По благословению Святейшего Патриарха Московского и всея Руси Алексия II Автор С. Ю. Вертьянов ( E - mail : SergijV@ yandex. ru ) Под общей научной редакцией д.б.н. М. Г.

Страница 13 из 16

Выделяющееся при этом неболь­шое количество энергии рассеивается в виде тепла. Второй этап гликолиза происходит в цитоплазме без участия кислорода и называется анаэробным (бескислородным – <греч. ana без + аег воздух) гликолизом – неполным окислением глю­козы без участия кислорода. Бескислородный гликолиз представляет собой сложный многоступенчатый процесс из десяти последовательных реак­ций.

Каждая реакция катализируется специальным ферментом. В итоге глюкоза расщепляется до пировиноградной кислоты (ПВК): С6Н12О6(глюкоза) + 2Н3РО4 + 2АДФ 2С3Н4О3(ПВК) + 2АТФ + 2Н2О Глюкоза в этом процессе не только расщепляется, но и окисляется (теряет атомы водорода). В мышцах человека и животных две молекулы ПВК, приобретая атомы водорода, восстанавливаются в молочную кислоту С3Н6О3.

Этим же продуктом заканчивается гликолиз у молочнокислых бакте­рий и грибков, применяемый для приготовления кислого молока, простокваши, кефира, а также при силосовании кор­мов в животноводстве. Процесс превращения ПВК в клетках микроорганизмов и растений в устойчивые конечные продук­ты называют брожением. Так, дрожжевые грибки расщепляют ПВК на этиловый спирт и углекислый газ.

Этот процесс, называемый спирто­вым брожением, используют для приготовления кваса, пива и вина. Брожение других микроорганизмов завершается об­разованием ацетона, уксусной кислоты и т.д. Главным результатом анаэробного гликолиза во всех орга­низмах является образование двух молекул АТФ. Высвобож­дающаяся при расщеплении глюкозы энергия относительно не­велика – 200 кДж/моль.

Высокоэнергетичные связи АТФ за­пасают 40% этой величины. Остальные 60% рассеиваются в виде тепла. Основной выход энергии и молекул АТФ проис­ходит на третьем, кислородном этапе гликолиза, называемом еще аэробным дыханием. Кислородный гликолиз. При наличии достаточного коли­чества кислорода дальнейший процесс расщепления ПВК про­исходит уже не в цитоплазме, а в митохондриях, и включает несколько десятков последовательных реакций, каждая из ко­торых обслуживается своим комплексом ферментов.

Молекулы ПВК под действием ферментов (и кофермента НАД – никотинамидадениндинуклеотида) поэтапно окисляют­ся сначала до уксусной кислоты, а затем, в так называемом цикле Кребса (или трикарбоновых кислот), до углекислого газа и воды (медленное горение). В процессе окисления образуют­ся сложные молекулярные соединения с присоединенными к ним атомами водорода.

Молекулы-переносчики подхватывают и перемещают электроны этих атомов по длинной цепи фер­ментов от одного к другому. На каждом шаге электроны всту­пают в окислительно-восстановительные реакции и отдают свою энергию, которая идет на перемещение протонов на вне­шнюю сторону внутренней мембраны митохондрии. В результате оставшиеся протоны и перемещенные элек­троны оказываются на разных сторонах внутренней мембра­ны.

На мембране создается разность потенциалов. Фермент, синтезирующий АТФ (АТФ-синтетаза), встроен во внутреннюю мембрану по всей ее толщине. Этот фермент имеет характерную особенность: небольшой каналец в моле­кулярной структуре. При накоплении на мембране разности потенциалов примерно в 200 мВ ионы Н+ начинают протис­киваться через каналец в молекуле АТФ-синтетазы.

В процес­се энергичного продвижения ионов через фермент происхо­дит синтез АТФ из АДФ с участием фосфорной кислоты. Гликолиз — расщепление глюкозы Внутренняя мембрана Синтез АТФ в митохондрии АТФ-синтетаза В химических реакциях кислородного гликолиза освобож­дается большое количество энергии – 2600 кДж/моль. Суще­ственная ее часть (55%)

запасается в высокоэнергетичных свя­зях образующихся молекул АТФ. Остальные 45% рассеива­ются в виде тепла (поэтому при выполнении физической работы нам жарко). Итоговое уравнение кислородной стадии выглядит следующим образом: 2С3Н6О3(молочн.кислота) + 6О2 + 36H 3PO 4 + 36АДФ -> 6СО2 + 42Н2О + 42Н2О + 30АТФ Таким образом, кислородное расщепление резко увеличивает эффективность энергетического обмена и играет основную роль в аккумулировании энергии.

Если гликолиз без участия кисло­рода дает только 2 молекулы АТФ, то кислородный гликолиз обеспечивает синтез 36 молекул АТФ. В итоге в полном цикле гликолиза на каждую молекулу глюкозы образуется 38 моле­кул АТФ. При среднесуточных энергетических затратах в 10 тыс. кДж в организме человека ежедневно синтезируется около 170 кг АТФ, а содержится всего около 50 г АТФ, следовательно, во­зобновление запаса происходит с частотой 3400 раз в сутки!

При интенсивной физической работе клетки организма не успевают насытиться кислородом, и расщепление глюкозы ог­раничивается бескислородным гликолизом. В результате быс­тро накапливается молочная кислота – токсичное для нервных и мышечных клеток соединение (вспомним мышечные боли после тяжелой работы). Появление молочной кислоты возбуж­дает дыхательный центр и заставляет нас усиленно дышать.

Насыщение клеток кислородом позволяет организму возобновить процесс кислородного расщепления, обеспечивающий не­обходимое количество энергии в виде молекул АТФ. Наступает «второе дыхание». Гепардам после интенсивного бега требуется продолжительный отдых, порой они оказываются не в состо­янии защитить свою добычу от менее сильных хищников. В большой скорости восстановления кислородного запаса, а зна­чит, в лучшей приспособленности к длительной мышечной ак­тивности – преимущество многих мелких животных.

Митохондрии способны использовать для синтеза АТФ не только расщепление глюкозы. В их матриксе содержатся также ферменты, расщепляющие жирные кислоты. Особенностью этого цикла является большой энергетический выход – 51 молеку­ла АТФ на каждую молекулу жирной кислоты. Не случайно медведи и другие животные, впадая в спячку, запасают имен­но жиры.

Любопытно, что часть запасаемого жира имеет у них бурый цвет. Такие жировые клетки содержат множество мито­хондрий необычного строения: их внутренние мембраны прони­заны порами. Ионы водорода свободно проходят через эти поры, и синтез АТФ в клетках бурого жира не происходит. Вся энер­гия, освобождающаяся в процессе кислородного расщепления жирных кислот, выделяется в виде большого количества теп­ла, согревающего животных во время долгой зимней спячки.

Бурый жир составляет не более 1-2% массы тела, но по­вышает производство тепла до 400 Вт на каждый килограмм веса (теплопроизводство человека в состоянии покоя состав­ляет 1 Вт/кг). Запасают жир и верблюды. При постоянном дефиците влаги это вдвойне выгодно, поскольку расщепление жиров дает еще и большое количество воды. Кроме глюкозы и жирных кислот, митохондрии способны расщеплять аминокислоты, но они – дорогое топливо.

Амино­кислоты являются важным строительным материалом, из них организм синтезирует свои белки. К тому же использование аминокислот для синтеза АТФ требует предварительного уда­ления аминогруппы NH 2 с образованием токсичного аммиа­ка. Белки и составляющие их аминокислоты используются клеткой для получения энергии только в крайнем случае. Этиловый спирт тоже может использоваться митохондри­ями для синтеза АТФ.

Но спирт как «топливо» имеет для организма человека свои недостатки, постоянное употребле­ние алкоголя приводит к тяжелым расстройствам, например, к жировому перерождению печени – циррозу. 1. Как связаны катаболизм, анаболизм и гомеостаз? 2. Что называют брожением? Приведите примеры. 3.

Опишите ход кислородного гликолиза. В чем его основной результат? 4. Почему при выполнении физической работы нам жарко? 5. Каковы функции бурого жира? § 15. Фотосинтез – превращение энергии света в энергию химических связей Автотрофные организмы.

В отличие от человека и живот­ных, все зеленые растения и часть бактерий способны син­тезировать органические вещества из неорганических соеди­нений. Такой тип обмена веществ называется автотрофным (<греч. autos сам + trophe пища). В зависимости от вида энер­гии, используемой автотрофами для синтеза органических мо­лекул, их делят на фототрофов и хемотрофов.

Фототрофы используют энергию солнечного света, а хемотрофы – хими­ческую энергию, высвобождающуюся при окислении ими раз­личных неорганических соединений. Зеленые растения являются фототрофами. Их хлоропласты содержат хлорофилл, позволяющий растениям осуществ­лять фотосинтез – преобразование энергии солнечного све­та в энергию химических связей синтезируемых органичес­ких соединений.

Из всего спектра солнечного излучения молекулы хлорофилла поглощают красную и синюю часть, а зеленая составляющая достигает сетчатки наших глаз. Поэто­му большинство растений мы видим зелеными. Для осуществления фотосинтеза растения поглощают из атмосферы углекислый газ, а из водоемов и почвы – воду, неорганические соли азота и фосфора. Итоговое уравнение фо­тосинтеза выглядит довольно просто: 6СО2 + 6Н2О С6Н12О6(глюкоза)

Претензии к содержанию