Биология для школьного учителя

Рассмотрим более подробно, каким образом живые организмы освобождают запасенную в сложных органических соединениях энергию. Человечество, например, как и живая клетка, постоянно нуждается в 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)

Во-первых, 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:

СН ₄ --> CH₃OH --> H₂C=O --> HCOOH --> CO₂

В конечном итоге в этом процессе выделится столько же энергии (тепла), как и при простом сжигании метана, однако она будет выделяться порциями, по частям.

Отсюда видно, 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 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 (Н₃РО₄).

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:

СН ₃ - СН ₃ --> CH₂=CH₂ + 2H⁺,

CH₂=CH₂ + H₂O --> CH₃-CH₂OH,

CH₃-CH₂OH --> CH₃-HC=O + 2H⁺,

CH₃-HC=O + H₂O --> CH₃-HC(OH)₂,

CH₃-HC(OH)₂ --> CH₃-COOH + 2H⁺

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 называют восстановительными эквивалентами, в клетках присоединяются к универсальным акцепторам атомов водорода – молекулам НАД⁺ или ФАД (см. лекцию "Органические вещества. Липиды. Нуклеотиды"), восстанавливая их до НАДН или ФАДН₂. Эти вещества могут использоваться в реакциях биосинтеза для восстановления органических соединений (показанные выше реакции протекают в обратную сторону), а в присутствии кислорода НАДН и ФАДН₂ окисляются в дыхательной цепи митохондрий с освобождением большого количества энергии, запасаемой в виде АТФ.

Помимо сжигания органического топлива, человечество для получения энергии использует гидроэлектростанции: вода, накопленная по одну сторону плотины, стекает вниз и вращает турбины, производя электроэнергию. Интересно отметить, что живые клетки научились использовать аналогичный принцип задолго до появления человека как биологического вида: окисление НАДН и ФАДН₂ в дыхательной цепи митохондрий сопровождается переносом через 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 (см. ниже).

Итак, основу энергетического обмена в клетках составляют последовательно протекающие окислительно-восстановительные реакции. В цепи таких реакций в анаэробных условиях одни органические вещества окисляются (теряют атомы водорода), а другие (главным образом, НАД+ и ФАД) восстанавливаются (присоединяют атомы водорода). В аэробных условиях восстановленные НАДН и ФАДН₂ сами окисляются в митохондриях, отдавая электроны кислороду, который восстанавливается с образованием воды. Выделяемая при протекании этих реакций энергия частично рассеивается в виде тепла, а частично запасается в виде АТФ.

Основным источником энергии для 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 (глюкозы). Дальнейшие превращения глюкозы происходят в процессе гликолиза.

Бескислородный этап энергетического обмена

Гликолиз – это анаэробный ферментативный путь расщепления глюкозы до молочной кислоты (лактата), сопровождающийся выделением энергии, запасаемой в виде АТФ. Идентичный гликолизу процесс молочнокислого брожения характерен для многих микроорганизмов. У высших животных, грибов и растений гликолиз является необходимой стадией подготовки сахаров для полного окислительного расщепления до СО2 и Н2О в митохондриях 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 гиалоплазме. Условно гликолиз можно разделить на 2 стадии: на первой стадии глюкоза с затратой АТФ превращается в глицеральдегидфосфат, а на второй 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 в дыхательной 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 включаются 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.

По механизму, аналогичному гликолизу, протекает процесс брожения у 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. 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, уксусная, молочная, пропионовая, масляная), ацетон, СО₂, а в ряде случаев – молекулярный водород. По виду образуемых продуктов брожение подразделяют на спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое и т.д., что легло в основу названия ряда групп бактерий (молочнокислые, маслянокислые, пропионовокислые и т.д.). 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 СО₂ 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 от пирувата отрывается СО₂, а образовавшийся двухуглеродный остаток – радикал уксусной кислоты (ацетил-радикал) присоединяется к молекуле универсального переносчика углеводородных радикалов - кофермента А - с образованием ацетил-кофермента 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 – в дыхательной цепи митохондрий. В цикл Кребса на различных стадиях могут вступать все аминокислоты. Таким образом, в этом цикле сходятся пути окисления углеводов, жиров и белков.

Цикл Кребса (называемый также цикл трикарбоновых кислот или цикл лимонной кислоты) – сложный многоступенчатый 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 ГТФ. Все ферменты цикла Кребса, как и ферменты окисления жирных кислот, локализованы в матриксе митохондрий, а один фермент – сукцинатдегидрогеназа – находится во внутренней митохондриальной мембране.

На первой стадии цикла Кребса остаток уксусной кислоты передается от ацетил-КоА на молекулу щавелевоуксусной кислоты (оксалоацетата) с образованием лимонной кислоты (цитрата), которая через промежуточную реакцию образования цис-аконитовой кислоты превращается в изолимонную кислоту (изоцитрат). От изолимонной кислоты отщепляется СО₂ и 2 атома Н⁺, в результате чего образуется молекула НАДН и a-кетоглутаровая кислота (a-кетоглутарат), которая взаимодействует с молекулой кофермента А. При этом отщепляется вторая молекула СО₂ и образуется еще одна молекула НАДН и богатое энергией соединение сукцинил-КоА, которое расщепляется с образованием свободной янтарной кислоты (сукцината), что сопровождается синтезом ГТФ из ГДФ и Ф_н. Янтарная кислота окисляется до фумаровой (фумарата) с образованием ФАДН₂, фумаровая кислота с присоединением воды превращается в яблочную (малат), а яблочная кислота окисляется до щавелевоуксусной (оксалоацетата) с образованием НАДН. На этой стадии цикл Кребса замыкается, т.е. оксалоацетат может снова вступать в цикл и конденсироваться со следующим остатком уксусной кислоты с образованием цитрата.

Таким образом, суммарную реакцию цикла Кребса можно описать следующим уравнением:

Ацетил-КоА +3НАД⁺ + ФАД + ГДФ + Ф_н +3Н₂О --> 2СО₂ + 3НАДН + 3Н⁺ + 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 (3 молекулы НАДН и одна ФАДН₂), которые могут использоваться в различных процессах биосинтеза или окисляться. Их дальнейшее окисление происходит в дыхательной цепи митохондрий, локализованной во внутренней митохондриальной мембране. "Работа" дыхательной цепи митохондрий заключается в окислении НАДН, т.е. в "отрывании" от него электронов, и переносе их на молекулу кислорода. У аэробных бактерий дыхательная цепь расположена в специальных структурах плазматической мембраны – мезосомах, и в общих чертах напоминает дыхательную цепь митохондрий.

Окислительное фосфорилирование начинается с окисления НАДН в дыхательной цепи митохондрий, сопровождающегося отщеплением двух электронов и протона (Н⁺). Окончательным акцептором этих электронов является О₂, который соединяется с находящимися в матриксе ионами Н⁺ с образованием Н₂О.

Окисление НАДН начинает фермент НАДН-дегидрогеназа, которая отщепляет от него два электрона и протон, освобождающийся в матрикс. Проследим 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 и несколько железо-серных 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 гем-содержащие 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⁺ + e^- --> Fe²⁺ и затем Fe²⁺ - e^- --> Fe³⁺). 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 в переносе электронов участвуют также ионы меди), которые передают их окончательному акцептору – молекулярному кислороду (О₂).

"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, часть энергии тратится на создание на внутренней мембране митохондрий разности концентраций протонов (электрохимического потенциала) за счет их переноса в нескольких пунктах дыхательной цепи (так называемых пунктах сопряжения) из матрикса в межмембранное пространство.

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 4 протона. Во-вторых, кофермент Q, получая электроны от НАДН-дегидрогеназы, захватывает 2 Н⁺ из матрикса; при его окислении цитохромами b и с₁ эти протоны выбрасываются в межмембранное пространство, а за счет работы так называемого Q-цикла это количество увеличивается еще на 2 Н⁺. В-третьих, 2 протона выбрасываются из митохондрий при работе цитохромоксидазы. Итак, окисление НАДН сопровождается переносом через митохондриальную мембрану из матрикса как минимум 10 протонов. При окислении ФАДН₂ отщепляемые от него 2 электрона и 2 протона передаются сразу на кофермент Q, поэтому при окислении ФАДН₂ через мембрану митохондрий переносится только 6 протонов.

В результате работы дыхательной цепи митохондрий концентрация Н⁺ в межмембранном пространстве существенно превышает их концентрацию в матриксе, что создает направленный внутрь митохондрий градиент концентрации протонов. Мембрана митохондрий для них непроницаема, 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 Ф_н.

Для синтеза 1 молекулы АТФ необходимо перенести внутрь митохондрий 3 иона Н⁺ по градиенту концентрации, поэтому за счет окисления 1 молекулы НАДН можно синтезировать 3 молекулы АТФ, а за счет окисления 1 молекулы ФАДН₂ – 2 молекулы АТФ.

Кроме того, часть энергии градиента концентрации протонов тратится на перенос через внутреннюю мембрану митохондрий различных веществ. Синтез АТФ в митохондиях ферментом АТФ-синтетазой называют окислительным фосфорилированием, подчеркивая связь этого процесса с окислением органических субстратов.

Таким образом, 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.

Итоговое уравнение этого процесса будет выглядеть следующим образом:

С₆H₁₂O₆ + 6О₂ + 38АДФ + 38Ф_н --> 6CO₂ + 6H₂O + 38АТФ

Эффективность полного окисления глюкозы до углекислого газа и воды очень высока: от 55 до 70% освобождающейся энергии (в зависимости от условий) запасается в виде макроэргических связей в молекулах АТФ; остальная энергия рассеивается в виде тепла. Таким образом, основным продуктом реакций энергетического обмена является АТФ.

В ходе этой реакции углерод окисляется кислородом воздуха (углерод максимально восстановлен в метане (СН₄) и максимально окислен в углекислом газе (CO₂)), что и приводит к освобождению энергии в виде тепла. Аналогичный процесс протекает и в живых клетках аэробных организмов, однако он имеет ряд существенных отличий.