ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН В КЛЕТКЕ И ЕГО СУЩНОСТЬ. ЗНАЧЕНИЕ АТФ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ ОБМЕНЕ
Общие принципы клеточного метаболизма. Все известные науке живые организмы представляют собой открытые системы, постоянно обменивающиеся веществом и энергией с окружающей средой. Энергия необходима для биосинтеза присущих живым клеткам сложных органических веществ, а также для выполнения разных видов работы — движения, осморегуляции, выведения продуктов обмена и т.д. Вероятно, в процессе эволюции первыми появились организмы, использующие в качестве источников энергии готовые органические вещества, накопленные в Мировом океане за счет абиогенного синтеза. Такие организмы получили название гетеротрофных. Поскольку в то время атмосфера Земли была лишена кислорода, эти организмы извлекали энергию из органических веществ за счет различных окислительно-восстановительных реакций, протекающих в анаэробных (бескислородных) условиях. Впоследствии появились организмы, научившиеся использовать для синтеза органических соединений из простых неорганических веществ (в первую очередь, углекислого газа и воды) энергию солнечного света, — фотосинтезирующие бактерии, си-незеленые водоросли, низшие и высшие растения. Такие организмы называют автотрофными, а также фотосинтетиками. Особую группу автотрофных организмов составляют хемосинтетики (серобактерии, железобактерии, нитрифицирующие бактерии) — организмы, использующие для процессов биосинтеза и обеспечения жизнедеятельности энергию окисления неорганических веществ. Накопление органических соединений в результате деятельности фотосинтезирующих организмов стимулировало дальнейший расцвет потребителей органического вещества — гетеротрофов, а появление в атмосфере мощного окислителя — молекулярного кислорода, образующегося в качестве побочного продукта фотосинтеза, позволило более полно и эффективно использовать запасенную в органических веществах энергию. Так возникли аэробные организмы, способные полностью окислять сложные органические вещества до углекислого газа и воды при помощи кислорода. Однако до настоящего времени сохранились и миксотрофные организмы (например, эвглена зеленая), которые сочетают свойства автотрофных (способность к фотосинтезу) и гетеротрофных (питание готовыми органическими веществами) организмов.
Итак, для получения энергии многие живые организмы, в первую очередь гетеротрофы, разлагают и окисляют сложные органические соединения. Совокупность биохимических реакций разложения сложных веществ до более простых, сопровождающихся выделением и запасанием энергии (как правило, в форме универсального, богатого энергией соединения — АТФ), получила название энергетического обмена (катаболизма, или диссимиляции). Одновременно с этими реакциями в клетках организма постоянно протекают синтетические процессы, в которых образуются присущие данному организму сложные органические вещества, как низкомолекулярные (аминокислоты, сахара, органические кислоты, нуклеотиды, липиды и т.д.), так и биологические полимеры (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты), необходимые для построения различных клеточных структур и выполнения разнообразных функций. Для синтеза этих веществ клетки используют получаемые из внешней среды простые (у автотрофов) или более сложные (у гетеротрофов) соединения, а также энергию, выделяемую в процессе энергетического обмена. Совокупность биосинтетических процессов, протекающих в живых организмах с затратой энергии, называют пластическим обменом (анаболизмом, или ассимиляцией). Процессы энергетического и пластического обмена протекают в клетках постоянно и одновременно и тесно взаимосвязаны. Так, многие промежуточные продукты реакций энергетического обмена используются в качестве исходных соединений в реакциях биосинтеза, а энергия, запасаемая в виде макроэргических связей АТФ в ходе диссимиляции, постоянно расходуется в синтетических процессах. Поэтому пластический и энергетический обмен нельзя рассматривать в отрыве друг от друга: это две стороны одного процесса — обмена веществ (метаболизма), постоянно протекающего во всех живых системах и составляющего биохимическую основу жизни.
Рассмотрим более подробно на простом примере, каким образом живые организмы освобождают запасенную в сложных органических соединениях энергию. Человеческое общество, как и живая клетка, нуждается в получении энергии. Для этого в большинстве случаев сжигается органическое топливо (газ, нефть, уголь). Запасенная в топливе химическая энергия превращается сначала в тепловую (энергия перегретого пара), затем в механическую (вращение турбин электростанций) и, наконец, в электрическую энергию, которая может передаваться по линиям электропередачи на значительные расстояния и использоваться в различных целях. Процесс горения органического топлива (например, газа метана) можно описать простым уравнением:
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О + энергия (тепло).
В ходе этой реакции углерод окисляется кислородом воздуха (углерод максимально восстановлен в метане и максимально окислен в углекислом газе), что и приводит к освобождению энергии в виде тепла. Аналогичный процесс протекает и в живых клетках аэробных организмов, однако он имеет ряд существенных отличий.
Во-первых, если бы органические вещества окислялись кислородом в одну стадию, выделяемое большое количество тепла привело бы к резкому подъему температуры внутри клеток и к денатурации сложных органических молекул. Поэтому живые клетки проводят реакцию окисления в несколько стадий, постепенно окисляя насыщенный углеводород до спирта, альдегида (или кетона), органической кислоты и, наконец, углекислого газа. Условно это можно проиллюстрировать следующей последовательностью превращений:
СН4 → СН3ОН → Н2С=О → НСООН → СО2.
В конечном итоге в этом процессе выделится столько же энергии (тепла), как и при простом сжигании метана, однако она будет выделяться порциями, по частям.
Легко также заметить, что наиболее богаты энергией те органические вещества, в которых углерод максимально восстановлен. В клетках это липиды с большим количеством насыщенных жирных кислот, полное "сжигание" которых дает максимальное количество энергии. Расщепление углеводов, относящихся к альдегидоспиртам или кетоспиртам, или аминокислот будет давать примерно вдвое меньше энергии, так как большинство углеродных атомов в молекулах этих соединений уже частично окислено.
Во-вторых, не вся освобождаемая в ходе таких реакций энергия рассеивается в виде тепла, так как живые клетки запасают часть выделяемой при окислении углерода энергии в виде АТФ. Для этого реакция, протекающая с освобождением энергии, "сопрягается" с реакцией, протекающей с поглощением энергии,— с образованием АТФ из АДФ и неорганического фосфата (Фн)-
В-третьих, для получения энергии совершенно не обязательно окислять органические вещества полностью, т.е. до углекислого газа. Энергия будет выделяться и при окислении, например, спирта до карбоновой кислоты, хотя, конечно, ее количество будет меньше, чем при полном окислении.
В-четвертых, живые клетки могут осуществлять окисление органических веществ и в отсутствие кислорода. Условно это можно проиллюстрировать следующей последовательностью реакций:
СН3-СН3 → СН2=СН2 + 2Н,
СН2=СН2 + Н2О → СН3-СН2ОН,
СН3-СН2ОН → СН3-НОО + 2Н,
СН3-НС=О + Н2О → СН3-НС(ОН)2,
СН3-НС(ОН)2 → СН3-СООН + 2Н.
Итак, мы видим, как один из углеродных атомов в молекуле этана последовательно окисляется до спирта, альдегида и карбоновой кислоты. Последовательно "отрываемые" от этого углеродного атома пары атомов водорода, которые часто называют восстановительными эквивалентами, в клетках присоединяются к универсальному акцептору атомов водорода — молекуле НАД+ (см. выше), восстанавливая его до НАДН. Последний может использоваться в реакциях биосинтеза для восстановления органических соединений (показанные выше реакции протекают в обратную сторону, т.е. НАДН отдает атомы водорода восстанавливаемым веществам), а в присутствии кислорода НАДН окисляется в дыхательной цепи митохондрий с освобождением большого количества энергии, запасаемой в виде АТФ.
Для получения энергии человечество, помимо сжигания органического топлива, часто использует гидроэлектростанции: вода, накопленная по одну сторону плотины, стекая вниз, вращает турбины, производя электроэнергию. Интересно отметить, что живые клетки "научились" использовать аналогичный принцип задолго до появления человека как биологического вида: окисление НАДН вдыхательной цепи митохондрий сопровождается переносом через внутреннюю митохондриальную мембрану из матрикса в межмембранное пространство протонов и созданием на мембране значительного градиента их концентрации (мембрана при этом выступает в качестве плотины). Когда протоны "текут" внутрь митохондрий по градиенту концентрации через специальный канал в молекуле фермента АТФ-синтетазы, они "вращают" этот фермент (как вода турбину), что приводит к синтезу АТФ.
Итак, основу энергетического обмена в живых клетках составляют последовательно протекающие окислительно-восстановительные реакции. В цепи таких реакций одни органические вещества окисляются (теряют атомы водорода), а другие (в первую очередь НАД+) восстанавливаются (присоединяют атомы водорода). Выделяемая при протекании этих реакций энергия частично рассеивается в виде тепла, а частично запасается в виде АТФ.
Бескислородный этап энергетического обмена. Основным источником энергии для большинства живых организмов, в том числе и для человека, служат углеводы. Условно процесс их расщепления и окисления, сопровождающийся запасанием энергии в виде АТФ, можно разделить на три этапа: подготовительный, анаэробный (или бескислородный) и аэробный (или кислородный). На подготовительном этапе сложные полисахариды расщепляются пищеварительными ферментами до мономеров, главным образом до глюкозы. Дальнейшие превращения глюкозы происходят в процессе гликолиза.
Гликолиз — это анаэробный ферментативный путь расщепления глюкозы до молочной кислоты (лактата), сопровождающийся выделением энергии, запасаемой в виде АТФ. Идентичный гликолизу процесс молочнокислого брожения происходит у многих микроорганизмов. У высших организмов гликолиз является необходимой стадией подготовки Сахаров для полного окислительного расщепления до СО2 и Н2О в процессе клеточного дыхания. У млекопитающих гликолиз наиболее интенсивно протекает в скелетных мышцах, печени, сердце, эритроцитах, сперматозоидах, а также в клетках раковых опухолей.
Последовательные реакции гликолиза катализируются 11 ферментами, которые локализованы в растворимой фракции цитоплазмы клеток. Условно гликолиз можно разделить на 2 стадии: на первой стадии глюкоза с затратой АТФ превращается в глицеральдегидфосфат; на второй стадии в результате окислительно-восстановительных реакций образуются АТФ и молочная кислота. Накапливаемый в качестве промежуточного продукта гликолиза восстановленный НАДН окисляется при образовании молочной кислоты до НАД+, который снова возвращается в гликолиз. При наличии достаточного количества кислорода НАДН может окисляться вдыхательной цепи митохондрий. В таком случае гликолиз заканчивается на стадии образования не молочной, а пировиноградной кислоты (пирувата), которая вступает в цикл Кребса и полностью окисляется до СО2.
При распаде одной молекулы глюкозы затрачивается 2 и образуется 4 молекулы АТФ, т.е. суммарный энергетический выход гликолиза составляет 2 молекулы АТФ. Необходимая для этого энергия выделяется в результате внутримолекулярного окисления альдегидной группы до карбоксильной. В виде АТФ запасается около 30% выделяемой при этом энергии, что, однако, составляет только 5% энергии, которую можно получить при полном окислении глюкозы до СО2 и Н2О. Таким образом, гликолиз энергетически менее выгоден, чем дыхание.
В гликолиз могут вовлекаться и другие гексозы (галактоза, фруктоза), пентозы и глицерин. Субстратом гликолиза у животных и грибов может быть гликоген (этот процесс называется гликогенолизом), а у растений — крахмал. Процессом, обратным гликолизу, является глюконеогенез— синтез глюкозы (и гликогена) из молочной кислоты, который протекает с затратами энергии. Поскольку 3 реакции из процесса гликолиза необратимы, существуют специальные ферменты, позволяющие "обойти" эти необратимые стадии. При интенсивной мышечной работе образующаяся молочная кислота выходит в кровь и доставляется в печень, где в процессе глюконеогенеза синтезируется глюкоза. С током крови глюкоза возвращается обратно в мышцы, где снова может вступать в гликолиз или запасаться в виде гликогена. Процесс обмена глюкозы между печенью и мышцами получил название цикла Кори. Этот цикл позволяет экономно использовать углеводы в организме и способствует поддержанию оптимального уровня сахара в крови.
По механизму, аналогичному гликолизу, протекает процесс броженияу различных микроорганизмов. Поскольку живые организмы, по-видимому, впервые появились на Земле в то время, когда ее атмосфера была лишена кислорода, анаэробное брожение следует рассматривать как простейший биохимический механизм получения энергии из питательных веществ. У облигатных анаэробов (клостридии, динитрифицирующие и метанобразующие бактерии), обитающих в условиях пониженного содержания кислорода или полного его отсутствия, брожение является единственным источником получения энергии, тогда как у факультативных анаэробов (многие бактерии, дрожжи, мицелиальные грибы) и в аэробных клетках почти всех высших организмов брожение или гликолиз являются необходимой начальной стадией, за которой следует аэробная фаза.
Брожению подвергаются углеводы (гексозы, пентозы), спирты, органические кислоты и азотистые основания. В зависимости от типа брожения его продуктами могут быть спирты (этиловый и др.), органические кислоты (муравьиная, молочная, пропионовая, масляная), ацетон, СО2, а в ряде случаев — молекулярный водород. По виду образуемых продуктов брожение подразделяют на спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое и т.д. Эти типы брожения дали название некоторым группам микроорганизмов (молочнокислые, маслянокислые, пропионовокислые бактерии).
В процессе спиртового или молочнокислого брожения из одной молекулы глюкозы образуются по две молекулы пирувата, АТФ и НАДН. Поскольку НАДН необходимо окислить и вернуть в цикл брожения, пируват восстанавливается им до молочной кислоты (лактата) или этилового спирта.
Брожение играет важную роль в круговороте веществ в природе (анаэробная деградация целлюлозы и других органических веществ), а также широко применяется в практике. В течение многих веков спиртовое брожение используется в виноделии, пивоварении, выпечке хлеба (а в последнее время — при получении топлива); молочнокислое — для получения кисломолочных продуктов, при квашении капусты, солении огурцов, силосовании кормов для скота; пропионовокислое — в сыроделии; ацетонно-бутиловое — для получения растворителей и т.д.
Кислородный этап энергетического обмена.Следующим за гликолизом этапом энергетического обмена является клеточное дыхание, или биологическое окисление, — кислородный этап окисления органических соединений. В широком смысле слова дыхание — это процесс поглощения кислорода (О2) из окружающей среды и выделения углекислого газа (СО2) живыми организмами, необходимый для поддержания внутриклеточных окислительных процессов, обеспечивающих энергетический обмен. Дыхание подразделяют на внешнее дыхание — газообмен между организмом и окружающей средой, и тканевое, или клеточное, дыхание (биологическое окисление) — совокупность ферментативных окислительно-восстановительных реакций, в результате которых сложные органические вещества окисляются кислородом до СО, и Н2О с освобождением энергии, запасаемой клетками в форме АТФ.
Клеточное дыхание у растений, животных и большинства аэробных микроорганизмов начинается с отщепления СО2 (декарбоксилирования) от молекулы пировиноградной кислоты (пирувата), которая образуется в процессе гликолиза, т.е. гликолиз является необходимой подготовительной стадией клеточного дыхания при расщеплении углеводов. В результате этой реакции, катализируемой ферментами пируватдегидрогеназного комплекса, от пирувата отрывается СО2, а образовавшийся двухуглеродный остаток — радикал уксусной кислоты (ацетил-радикал) — присоединяется к молекуле кофермента А (универсального переносчика углеводородных радикалов) с образованием ацетилкофермента А (ацетил-КоА). В результате этой реакции НАД+ восстанавливается до НАДН. Ацетил-КоА и НАДН образуются и при окислении жирных кислот, которые также являются субстратами клеточного дыхания. Дальнейшее окисление ацетил-КоА происходит в цикле Кребса, а НАДН — вдыхательной цепи митохондрий (рис.Х.29). В цикл Кребса на различных стадиях могут вступать все аминокислоты. Таким образом, в этом цикле сходятся пути окисления углеводов, жиров и белков.
Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты) — сложный многоступенчатой окислительно-восстановительный процесс, в результате которого остаток уксусной кислоты, получаемый от ацетил-КоА, полностью окисляется до двух молекул СО2 с образованием трех молекул НАДН, одной молекулы ФАДН2 и одной молекулы гуанозинтрифосфата (ГТФ). Все ферменты цикла Кребса, как и ферменты окисления жирных кислот, локализованы в матриксе митохондрий. Суммарную реакцию цикла Кребса можно описать уравнением:
ацетил-КоА +ЗНАД+ + ФАД +ГДФ + Фн +3Н2О =
= 2СО2 + ЗНАДН + ЗН+ + ФАДН2 + ГТФ + КоА.
Освобождаемая при окислении ацетил-КоА энергия запасается в виде одной молекулы ГТФ (которая может превращаться в АТФ) и четырех молекул восстановительных эквивалентов (ЗНАДН и ФАДН2), которые могут использоваться в различных процессах биосинтеза или окисляться. Их дальнейшее окисление происходит в дыхательной цепи митохондрий, локализованной во внутренней митохондриалъной мембране. "Работа" дыхательной цепи митохондрий заключается в окислении НАДН, т.е. в "отрывании" от него электронов и переносе их на молекулу кислорода.
Окисление НАДН начинает фермент НАДН-дегидрогеназа, которая отщепляет от него два электрона и протон. Проследим сначала путь отщепляемых от молекулы НАДН электронов. НАДН-дегидрогеназа представляет собой сложный комплекс, состоящий из большого количества белков (около 40), и содержит в качестве коферментов флавинмононуклеотид (ФМН) и несколько железосерных кластеров. Отрываемые от НАДН электроны с помощью этих коферментов передаются на растворенное в митохондриальной мембране низкомолекулярное гидрофобное соединение — кофермент Q (убихинон), который передает их в цепь переносчиков электронов — цитохромов. Цитохромы представляют собой гемсодержащие белки (входящий в их состав гем напоминает гем гемоглобина). За счет изменения валентности входящего в состав гема атома железа они способны обратимо присоединять и отдавать электрон (Fe3+ + е W Fe2+). Кофермент Q передает электроны цитохромам b и с1, а от них электроны передаются цитохрому с. Он в свою очередь передает электроны цитохромам а и а3 (цитохромоксидазе, в этом ферменте роль акцепторов электронов выполняют ионы меди), которые передают их окончательному акцептору — молекулярному кислороду (О2).
Получивший электроны О2 соединяется с находящимися в матриксе ионами Н+ с образованием Н2О. Таким образом, "отбираемые" от НАДН электроны передаются в дыхательной цепи от переносчика к переносчику, теряя при этом свой восстановительный потенциал. Часть выделяемой при этом энергии рассеивается в виде тепла, но, кроме того, на внутренней мембране митохондрий возникает разность концентраций протонов (электрохимический потенциал) за счет их переноса в нескольких пунктах дыхательной цепи (так называемых пунктах сопряжения) из матрикса в межмембранное пространство.
Рис.Х.29. Схема цикла Кребса — основного пути кислородного расщепления углеводов, белков и липидов у аэробных организмов. АцетилКоА вступает в цикл и окисляется до углекислого газа, поставляя восстановительные эквиваленты (2Н) в виде трех молекул НАДН и одной молекулы ФАДН2 в дыхательную цепь митохондрий. Последующее их окисление вдыхательной цепи сопровождается синтезом АТФ (окислительное фосфорилирование) и образованием воды. Один «оборот цикла дает 11 молекул АТФ и 1 молекулу ГТФ |
Эта разность концентраций протонов возникает в результате того, что перенос электронов от НАДН к кислороду сопровождается "перекачиванием" протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Во-первых, при окислении НАДН НАДН-дегидрогеназой из матрикса выбрасывается как минимум 2 протона. Во-вторых, кофермент Q, получая электроны от НАДН-дегидрогеназы, захватывает 2 иона Н+ из матрикса, а при его окислении цитохромами бис, эти протоны выбрасываются в межмембранное пространство. В-третьих, еще 2 протона выбрасываются из митохондрий при работе цитохромоксидазы. Итак, окисление НАДН сопровождается переносом через митохондриальную мембрану из матрикса как минимум 6 протонов, а не только того единственного Н+, который отщепляется от молекулы НАДН. При окислении ФАДН2 отщепляемые от него 2 электрона и 2 протона передаются на кофермент Q и выбрасываются из митохондрий, а еще 2 Н+ выбрасываются из матрикса цитохромоксидазой. Таким образом, при окислении ФАДН2 через мембрану митохондрий переносится 4 протона.
В результате работы дыхательной цепи митохондрий концентрация ионов Н+ в межмембранном пространстве существенно превышает их концентрацию в матриксе, что создает направленный внутрь митохондрий градиент концентрации протонов (рис.Х.30). Мембрана митохондрий для них малопроницаема, поэтому ее можно сравнить с плотиной гидроэлектростанции, удерживающей воду в водохранилище. Энергия этого градиента используется ферментом АТФ-синтетазой, которая переносит в матрикс ионы Н+ и синтезирует АТФ из АДФ и Фн.
Для синтеза 1 молекулы АТФ необходимо перенести внутрь митохондрий 2 иона Н+ по градиенту концентрации, поэтому за счет окисления 1 молекулы НАДН можно синтезировать 3 молекулы АТФ, а за счет окисления 1 молекулы ФАДН, — 2 молекулы АТФ.
В результате полного окисления глюкозы до углекислого газа и воды образуется большое количество АТФ — 38 молекул. Две из них синтезируются в процессе гликолиза, а остальные 36 — при окислении пирувата.
Во-первых, в гликолизе при образовании одной молекулы пирувата восстанавливается молекула НАДН, а его окисление в митохондриях дает 3 молекулы АТФ. Во-вторых, при декарбоксилировании пирувата и образовании ацетил-КоА восстанавливается еще одна молекула НАДН (еще 3 молекулы АТФ). В-третьих, в цикле Кребса образуется 3 молекулы НАДН (а это 9 молекул АТФ), 1 молекула ФАДН2 (еще 2 молекулы АТФ) и 1 молекула ГТФ (обменивается своим терминальным макроэргическим фосфатом с АДФ, что дает еще 1 молекулу АТФ). Таким образом, полное окисление образовавшихся в гликолизе 1 молекулы НАДН и 1 молекулы пирувата дает 18 молекул АТФ, а двух — соответственно 36 молекул АТФ. С учетом 2 молекул АТФ, образованных в процессе гликолиза, полный энергетический выход окисления глюкозы до углекислого газа и воды в процессе клеточного дыхания составляет 38 молекул АТФ.
Рис.Х.30. Схема, иллюстрирующая образование АТФ при окислительном фосфорилировании в митохондриях за счет энергии градиента протонов, создаваемого работой цепи переноса электронов во внутренней митохондриальной мембране. |
Итоговое уравнение этого процесса будет выглядеть следующим образом:
C6H12О6 + 38АДФ + 38Фн → 6СО2 + 6Н2О + 38АТФ.
Эффективность полного окисления глюкозы до углекислого газа и воды очень высока: около 55% освобождающейся энергии запасается в виде макроэргических связей в молекулах АТФ и только 45% рассеивается в виде тепла. Таким образом, к.п.д. этого процесса составляет 55%.
Итак, основным продуктом реакций энергетического обмена является АТФ — соединение, содержащее в своем составе две макроэргические связи. Энергия, запасенная в этих связях, необходима для обеспечения всех процессов жизнедеятельности клеток и организма в целом. Она тратится в процессах биосинтеза низкомолекулярных и высокомолекулярных органических веществ, при различных видах движения, для переноса через биологические мембраны ионов и других веществ, в процессах секреции и т.д. Таким образом, АТФ является "универсальной энергетической валютой" клеток — веществом, обеспечивающим связь между процессами диссимиляции (энергетического обмена) и ассимиляции (пластического обмена).
Дата добавления: 2015-06-12; просмотров: 5659;