобождающаяся на подготовительном этапе обмена?

4. Как продукты расщепления белков, жиров, углеводов доставляются к тканям и клеткам? Объясните механизм их транспорта через клеточную мембрану.

5. Сравните и оцените энергетическую эффективность двух типов брожения глюкозы. Сделайте вывод об эффективности анаэробного пути обмена веществ.

6. Опишите последовательность превращения пировиноградной кислоты в процессе биологического окисления. В результате каких реакций образуется углекислый газ? В каких органеллах клетки идут эти процессы?

7. Где и как используется кислород, поступающий в организм при дыхании? Где происходит образование молекул воды?

8. Как идет преобразование энергии, выделяющейся в процессе реакций кислородного этапа? Сравните количество образующихся молекул АТФ в результате циклических реакций и на дыхательной цепи. Объясните этот факт.

9. Как используется энергия электронов в процессе окислительного фосфорилирования? Почему этот процесс называется окислительным фосфорилированием? Назовите структуры митохондрий, в которых идут циклические реакции и окислительное фосфорилирование. Какие из этих реакций будут идти с большей скоростью? Ответ поясните.

10. АТФ синтезируется в митохондриях и хлоропластах. Объясните, в чем сходство и различие процессов, приводящих к синтезу этих молекул в органеллах.

6. Генетический код остановилась

Гены и ДНК

Способность клеток поддерживать высокую степень упорядоченности своей организации связана с генетической информацией.

Гены — наследственные факторы, представляющие собой определенный набор последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК, в которых хранится информация о строении и свойствах каждой клетки и организма в целом. Носителями наследственной информации являются хромосомы, состоящие из молекул ДНК.

Долгое время ученые считали, что передача генетической информации осуществляется белками, так как это единственные вещества, обладающие структурным разнообразием. Многочисленные исследования бактерий и вирусов показывали несостоятельность этой теории.

Открытая Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком двойная спираль молекулы ДНК привлекла к себе пристальное внимание ученых. Были высказаны предположения, что две цепи ДНК способны раскручиваться и служить матрицей для синтеза новых молекул. Модель Уотсона и Крика помогла сформулировать общие принципы процесса передачи генетической информации от клетки к клетке, от организма к организму.

Генетический код

Специфичность каждой клетки определяется набором белков. Они составляют половину всей массы клетки, выполняют разнообразные и многочисленные функции, обеспечивают рост, развитие, дифференциацию клеток, поддержание их структуры и функций.

Вся многочисленная наследственная информация записана на ДНК в виде линейной последовательности четырех типов нуклеотидов — аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г), цитозина (Ц). Генетическая информация записана четырехбуквенным алфавитом. Последовательность нуклеотидов на ДНК определяет соответствующее информационное содержание. Число различных последовательностей в молекуле ДНК составляет 4n, где п — это число нуклеотидов в одной цепи молекулы ДНК. Величина п очень велика. Так, например, ДНК в клетке животного обычно содержит 3 · 109 нуклеотидов. Как же клетка осуществляет перевод последовательности нуклеотидов ДНК в последовательность аминокислот белка?