2. Енергетичний обмін (катаболізм, дисиміляція)

Універсальним джерелом енергії у всіх клітинах є АТФ (аденозинтриортофосфат, або аденозинтриортофосфатна кислота).


 
АТФ синтезується у результаті реакції приєднання одного залишку ортофосфатної кислоти до молекули АДФ (аденозиндиортофосфату):
 
$\mathit{АДФ}+H_{3}P{O}_4+40\mathit{кДж}=\mathit{АТФ}+H_{2}O$.

 

Енергія запасається у формі енергії хімічних зв'язків АТФ. Хімічні зв'язки АТФ, при розриві яких виділяється багато енергії, називаються макроергічними.

 

При розпаді АТФ до АДФ клітина за рахунок розриву макроергічних зв'язку отримає приблизно \(40\) кДж енергії.

 

Енергія для синтезу АТФ з АДФ виділяється у процесі дисиміляції.
Залежно від середовища існування організму, дисиміляція може відбуватися у два або у три етапи.

 

Процеси розщеплення органічних сполук в аеробних організмах відбуваються у три етапи: підготовчий, безкисневий і кисневий.
 
У результаті цього процесу органічні речовини розпадаються до простих неорганічних сполук.
 

 
У анаеробних організмів, що мешкають у безкисневому середовищі і не потребують кисню (а також у аеробних організмів при нестачі кисню), дисиміляція відбувається у два етапи: підготовчий і безкисневий.
 
У двоетапному енергетичному обміні енергії запасається набагато менше, ніж під час трьох етапів.

Цей процес називається травленням. У багатоклітинних організмах він здійснюється у шлунково-кишковому тракті за допомогою травних ферментів. У одноклітинних організмів — відбувається під дією ферментів лізосом.
 
В ході біохімічних реакцій, що відбуваються на цьому етапі, енергії виділяється мало, вона розсіюється у вигляді тепла, і АТФ не утворюється.
Біологічний сенс другого етапу полягає у початку поступового розщеплення і окиснення глюкози з накопиченням енергії у вигляді 2 молекул АТФ.
Гліколіз відбувається у цитоплазмі клітин.
 
Він складається з декількох послідовних реакцій перетворення молекули глюкози $C_6{H}_{12}{O}_6$ на дві молекули піровиноградної кислоти — ПВК $C_3{H}_4{O}_3$ та дві молекули АТФ (у вигляді якої запасається приблизно \(40\) % енергії, що виділилася при гліколізі). Інша енергія (близько \(60\) %) розсіюється у вигляді тепла.
 
$C_6{H}_{12}{O}_6+2H_{3}P{O}_4+2\mathit{АДФ}=2C_3{H}_4{O}_3+2\mathit{АТФ}+2H_{2}O$.

 

Отримана піровиноградна кислота при нестачі кисню у клітинах тварин, а також клітинах багатьох грибів і мікроорганізмів, перетворюється на молочну кислоту $C_3{H}_6{O}_3$.

 

$\underset{\text{піровиноградна кислота}}{\mathit{HOOC}-\mathit{CO}-C{H}_3}\underset{\mathit{НАД}\cdot H+H^{+}}{\overset{\mathit{лактатдегідрогеназа}}{\to }}\underset{\text{молочна кислота}}{\mathit{HOOC}-\mathit{CHOH}-C{H}_3}$
 
У м'язах людини при великих навантаженнях і нестачі кисню утворюється молочна кислота і з'являється біль. У нетренованих людей це відбувається швидше, ніж у людей тренованих.

 

При нестачі кисню у клітинах рослин, а також у клітинах деяких грибів (наприклад, дріжджів), замість гліколізу відбувається спиртове бродіння: піровиноградна кислота розпадається на етиловий спирт $C_2{H}_5\mathit{OH}$ і вуглекислий газ $C{O}_2$:
 
$C_6{H}_{12}{O}_6+2H_{3}P{O}_4+2\mathit{АДФ}=2C_2{H}_5\mathit{OH}+2C{O}_2+2\mathit{АТФ}+2H_{2}O$.
У результаті гліколізу глюкоза розпадається не до кінцевих продуктів (вуглекислого газу $C{O}_2$ і води $H_{2}O$), а до багатих енергією сполук (молочна кислота, етиловий спирт) які, окиснюючись у подальшому, можуть дати її у великих кількостях. Тому у аеробних організмів після гліколізу (або спиртового бродіння) відбувається третій, завершальний етап енергетичного обміну — повне кисневе розщеплення, або клітинне дихання. Цей етап відбувається на крістах мітохондрій.

 

Третій етап, так само як і гліколіз, є багатостадійним і складається з двох послідовних процесів — циклу Кребса і окисного фосфорилювання.

Цей етап можна уявити собі у наступному вигляді:
 
$2C_3{H}_4{O}_3+6O_2+36H_{3}P{O}_4+36\mathit{АДФ}=6C{O}_2+42H_{2}O+36\mathit{АТФ}$.

 

Згадаємо, що ще дві молекули АТФ запасаються під час безкисневого розщеплення кожної молекули глюкози (на другому, бескисневому етапі). Таким чином, у результаті повного розщеплення однієї молекули глюкози утворюється \(38\) молекул АТФ.

 

Сумарна реакція енергетичного обміну:
 
$C_6{H}_{12}{O}_6+6O_2=6C{O}_2+6H_{2}O+38\mathit{АТФ}$.

 

Для отримання енергії у клітинах, крім глюкози, можуть бути використані і інші речовини: ліпіди, білки. Проте, провідна роль в енергетичному обміні у більшості організмів належить сахаридам.