Забезпечення клітин енергією за рахунок окислення органічних речовин
Біологічне окислення і горіння. Живі організми, нездатні використовувати світлову енергію, повинні отримувати її за рахунок окислення органічних сполук, що надходять ззовні з їжею.
Чому при окислюванні органічних речовин вивільняється енергія? Частина електронів у складі молекул органічних сполук знаходиться на високих енергетичних рівнях. Енергія вивільняється при переміщенні електронів з орбіт високої енергії на низькі енергетичні рівні атомів або молекул.
Для того щоб такі переходи електронів з виділенням енергії відбувалися в клітці, потрібно дотримання кількох умов.
Необхідно, щоб у клітці були органічні сполуки, здатні віддавати високоенергетичні електрони, т. Е. Потрібно, щоб у клітці були донори електронів. Процес віддачі електронів називають окисленням. Приєднання електрона до молекули або атому називають відновленням. Відновлюється з’єднання є акцептором електронів.
У клітці повинні бути акцептори електронів з низькими енергетичними рівнями, здатні захоплювати електрони. Таким сильним акцептором електронів в клітці служить кисень, який, приєднуючи два електрона (е ~) і два протона (Н +), відновлюється до води (Н20). Але акцепторами електронів служать і відомий вже вам НАДФ + і НАД + (никотинамидадениндинуклеотид), коли вони знаходяться в окисленої формі. Приєднуючи електрони, вони відновлюються до НАДФ-Н і НАД-Н.
У клітці повинні бути переносники електронів і пристрої для запасання енергії. Переносниками електронів є спеціальні ферменти, а “акумуляторами” енергії – АТФ, а також НАД-Н і НАДФ-Н в такий відновленій формі.
Органічні сполуки, які окислюються в клітці і служать вихідними джерелами енергії, – це головним чином жири і вуглеводи, що надходять з їжею або запасається в клітці про запас.
Біологічне окислення органічних речовин схоже багато в чому на спалювання палива в багатті або топці. При спалюванні дров молекули целюлози в складі деревини окислюються, віддають свої високоенергетичні електрони кисню, і енергія бурхливо виділяється у вигляді тепла і спалахів світла. Кінцеві продукти згоряння палива – пари води і вуглекислий газ (С02).
При біологічному окислюванні органічні сполуки згоряють, і кінцевими продуктами є також вода і вуглекислий газ, але горіння це відбувається повільно, палючого тепла немає, і спалахів світла ми при цьому не спостерігаємо.
Процес біологічного “горіння” відбувається ступінчасто, і енергія електронів встигає запасатися у відомих вже нам “акумуляторах”: в АТФ, НАД-Н, НАДФ-Н. Однак частина енергії електронів все ж перетворюється на теплову енергію, яка не шкодить клітинам, а підтримує необхідну для життя температуру. Повне окислення органічних речовин в клітині до С02 і Н20 відбувається тільки за участю кисню. Без кисню відбувається неповне окислення органічних речовин за участю таких акцепторів електронів, як молекули НАД +.
Окислення без участі кисню. Гліколіз. Оскільки одним з головних видів біологічного “палива” служать вуглеводи, ми розглянемо біологічне окислення на прикладі того, як окислюється в клітинах глюкоза і як запасається при цьому енергія.
Окислення глюкози супроводжується її розщепленням, і тому такий процес прийнято називати гликолизом (від грец. “Глікіс” – солодкий і “лізис” – розщеплення). Гліколіз – це неповне окислення глюкози без участі кисню, коли акцептором електронів служить НАД +, тоді як повне окислення глюкози відбувається за участю кисню.
На першому етапі гліколізу шестіуглеродний молекула глюкози – СбН1206 розщеплюється на дві трехуглеродние молекули піровіно-Градний кислоти (ПВК) – С3Н403. При цьому відбувається лише часткове окислення глюкози з втратою чотирьох атомів водню (порівняйте: дві молекули ПВК С3Н403 х 2 = С6Н806 і глюкозу – С6Н1206). За рахунок електронів і протонів водню відновлюються дві молекули НАД +, перетворюючись на два НАД-Н, а за рахунок енергії електронів, перенесених з високих енергетичних рівнів глюкози на більш низький рівень молекул НАД +, відбувається утворення двох молекул АТФ з АДФ і фосфорної кислоти.
Якщо кисень в клітці відсутній або його недостатньо, то дві молекули ПВК, що утворилися з глюкози, відновлюються за рахунок двох НАД-Н до молочної кислоти:
2С3Н403 + 2НАД – Н + 2Н + ? 2С3Н603 + 2НАД +
Цим завершується гліколіз. В результаті безкисневого неповного окислення глюкози утворюються всього лише дві молекули АТФ.
Якщо в клітці вже є або ж у неї починає надходити кисень, то ПВК не відновлюється до молочної кислоти, а переноситься в мітохондрії, де піддається за участю кисню повного окислення до С02 і Н20 (як при горінні). Енергетичний виграш аеробного процесу, виражений в молекулах АТФ, значно вище, ніж при гліколізі.
У деяких видів мікроорганізмів, що живуть без доступу кисню, має місце тільки гліколіз (наприклад, у метанобразующих бактерій, які живуть глибоко в мулі боліт або озер). Ми можемо короткий час обходитися без кисню, і тоді клітини отримують енергію за рахунок гліколізу. Швидкий біг навіть на короткі дистанції може викликати у нас задишку. Це молочна кислота, яка утворилася при нестачі кисню, збуджує дихальний центр і змушує нас часто дихати, щоб наситити кров киснем і окислити молочну кислоту.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)