Біологія. Практичний довідник. 9 клас

Принципи функціонування клітини

Енергетичний обмін

Процес енергетичного обміну поділяють на три послідовні етапи.

Підготовчий етап.

На цьому етапі макромолекули біохімічних субстратів — білків, вуглеводів, жирів, нуклеїнових кислот — під дією ферментів травних соків розпадаються на дрібні молекули: з крохмалю, глікогену утворюється глюкоза; з жиру — гліцерин і жирні кислоти, з білка — амінокислоти; з нуклеїнових кислот — нуклеотиди. Розпад речовин на цьому етапі супроводжується зовсім незначним енергетичним фактом. Уся енергія, яка утворюється під час цих реакцій, розсівається у вигляді тепла. Біологічний смисл реакцій підготовчого етапу полягає, без сумніву, не в добуванні енергії, а в підготовці речовин до подальших перетворень. Про це свідчить і той факт, що в більшості тварин реакції цього етапу відбуваються позаклітинно (у шлунку, кишечнику).

Другий етап енергетичного обміну називають неповним, або безкисневим, або анаеробним, або гліколізом.

Відбувається в цитоплазмі клітини.

Речовини, які утворилися на підготовчому етапі, — глюкоза, амінокислоти та інші — продовжують розпадатися далі. Це — тривалий, складний, багатоступінчатий процес. Він складається з ряду ферментативних реакцій, що йдуть одна за одною. Кожна реакція каталізується особливим ферментом, оскільки дія ферментів строго специфічна. Ферменти, які беруть участь у цьому процесі, розташовуються на внутрішньоклітинних мембранах правильними рядами. Речовина, потрапивши на перший фермент цього ряду, пересувається, як на конвеєрі — на другий фермент, на третій і т. д.

Це забезпечує планомірний і швидкий перебіг процесу. Розглянемо його на прикладі анаеробного розщеплення глюкози, яке має спеціальну назву — гліколіз, або бродіння. У процесі гліколізу Оксиген не бере участі, тому його називають безкисневим розщепленням. Реакція гліколізу в клітині відбувається за участю Н3РО4 і АДФ. Сумарне рівняння має такий вигляд:

Процес гліколізу відбувається у клітинах тварин, молочнокислих бактерій, а також у деяких грибів. У більшості рослин безкисневий розклад відбувається шляхом спиртового бродіння. Багато стадій процесу аналогічні гліколізу, але кінцевими продуктами його замість молочної кислоти є СО2 й етиловий спирт (С2Н5ОН). У процесі гліколізу вивільняється близько 7 % усієї енергії, що міститься в глюкозі. У клітині розщеплюється не лише глюкоза, а й жирні кислоти (з жирів), амінокислоти (з білків), та інші субстрати. Одним з кінцевих продуктів під час їх анаеробного обміну є, як і під час гліколізу, піровиноградна кислота. На стадії утворення цієї речовини відбувається немов злиття обміну вуглеводів, жирів, білків. Потоки піровиноградної кислоти, які надходять унаслідок анаеробного розпаду вуглеводів, білків і жирів, сполучаються разом й утворюють у клітині єдиний фонд піровиноградної кислоти, яка й стає на шлях подальшого розщеплення. У заключній реакції гліколізу піровиноградна кислота перетворюється на молочну кислоту.

Третій етап енергетичного обміну називають повним, або кисневим розщепленням, або циклом Кребса.

Піровиноградна кислота, яка, яка утворюється в результаті анаеробного розщеплення вуглеводів, жирів, білків, окиснюється до кінцевих продуктів, тобто до СО2 і Н2О.

Аеробне розщеплення, як і анаеробний етап, є рядом послідовних ферментативних реакцій. Кожна реакція каталізується особливим ферментом. Їх сукупність зазвичай називають циклом Кребса (на честь англійського біохіміка, який детально дослідив цей клітинний метаболізм). Аеробний цикл Кребса — це справжній коловий процес. Цикл Кребса починається реакцією піровиноградної кислоти зі щавлевооцтовою кислотою, а закінчується утворенням щавлевооцтової кислоти, тобто утворенням продукту, яким процес почався. Основною умовою етапу є надходження в клітину достатньої кількості Оксигену. Як і гліколіз, кисневе розщеплення — це ряд послідовних реакцій, кожна з яких каталізується певним ферментом. Усі ці процеси відбуваються на мембранах мітохондрій. Поступовість кисневого розщеплення і виділення енергії надзвичайно важливі для акумулювання енергії в АТФ. У цьому процесі беруть участь О2, Н3РО4, АДФ.

Сумарне рівняння кисневого розщеплення можна записати так:

Загальне сумарне рівняння енергетичного обміну:

Майже 55 % усієї енергії, що вивільняється під час окиснення глюкози, клітина зберігає у формі АТФ. Решта її (45 %) розсіюється у вигляді тепла.