Обмен веществ и энергии в клетке

За счет чего клетка обеспечивается энергией?

Общая характеристика обмена веществ и энергии. Обмен веществ и энергии, или метаболизм (от греч. metabole – перемена), – процесс, который лежит в основе всех явлений жизни.

Все известные науке живые организмы представляют собой открытые системы, постоянно обменивающиеся веществом и энергией с окружающей средой. Энергия нужна для биосинтеза сложных органических веществ, свойственных каждой клетке (аминокислоты, сахара, нуклеотиды, липиды, белки, нуклеиновые кислоты), которые используются для построения различных клеточных структур и обеспечения процессов жизнедеятельности. Для получения энергии многие живые организмы расщепляют и окисляют сложные органические соединения.

Клетка, так же как и организм, – открытая живая система, поэтому она может функционировать только в условиях постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой.

Обмен веществ осуществляется в три этапа:

• поступление веществ в клетку;
• использование этих веществ клеткой;
• выделение конечных продуктов обмена в окружающую среду.

Процесс использования поступивших в клетку веществ представляет собой совокупность всех химических реакций, протекающих в клетке. Различают две стороны обменных процессов: пластический и энергетический обмены.

Пластический обмен, или анаболизм (от греч. anabole – подъем), представляет собой совокупность реакций биосинтеза (фотосинтез, биосинтез белка, хемосинтез), протекающих с затратами энергии и обеспечивающих клетку структурным материалом.

Энергетический обмен, или катаболизм (от греч. katbole – сбрасывание, разрушение), – это совокупность биохимических реакций расщепления и окисления сложных органических веществ, обеспечивающих клетку энергией.

Пластический и энергетический обмены неразрывно связаны между собой: все реакции пластического обмена требуют затрат энергии, накопленной в процессе энергетического обмена, а для протекания реакций энергетического обмена необходимы органические вещества и ферменты (образуемые в процессе пластического обмена).

Энергетический обмен. Все организмы получают энергию в результате окисления органических соединений. Окислением называют потерю электронов каким-либо атомом или потерю атомов водорода молекулой, а также присоединение к молекуле атомов кислорода. Реакции окисления сопровождаются выделением энергии. Особенно много энергии выделяется при окислении органических соединений, так как в их молекулах электроны находятся на высоких энергетических уровнях, а значит, обладают большим запасом энергии.

Одним из основных источников энергии для всех клеток является глюкоза. В клетках растений глюкоза образуется в процессе фотосинтеза (подробнее о фотосинтезе будет рассказано в § 14). В клетках животных и грибов глюкоза образуется при расщеплении органических веществ, поступающих в организм вместе с пищей. Поскольку запасным питательным веществом, образующимся в ходе полимеризации молекул глюкозы в растительных клетках, является крахмал, а в клетках животных и грибов – гликоген, то эти вещества и представляют собой энергетический запас клеток. При нехватке углеводов в клетке с целью получения энергии могут использоваться жиры и даже белки.
Энергетический обмен в клетке осуществляется поэтапно.

Этапы энергетического обмена. Энергетический обмен в клетках большинства аэробных организмов в присутствии кислорода состоит из трех последовательных этапов: подготовительного, бескислородного и кислородного. На этих этапах органические вещества постепенно расщепляются до простых, бедных энергией неорганических соединений, например до углекислого газа и воды.

Первый этап – подготовительный. На этом этапе сложные органические вещества, поступившие в организм с пищей, с помощью ферментов расщепляются на более простые. При этом освобождается незначительное количество энергии, которая рассеивается в виде тепла. Белки расщепляются до аминокислот, жиры – до глицерина и жирных кислот, нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов, полисахариды – до моносахаридов. Расщепление сложных полисахаридов до глюкозы происходит с помощью ферментов в желудочно-кишечном тракте и в лизосомах клеток.

Второй этап – бескислородный, или гликолиз (от греч. glykys – сладкий, lysis – растворение, разложение). Бескислородный этап осуществляется в цитоплазме клеток и протекает в нескольких последовательных реакциях.

Конечные продукты гликолиза одной молекулы глюкозы – две молекулы пировиноградной кислоты (C3H4O3), две молекулы АТФ и атомы водорода:

Процесс происходит в несколько стадий и сопровождается выделением энергии, часть которой (40%) используется для синтеза двух молекул АТФ, а остальная энергия (60%) рассеивается в виде тепла.

Энергия выделяется постепенно, порциями. Моментальное освобождение энергии привело бы клетку к гибели в результате перегревания.

У млекопитающих гликолиз наиболее интенсивно протекает в клетках скелетных мышц, печени, сердечной мышцы, эритроцитах, а также в клетках раковых опухолей.
Дальнейшее превращение пировиноградной кислоты зависит от того, присутствует или отсутствует кислород в клетке.

По механизму, аналогичному гликолизу, в клетках некоторых организмов протекает процесс брожения. Например, при отсутствии кислорода в растительных клетках и в клетках дрожжей происходит спиртовое брожение с образованием этилового спирта (C₂H₅OH) и углекислого газа. В животных клетках и в клетках некоторых бактерий при недостатке кислорода происходит молочнокислое брожение, в результате которого пировиноградная кислота превращается в молочную (C₃H₆O₃).

Брожение не дает дополнительного энергетического эффекта. Значительная часть энергии, заключенной в молекуле глюкозы, в процессе брожения так и не извлекается, а остается в конечных продуктах брожения – этиловом спирте или молочной кислоте. Именно поэтому брожение (его еще называют анаэробным процессом окисления, так как оно идет без участия кислорода) считается малоэффективным процессом. Для организмов, обитающих в условиях пониженного содержания кислорода или его полного отсутствия, брожение – единственный источник получения энергии.

Брожение играет важную роль в круговороте веществ в природе. Процессы брожения широко применяются в практической деятельности людей. В течение многих веков спиртовое брожение используется в виноделии, пивоварении, хлебопечении, для производства растворителей и т. д.

Если в клетках присутствует кислород, то пировиноградная кислота поступает в митохондрии для полного окисления в ходе аэробного дыхания.

Третий этап – кислородный – протекает в митохондриях. Он начинается в матриксе митохондрий в виде сложных циклических реакций, получивших название цикла Кребса по имени ученого, открывшего данную последовательность ферментативных реакций.

На кристах митохондрий протекают реакции окислительного фосфорилирования. Открытие окислительного фосфорилирования принадлежит русскому ученому В. А. Энгельгардту.

Общая реакция кислородного расщепления (в расчете на одну молекулу глюкозы) выглядит следующим образом:

В 36 молекулах АТФ запасается 55% энергии, освобожденной в процессах аэробного (кислородного) дыхания, а 45% энергии рассеивается в виде тепла.

Кислородный этап окисления органических соединений является клеточным дыханием, или биологическим окислением, в результате которого сложные органические вещества окисляются кислородом до конечных продуктов – углекислого газа и воды с освобождением энергии, запасаемой клетками в виде АТФ.

Таким образом, в ходе всего энергетического обмена глюкоза окисляется с образованием воды и углекислого газа, а энергия, первоначально запасенная в молекулах глюкозы, используется на синтез АТФ:

Значение дыхания заключается в запасании энергии, а точнее, в образовании молекул АТФ, обеспечивающей все жизненные процессы клетки.

Вопросы и задания

1. В чем заключается взаимосвязь энергетического и пластического обменов?
2. Какие процессы обеспечивают клетку энергией?
3. Какие вещества являются основным источником энергии в клетке? Почему?
4. Вспомните из предыдущих разделов биологии, каким образом в животную клетку поступает глюкоза. Как обеспечиваются глюкозой растительные клетки?
5. При каких условиях протекает гликолиз? Какие конечные продукты образуются в результате гликолиза?
6. Какое превращение происходит с пировиноградной кислотой в живых клетках при недостатке кислорода?
7. Что является результатом кислородного расщепления?
8. Сравните процесс дыхания с процессом горения. В чем преимущества процесса окисления перед процессом горения?