ГЛАВА III ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ

Обмен веществ и энергии (метаболизм) - это совокупность химических реакций, протекающих в клетках или в целостном организме и заключающихся в синтезе сложных молекул и новой протоплазмы (анаболизм) и в распаде молекул с освобождением энергии (катаболизм).

Обмен веществ и энергии - важнейшее свойство живого, проявляющееся на разных уровнях его организации. Благодаря обмену веществ и энергии происходят рост и размножение, формируются другие важнейшие свойства клеток и организмов. Характерная особенность метаболических функций животных и растительных клеток заключается в том, что они сходны между собой, поскольку клетки всех организмов обладают всеми молекулами, играющими централь- ную роль в метаболизме и обеспечивающими переход энергии одного вида в энергию другого вида. Кроме того, в основе регуляции метаболических путей лежат общие механизмы, поэтому энергетические процессы у всех живых существ сходны. Жизнь существует и продолжается лишь благодаря энергии.

АНАБОЛИЗМ И КАТАБОЛИЗМ

Основными метаболическими процессами являются анаболизм (ассимиляция) и катаболизм (диссимиляция).

Анаболизм, или ассимиляция (от лат. assimilation - уподобление), представляет собой эндотермический процесс уподобления поступающих в клетку веществ веществам самой клетки. Он является «созидательным» метаболизмом.

Важнейшим моментом ассимиляции служит синтез белков и нуклеиновых кислот. Частный случай анаболизма - фотосинтез, представляющий собой биологический процесс, при котором органическое вещество синтезируется из воды, двуокиси углерода и неорганических солей под влиянием лучистой энергии Солнца. Фотосинтез в зеленых растениях является автотрофным типом обмена.

Катаболизм, или диссимиляция (от лат. dissimilis - расподобление), - это экзотермический процесс, при котором происходит рас-

пад веществ с освобождением энергии. Этот распад осуществляется в результате переваривания и дыхания. Переваривание представляет собой процесс распада крупных молекул на более мелкие молекулы, тогда как дыхание является процессом окислительного катаболизма простых сахаров, глицерола, жирных кислот и дезаминированных аминокислот, в результате которого происходит освобождение жизненно необходимой химической энергии. Эта энергия используется для пополнения запасов аденозитрифосфата (АТФ), который служит непосредственным донором (источником) клеточной энергии, универсальной энергетической «валютой» в биологических системах. Пополнение запасов АТФ обеспечивается реакцией фосфата (Ф) с аденозиндифосфатом (АДФ), а именно:

Формула 1

Когда АТФ разлагается на АДФ и фосфат, энергия клетки освобождается и используется для работы в клетке. АТФ представляет собой нуклеотид, состоящий из остатков аденина, рибозы и трифосфата (трифосфатных групп), тогда как аденозиндифосфат (АДФ) имеет лишь две группы. Богатство АТФ энергией определяется тем, что его трифосфатный компонент содержит две фосфоангидридные связи. Энергия АТФ превышает энергию АДФ на 7000 ккал/моль. Этой энергией обеспечиваются все биосинтетические реакции в клетке в резуль-

тате гидролиза АТФ до АДФ и неорганического фосфата. Итак, цикл АТФ - АДФ является основным механизмом обмена энергии в живых системах. Как видно, ассимиляция, диссимиляция и фотосинтез связаны с энергией. Энергия необходима для транспорта молекул и ионов, синтеза биомолекул из простых предшественников, для преобразования механической работы в клеточные движения.

К живым системам применимы два закона термодинамики. В соответствии с первым законом термодинамики (законом сохра- нения энергии) энергия на протяжении химических и физических процессов ни создается, ни исчезает, а просто переходит из одной формы в другую, пригодную в той или иной мере для выполнения работы. В соответствии со вторым законом термодинамики химические и физические процессы протекают в направлении установления равновесия, т. е. в направлении от упорядоченного состояния к неу- порядоченному. По мере приближения к установлению равновесия между упорядоченностью и неупорядоченностью происходит уменьшение свободной энергии, т. е. той порции общей энергии, которая способна производить работу. Когда свободная энергия уменьшается, повышается та часть общей внутренней энергии системы, которая является мерой степени случайности и неупорядоченности (дезорганизации) и называется энтропией. Таким образом, естественная тенденция любой системы направлена на повышение энтропии и уменьшение свободной энергии, которая является самой полезной термодинамической функцией.

Для живых существ первичный источник энергии - солнечная радиация, в частности видимый свет, который состоит из электро- магнитных волн энергии, встречающихся в виде дискретных единиц, называемых фотонами или квантами света. Одни живые существа способны улавливать световую энергию, другие получают энергию в результате окисления пищевых веществ.

Энергия видимого света улавливается зелеными растениями в процессе фотосинтеза, который осуществляется в хлоропластах их клеток. Благодаря фотосинтезу живые существа создают упорядоченность из неупорядоченности, а световая энергия превращается в химическую энергию, запасаемую в углеводах, являющихся продуктами фотосинтеза. Таким образом, фотосинтезирующие организмы извлекают свободную энергию из солнечного света. В результате этого клетки зеленых растений обладают высоким содержанием свободной энергии.

Животные организмы получают энергию, уже запасенную в углеводах, через пищу. Следовательно, они способствуют увеличению энтропии среды. В митохондриях клеток этих организмов энергия, запасенная в углеводах, переводится в форму свободной энергии, подходящей для синтеза молекул других веществ, а также для обеспечения механической, электрической и осмотической работы клеток. Освобождение энергии, запасенной в углеводах, осуществляется в результате дыхания - аэробного и анаэробного. При аэробном дыхании расщепление молекул, содержащих запасенную энергию, происходит путем гликолиза и в цикле Кребса. При анаэробном дыхании действует только гликолиз. Таким образом, жизнедеятельность клеток животных организмов обеспечивается в основном энергией, источником которой служат реакции окисления - восстановления «топлива» (глюкозы и жирных кислот), в процессе которых происходит перенос электронов от одного соединения (окисление) к другому (восстановление). Перенос энергии от химических реакций, дающих энергию, к процессам - потребителям энергии - осуществляется с помощью АТФ.

Организм - открытая саморегулирующая химическая система, которая поддерживает и реплицирует себя посредством использования энергии, генерируемой Солнцем. Непрерывно поглощая энергию и вещества, жизнь не «стремится» к равновесию между упорядоченностью и неупорядоченностью, между высокой молекулярной организацией и дезорганизацией. Напротив, для живых существ характерна упорядоченность как в их структуре и функциях, так и в превращении и использовании ими энергии.

Процессы обмена вещества и энергии подвержены регуляции, причем существует множество регулирующих механизмов, наиболее известный из которых заключается в контроле количества и активности ферментов. В регуляции обмена веществ и энергии имеет значение также и то, что метаболические пути синтеза и распада почти всегда разобщены, причем у эукариотов это разобщение усиливается компартментализацией клеток.

ПОСТУПЛЕНИЕ ВЕЩЕСТВ В КЛЕТКИ

Благодаря содержанию растворов солей, сахаров и других осмотически активных веществ клетки характеризуются наличием в них определенного осмотического давления. Например, давление в клет-

ках животных, обитающих на суше, доходит до 8 атм., а у некоторых водных животных (морских и океанических форм) оно достигает 30 атм. и более. В клетках растений осмотическое давление является еще большим. Разность концентрации веществ внутри и снаружи клетки называют градиентом концентрации.

Поступление веществ в клетку, равно как и удаление их из клетки, связано с проницаемостью клеточной мембраны для молекул или ионов, а также со свойствами веществ. Клеточная мембрана регулирует обмен различными веществами между клеткой и средой. Поддержание мембраны и ее проницаемость обеспечиваются клеточной энергией.

Известно несколько путей поступления веществ в клетки. В частности, различают пассивный, катализируемый и активный транс- порт веществ в клетки и из клеток, а также проникновение веществ в клетки путем фагоцитоза и пиноцитоза.

Пассивный транспорт веществ в клетки обеспечивается диффузией через мембрану по градиенту концентрации. Молекулы обычно переходят из области высокой концентрации в область более низкой.

Количество работы, затрачиваемой на транспорт молекул в клетку против градиента концентрации, можно определить исходя из допущения простой реакции, в которой А₀ есть концентрация молекул за пределами клетки, а А₁ - концентрация молекул внутри клетки. Эту реакцию можно описать константой равновесия в виде уравне- ния:

Между тем константа равновесия К_р связана со свободной энергией реакции отношением в виде G = RTlnK, где R есть около 2 кал/моль, а Т есть 300 ?К (температура, при которой протекают многие биологические реакции). Допуская, что совместная энергия гидролиза АТФ и АДФ обеспечивает эту реакцию с 50%-ной эффективностью, можно далее допустить, что транспортная система будет располагать примерно 3500 калориями (из общего количества энергии в 7000 калорий) на 1 моль АТФ, гидролизуемого при определенных физиологических условиях. Следовательно, константа равновесия будет равна

K_p = ln-= ln

3500

=5,83.

600

Важнейший вывод из этих заключений состоит в том, что работа, необходимая для транспорта молекул, не зависит от отношений между концентрациями внутри и вне клетки.

Можно сказать, пассивный транспорт веществ в клетки осуществляется обычной диффузией через клеточную мембрану, причем скорость диффузии вещества зависит от его растворимости в мембране, коэффициента диффузии в мембране и от разности концентрации веществ в клетке и за ее пределами (в среде). Этим путем в клетку проникают вода, двуокись углерода и молекулы органических веществ, способные хорошо растворяться в жирах. Вещества в клетку проникают через поры, имеющиеся в клеточной мембране. Пассивный транспорт не зависит от энергии, обеспечиваемой АТФ.

Известна катализируемая, или так называемая облегченная, диффузия, при которой скорость диффузии разных веществ, например сахаров, аминокислот и нуклеозидов, через мембрану повышается с помощью белков (ферментов). Как и обычная диффузия, «облегченная» диффузия тоже зависит от градиента концентрации, однако здесь имеются подвижные «переносчики», роль которых выполняют ферменты. Находясь в составе мембраны, ферменты действуют в качестве «переносчиков» молекул вещества, проникая (диффундируя) на противоположную сторону мембраны, где они освобождаются от переносимых веществ. Поскольку «облегченная» диффузия вещества является переносом по градиенту концентрации, она тоже непосредственно не зависит от энергии.

Активный транспорт веществ в клетку отличается от пассивного (диффузии) тем, что вещество переносится против градиента концентрации, т. е. из области низкой концентрации в область более высокой концентрации. Активный транспорт связан со способностью мембраны поддерживать разность электрических потенциалов (помимо поддержания разности в концентрации веществ внутри и снаружи клетки), под которыми понимают различия между электрическими потенциалами внутри и вне клетки, а также с затратами энергии на работу в виде перемещения веществ против электрохимического градиента, т. е. вверх.

Энергия для транспорта обеспечивается фосфоэнолпируватом, фосфатная группа и часть химической энергии которого передаются белками, часть последних используется всеми сахарами, транс- портируемыми фосфотрансферазной системой, а часть специфична

для отдельных сахаров. Конечный белок содержится в мембране и ответствен за транспорт и фосфорилирование сахаров.

Активный транспорт особенно эффективен в случае переноса ионов. Реакции, обеспечивающие активный транспорт, происходят в мембране и сопряжены с реакциями, дающими свободную энергию. Ферменты, катализирующие эти реакции, также локализованы в мембране. Примером активного транспорта веществ является транспорт ионов натрия и калия, который определяет клеточный мембранный потенциал. Концентрация ионов натрия (Na+) внутри большинства клеток меньше, чем в среде, тогда как концентрация ионов калия (K+) внутри клеток больше, чем в среде. В результате этого ионы Na+ стремятся проникнуть внутрь из среды в клетку, а ионы К⁴, наоборот, выйти из клетки в среду. Поддержание концентрации этих ионов в клетке и в окружающей среде обеспечивается благодаря наличию в клеточной мембране системы, которая является ионным «насосом» и откачивает ионы Na⁺ из клетки в среду и накачивает ионы К⁺ в клетку из среды. Работа этой системы, т. е. движение ионов против электрохимического градиента, обеспечивается энергией, которая генерируется гидролизом АТФ, причем фермент АТФ-аза, катализирующий эту реакцию, содержится в самой мембране и, как считают, выполняет роль натриево-калиевого «насоса», генерирующего мембранный потенциал. Энергия, освобождаемая при гидролизе одной молекулы АТФ, обеспечивает транспорт за пре- делы клетки трех ионов Na⁺ и внутрь клетки двух ионов K⁺.

Система Na+ +K+ + АТФ-аза помогает поддерживать асимметрическое распределение ионов калия при высокой концентрации последнего в клетках. Ионы калия участвуют в регуляции многих клеточных функций, включая поток солей и воды из почечных клеток, освобождение инсулина из панкреатических клеток, частоту сердцебиения.

Установлено, что энергетически выгодный транспорт ионов Na+ внутрь клеток оказывает также влияние на транспорт сахаров и аминокислот в клетки. В частности, с транспортом ионов Na⁺ сопряжен транспорт глюкозы. Чтобы создать градиент концентрации ионов Na⁺, благоприятный для транспорта ионов K⁺ и глюкозы внутрь клеток, ионная «насосная» система, благодаря энергии, активно откачивает ионы Na⁺ из клетки за ее пределы.

Определенная роль в транспорте веществ принадлежит белоксвязывающим системам, представляющим четвертый способ транс-

порта. Речь идет о белках, локализованных в периплазмати-ческом пространстве. Эти белки специфически связывают сахара, аминокислоты и ионы, перенося их затем к специфическим молекуламносителям, локализованным в клеточной мембране. Источником энергии для этих систем является АТФ.

Перенос в клетки крупных частиц и молекул обеспечивает эндоцитоз, в рамках которого различают фагоцитоз и пиноцитоз.

Фагоцитоз (от греч. phagos - пожирающий и cytos - клетка) представляет собой процесс, при котором клетки захватывают (обволакивают) твердые частицы за счет выпячиваний клеточной мембраны. Вошедшие в толщу цитоплазмы частицы перевариваются с помощью ферментов и усваиваются затем клетками. Фагоцитоз широко распространен среди одноклеточных организмов и некоторых специализированных клеток многоклеточных организмов. Он имеет также значение в иммунной защите организма.

Пиноцитоз (от греч. pino - пить и cytos - клетка) представляет собой процесс, при котором клетки поглощают жидкости и высокомолекулярные вещества за счет впячиваний плазматической мембраны и образования канальцев, куда поступает жидкость. Канальцы после заполнения жидкостью отшнуровываются и поступают в цитоплазму, где их стенки перевариваются, в результате чего содержимое (жидкость) освобождается. Путем аналогичного механизма происходит и удаление молекул из клеток (экзоцитоз). Пиноцитоз часто встречается у одноклеточных животных. У многоклеточных он наблюдается в клетках кровеносной и лимфатической систем, в клетках злокачественных опухолей, а также клетках тканей, для которых характерен повышенный уровень обмена веществ.

ФОТОСИНТЕЗ

Фотосинтез - это синтез органических соединений в листьях зеленых растений из воды и двуокиси углерода с использованием солнечной (световой) энергии, адсорбируемой хлорофиллом (рис. 9). Благодаря фотосинтезу происходит улавливание энергии видимого света и превращение ее в химическую энергию, сохраняемую (запасаемую) в веществах, образуемых при фотосинтезе. Значение фотосинтеза гигантское. Отметим лишь, что он поставляет топливо (энергию) и атмосферный кислород, необходимые для существования всего живого.

Рис. 9. Фотосинтез

Химия фотосинтеза описывается следующими уравнениями:

Улавливание и поглощение света осуществляется пигментом хлорофиллом, содержащимся в хлоропластах клеток зеленых растений. Когда свет падает на молекулу хлорофилла, то один из ее электронов оказывается в возбужденном состоянии. Другими словами, он переходит на более высокий энергетический уровень. Возбужденные

электроны передаются затем другим молекулам, в результате чего повышается свободная энергия акцепторной молекулы, а «брешь» в молекуле хлорофилла заполняется электроном, поступающим из воды. Последняя при этом окисляется, в результате чего выделяется молекулярный кислород. Таким образом, в молекулах хлорофилла световая энергия переводит электроны на высокий энергетический уровень. Хлорофилл является промежуточным соединением на пути электронов от низкоэнергетического уровня в молекулах воды к высо- коэнергетическому уровню в конечном акцепторе электронов.

В переходе электронов на высокий энергетический уровень участвуют две фотосистемы - фотосистема I, активируемая далеким красным светом (~700 нм), и фотосистема II, активируемая красным светом с более высокой энергией (~650 нм), т. е. этот переход проис- ходит в два этапа при использовании света. Реакции, протекающие на этих этапах, получили название световых. Обе фотосистемы связаны между собой системой переноса электронов.

На уровне фотосистемы I молекулы хлорофилла передают свои электроны, богатые энергией, через ферредоксин к никотин- амидаденин-динуклеотидфосфату (НАДФ), который в результате этого восстанавливается и в восстановленной форме уже сам способен самостоятельно поставлять электроны, необходимые для образования глюкозы путем восстановления атмосферной СО₂.

На уровне фотосистемы II богатые энергией возбужденные электроны хлорофилла передаются системе переноса электронов, а образовавшиеся в молекулах хлорофилла «бреши» после «ушедших» электронов замещаются бедными энергией электронами, которые поступают от воды, окисляющейся с образованием молекулярного кислорода. Пройдя через ряд соединений, составляющих цепь переноса электронов, электроны из фотосистемы II, богатые энергией, в конечном итоге замещают утраченные электроны в хлорофилле из фотосистемы I. В цепи переноса электронов осуществляется несколько окислительно-восстановительных реакций, в каждой из которых элек- троны переходят на более низкий энергетический уровень.

Часть энергии, теряемой при переходе через цепь переноса электронов, идет на обеспечение синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Считают, что синтез молекул АТФ связан также с фотосисте- мой I, в которой имеется циклический поток электронов, заключающийся в том, что электроны, захваченные акцептором, возвращаются хлорофиллу через цитохром V. При этом энергия, высвобождающаяся

в реакциях систем переноса электронов, в которых электроны двигаются «вниз», запасается путем синтеза молекул АТФ.

В результате световых реакций фотосинтеза образуются высокоэнергетические АТФ и восстановленный НАДФ, которые снабжают энергией последующие, так называемые темновые реакции, протекающие без света и приводящие в конце концов к восстановлению атмосферной СО₂ до сахаров. Процесс восстановления СО₂ начинается с фиксации молекул этого соединения молекулами акцептора, сопровождающейся вступлением атомов углерода в ряд последовательных реакций, что приводит к образованию на каждые шесть фиксированных молекул СО₂ одной молекулы глюкозы. Энергия и электроны, необходимые для темповых реакций, поставляются АТФ и вос- становленным НАДФ, образованными в световых реакциях. Таким образом, химическая энергия, генерированная световыми реакциями, стабилизируется в молекулах глюкозы в процессе темповых реакций. В конечном итоге из глюкозы образуется крахмал, в котором оказываются запасенными, по существу, как атомы углерода, так и энергия.

ДЫХАНИЕ (ПОДГОТОВКА ЭНЕРГИИ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ)

Энергия, которая оказывается запасенной в основном в углеводах, используется в дальнейшем клетками растений для обеспечения различных биологических реакций. Что касается клеток животных, то энергия поступает в них с пищей. Чтобы эта энергия могла использоваться в процессе жизнедеятельности клеток, она должна быть подготовлена для этого. Каковы эти механизмы, с помощью которых энергия, запасенная в глюкозе, трансформируется в клетках в доступную для использования форму АТФ?

Подготовка энергии к использованию, т. е. генерирование (извлечение) энергии из пищевых веществ, осуществляется в процессе дыхания, под которым понимают окисление (расщепление) молекул- энергоносителей (т. е. топливных молекул), при котором роль конечного акцептора выполняет О₂, а донором электронов является органическое или неорганическое соединение. Процесс подготовки энергии к использованию протекает в три последовательные стадии (рис. 10).

На первой стадии поступающие в клетки крупные молекулы полисахаридов гидролизуются до простых Сахаров. На этой стадии происходит разложение и дополнительных энергоносителей. В частности,

жиры разлагаются на глицерол и жирные кислоты, белки гидролизуются до аминокислот. Однако на этой стадии высвобождения запасенной в пищевых веществах энергии все еще не происходит.

Рис. 10. Подготовка энергии к использованию

На второй стадии происходит распад малых молекул до еще более простых структур, играющих уже ключевую роль в метаболизме. Глюкоза превращается в ацетильную часть ацетил-КоА, являющегося производным кофермента А. В результате этих реакций образуются молекулы АТФ, но их еще мало. На уровне ацетил-КоА в метаболический путь могут вступать также жирные кислоты и аминокислоты.

Наконец, на третьей стадии происходит полное окисление ацетильного компонента ацетил-КоА до СО₂. На этой стадии образуется основная часть АТФ.

Процесс генерирования энергии начинается с гликолиза (от греч. glycos - сахар и lysie - растворение), который представляет собой окислительный процесс, заканчивающийся превращением глюкозы в пировиноградную кислоту с образованием АТФ. Уже давно установлено, что для дыхания в качестве акцептора электронов необходим

кислород. Однако на первых этапах расщепления Сахаров кислорода не требуется. Окисление глюкозы начинается в анаэробных усло- виях дыхания (при отсутствии кислорода) с частичного расщепления ее шестиуглеродной молекулы и заканчивается образованием двух трехуглеродных молекул пировиноградной кислоты (рис. 11). Превращения глюкозы можно описать следующим уравнением:

Рис. 11. Окисление глюкозы в анаэробных условиях (гликолиз)

Гликолиз состоит из десяти последовательных химических реакций, протекающих в цитоплазме (цитозоле), и идет в отсутствие кислорода.

Вначале глюкоза превращается через глюкозо-6-фосфат в фруктозо-1,6-бифосфат в результате фосфорилирования, изомеризации и второй реакции фосфорилирования, катализируемых гексокиназой и фосфофруктокиназой. Поскольку эти реакции еще сами нуждаются в АТФ, они являются подготовительными в образовании АТФ. В частности, на превращение каждой молекулы глюкозы в этих реакциях затрачивается по две молекулы АТФ.

На втором этапе фруктозо-1,2-дисфосфат превращается с помощью альдолазы в дигидроксиацетонфосфат и глицероальдегид- 3-фосфат, которые взаимопревращаемы в реакциях, катализируемых триозофосфатизомеразой. Затем глицероальдегид-3-фосфат окисляется и фосфорилизуется, в результате чего превращается в высокоэнергетическое фосфатное соединение 1,3-дифосфоргли- церат (1,3-ДФГ). Это превращение катализируется глицеральдегид- 3-фосфат-дегидрогеназой.

Поскольку 1,3-ДФГ-ацилфосфат обладает высоким потенциалом переноса фосфатной группы, эта особенность используется для гене- рирования АТФ. Поэтому дальше происходит перенос фосфорильной группы от ацилфосфатной группы 1,3-ДФГ-ацилфосфата на АДФ, катализируемый фосфоглицераткиназой. В результате этого образуется молекула АТФ и 3-фосфоглицерат, т. е. на этом этапе происходит образование энергии.

Последний этап гликолиза связан с превращением 3-фосфо- глицерата в пируват и образованием второй молекулы АТФ. Этот этап осуществляется в реакциях трех типов. Первая реакция заключается во внутримолекулярной перестройке, связанной с превращением 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат, катализируемый фосфоглицеромутазой. В результате этой реакции происходит перемещение фосфорильной группы. Во второй реакции происходит дегидратация 2-фосфоглицерата, катализируемая енолазой, в результате чего образуется фосфоенолпируват. При этом повышается потенциал переноса фосфорильной группы; енолфосфат обладает высоким потенциалом переноса фосфорильной группы. В третьей (заключительной) реакции этого этапа происходит перенос фосфорильной группы от фосфоенолпирувата к АДФ, катализируемый пируваткиназой. Это приводит к образованию пирувата и АТФ (второй молекулы).

При анаэробных условиях пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту (лактат) или в этиловый спирт (этанол). Этот анаэробный процесс называют еще брожением. В данном случае речь идет о молочнокислом и спиртовом брожении. Молочная кислота образуется из пирувата при метаболизме ряда микроорганизмов, а также в клетках мышц многоклеточных организмов. Суммарная реакция превращения глюкозы в лактат имеет следующий вид:

НАДФ образуется в результате окисления глицеральдегид- 3-фосфата, который используется при восстановлении пирувата. В процессе превращения пировиноградной кислоты в лактат происходит регенерирование НАД+, что поддерживает непрерывность гликолиза в анаэробных условиях. Этиловый спирт образуется из пирувата при метаболизме дрожжей и некоторых других микроорганизмов спиртового брожения. Суммарная реакция превращения глюкозы в этанол имеет следующий вид:

глюкоза +2Pi + 2АДФ + 2Н² -- 2 этанол +2СО₂ + 2АТФ + 2Н₂О.

Восстановление ацетальдегида в этиловый спирт сопровождается регенерированием НАД+.

Анаэробное дыхание с точки зрения производительности не является эффективным процессом, так как при анаэробном превращении глюкозы в этанол или лактат освобождается лишь небольшое количество энергии. Большая часть энергии, запасенной в глюкозе, продолжает затем оставаться запасенной уже в молекулах этанола.

Как видно, последовательность реакций, в процессе которых глюкоза превращается в пируват, сходна в клетках всех видов у всех организмов. Биологическое значение гликолиза заключается в том, что он генерирует молекулы АТФ. В результате распада глюкозы образуются строительные блоки, используемые для синтеза клеточных структур. Оба эти процесса регулируются скоростью превращения глюкозы в пируват. Однако роль пирувата в генерировании энергии обмена веществ различна в разных клетках и организмах.

У аэробных организмов гликолиз выполняет роль своего рода процесса-прелюдии к дальнейшему окислению, ибо при аэробном дыхании (в присутствии кислорода) окисление идет дальше и осуществляется уже в митохондриях в цикле Кребса (цикле трикар-

Рис. 12. Цикл Кребса

боновых кислот или цикле лимонной кислоты) и в цепи переноса электронов. Цикл Кребса является конечным путем окисления топливных молекул, причем не только глюкозы и других углеводов, но и жирных кислот и аминокислот (рис. 12). Включение в этот окислительный путь осуществляется на уровне ацетил-кофермента (ацетил-КоА), т. е. происходит с образования ацетил-КоА в митохондриях в результате окислительного декарбоксилирования пирувата. Ацетил-КоА обладает высоким потенциалом переноса ацетильных групп. Следовательно, топливные молекулы вступают в цикл Кребса в виде ацетил-КоА.

Цикл Кребса действует только в аэробных условиях и начинается с конденсации ацетил-КоА (С₂) и оксалоацетата (С₄) с образованием цитрата (С₆), изомеризация которого приводит к изоцитрату (С₆). Затем следует окислительное декарбоксилирование изоцитрата и образование α-оксоглутарата (С₅), после чего последний подвергается окислительному декарбоксилированию (выделяется вторая молекула СО₂) в сукцинил-КоА (С₄). В следующей реакции происходит расщепление тиоэфирной связи сукцинил-КоА в присутствии Pi (пирофосфата), в результате чего образуется сукцинат и генерируются высокоэнергетические фосфатные связи в форме ГТФ или АТФ. Сукцинат потом окисляется в фумарат (С₄), который гидратируется в малат. В реакции происходит окисление малата, что приводит к регенерированию оксалоацетата (С₄). Следовательно, в цикл Кребса поступают два атома углерода в виде ацетил-КоА и такое же количество атомов углерода покидает этот цикл в виде СО₂ в последовательных реакциях декар- боксилирования, которые катализируются дегидрогеназами.

В результате четырех окислительно-восстановительных реакций цикла Кребса происходит перенос трех пар электронов на НАД и одной пары электронов на ФАД. Восстановленные этим путем переносчики электронов НАД и ФАД подвергаются затем окислению уже в цепи переноса электронов, в результате которого генерируется 11 молекул АТФ. Одна высокоэнергетическая связь генерируется непосредственно в цикле Кребса. Таким образом, на каждый двухуглеродный фрагмент, полностью окисляемый до Н₂О и СО₂, генерируется 12 высокоэнергетических фосфатных связей.

Формула 2

Биологическое значение цикла Кребса заключается не только в том, что он является завершающим этапом в генерировании энергии, ноив том, что он «поставляет» промежуточные продукты для биосинтеза.

Цикл Кребса действует только в аэробных условиях по той причине, что для него необходимы НАД и ФАД, регенерирование которых происходит при переносе электронов НАДН и ФАДН₂ на О₂ по цепи транспорта электронов, сопровождаемом одновременным образованием АТФ (рис. 13). Поскольку у аэробных организмов единственным акцептором электронов является О₂, а электроны не переносятся от топливных молекул и продуктов их реакций прямо на О₂, топливные молекулы и продукты их распада переносят электроны к пиримидиннуклеотидам или флавинам, являющимся переносчиками.

Формула 3

Главным акцептором электронов при окислении топливных молекул служит никотинамидадениндинуклеотид (НАД+), реакционноспособ- ной частью которого является никотинамидное кольцо. Последнее присоединяет ион водорода и два электрона. Восстановленная форма этого переносчика - НАДН. Окисление последнего дает три молекулы АТФ. Вторым ацептором электронов является ФАД (флавинадениндинуклеотид), реакционноспособной частью которого служит изоаллоксазиновое кольцо, которое тоже присоединяет два электрона.

Рис. 13. Цепь транспорта электронов

Восстановленная форма ФАД - ФАД-Н₂. Окисление последнего дает две молекулы АТФ. Таким образом, главными переносчиками являются НАД-Н и ФАД-Н₂, которые содержат по паре электронов с высоким потенциалом и доставляют свои высокоэнергетические электроны к О₂ по цепи транспорта электронов, также локализованной в митохондриях. Этот перенос сопровождается образованием АТФ из АДФ и Pi и носит название окислительного фосфорилирования (рис. 14). Следовательно, окислительное фосфорилирование - это процесс образования АТФ, сопряженного с переносом электронов по цепи транспорта (переносчиков) от НАД-Н или ФАД-Н₂ к О₂ через многие другие переносчики, в частности цитохромы. В процессе окислительного фосфорилирования генерируется 32 молекулы АТФ из всех 36 молекул АТФ, генерируемых в процессе окисления глюкозы до СО₂ и Н₂О.

Рис. 14. Цикл АТФ-АДФ

Многоступенчатость транспорта электронов от НАД-Н или ФАД-Н₂ к О₂ по цепи многочисленных переносчиков сопровождается выбросом протонов из митохондриального матрикса и генерированием протондвижущей силы (мембранного потенциала). В процессе обратного перехода протонов в митохондриальный матрикс происходит синтез АТФ. Следовательно, окисление НАД-Н и ФАД-Н₂ и фосфорилирование АДФ в АТФ сопряжены по той причине, что они обеспечиваются

протонным градиентом через внутреннюю мембрану митохондрий. Это сопряжение называют дыхательным контролем.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ В КЛЕТКАХ

Благодаря фотосинтезу и дыханию световая энергия конвертируется в форму, которая может использоваться клетками для обеспечения различных функций (см. рис. 14).

Основными видами биологической работы в клетках являются транспорт веществ через мембраны, биосинтез и механическая работа. Обеспечение этих видов биологической работы в клетках основано на цикле АТФ-АДФ. Для обеспечения энерготребующих функций клеток используются высокоэнергетические связи АТФ. В результате реакции в конечном итоге освобождается неорганический фосфат. АДФ рефосфорилируется в АТФ в процессе реакций катаболизма.

Большое место в катаболизме занимает биосинтез, который в клетках происходит непрерывно. Клетки обладают гигантской биосинтетической способностью. Например, одиночная клетка Е. coli (табл. 4), способна за время от одного деления до другого (одного клеточного цикла) синтезировать огромное количество молекул различных соединений (см. табл. 4). Центральное место в биосинтезе принадлежит синтезу белков (см. гл. VII). Синтез белков, нуклеиновых кислот и других химических соединений необходим для под-

Таблица 4. Биосинтетическая способность

Фотосинтезирующими организмами являются растения, в листьях которых осуществляется фотосинтез. Зеленые растения образуют

углеводы, которые передвигаются из листьев в корни, где вступают в реакции с аммиаком и образуют аминокислоты.

Хемосинтезирующими организмами являются микроорганизмы - нитрифицирующие, серобактерии и железобактерии. Свободный азот усваивают азотфиксирующие бактерии.

Гетеротрофные (от греч. heteros - другой, trophe - пища) организмы - это организмы, которые нуждаются в готовых органических соединениях. Ими являются животные, а также микроорганизмы.

Для животных характерен голозойный способ гетеротрофного питания, заключающийся в потреблении пищи в виде твердых частиц с последующей ее механической и химической переработкой. Напротив, для микроорганизмов свойствен осмотический способ гетеротрофного питания. При этом способе питание проходит растворенными питательными веществами путем поглощения их всей поверхностью тела.

Миксотрофные (от лат. mixtus - смешанный) организмы - это организмы, способные как к синтезу органических веществ, так и к использованию их в готовом виде. Например, эвглена зеленая на свету является автотрофом, в темноте - гетеротрофом.

По характеру диссимиляции различают аэробные и анаэробные организмы. Аэробные (от греч. аёг - воздух) организмы для дыхания (окисления) используют свободный кислород. Аэробными являются большинство ныне живущих организмов. Напротив, анаэробы окисляют субстраты, например сахара, в отсутствии кислорода, следовательно, для них дыханием является брожение. Анаэробными являются многие микроорганизмы, гельминты. Например, динитрифицирующие анаэробные бактерии окисляют органические соединения, используя нитриты, являющиеся неорганическим окислителем.

Автотрофы и гетеротрофы связаны между собой питанием (пищевыми цепями) и энергетически, в результате чего существование одних из них зависит от других, и наоборот. Например, кислородные потребности аэробов полностью зависят от автотрофов (зеленых растений). Последние используют СО₂, поставляемый в окружающую среду гетеротрофами. Все живые существа обладают системами, обеспечивающими превращение энергии, и способны понимать энтропию. Жизнедеятельность организмов с различными типами питания создает круговороты веществ в природе.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ТИПОВ ОБМЕНА

Считают, что первыми организмами были гетеротрофные анаэробы, способные использовать органические вещества абиогенного

происхождения. Первые гетеротрофы дали начало автотрофам, которые тоже были анаэробами. Позднее среди автотрофов появились организмы, способные осуществлять фотосинтез, что вело к накоплению в атмосфере кислорода. Это способствовало в дальнейшем появлению аэробного типа диссимиляции. Предполагают, что первыми аэробами были зеленые растения и хемосинтезирующие микроорганизмы. Гетеротрофы возникли на последнем этапе эволюции анаболизма и катаболизма.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. Какова роль обмена веществ и энергии в жизни живых существ?

2. Что такое энергия и каковы ее формы?

3. Применимы ли к живым системам законы термодинамики?

4. Как организмы используют энергию?

5. Какова связь между световой энергией и пигментами растений? Что происходит, когда свет падает на хлорофилл?

6. Почему энергия, запасенная в глюкозе, не может использоваться прямым образом для обеспечения биологических реакций?

7. Какова роль дыхания в подготовке энергии к использованию?

8. Какова роль гликолиза, цикла Кребса и цепи переноса электронов в «улучшении» энергии? Каково биологическое значение цикла Кребса?

9. Можете ли вы написать суммарное уравнение для превращения глюкозы в лактат?

10. Какова природа энергетической «валюты»?

11. Как используется АТФ в биологической работе?

12. Какова роль АТФ в транспорте ионов через клеточную мембрану?

13. Как вы понимаете роль АТФ в росте клеток и биосинтезе?

14. Полное окисление глюкозы дает 636 ккал энергии (глюкоза + + О₂ - Н₂О + СО₂ + 636 ккал). В процессе гликолиза глюкозы продуцируются две молекулы АТФ (глюкоза - 2 АТФ + 2 пировиноградная кислота). Распад одной молекулы АТФ до одной молекулы АДФ дает 8 ккал (АТФ - АДФ + РО₄ + 8 ккал). Сколько энергии остается в двух молекулах пировиноградной кислоты, если допустить, что гликолиз эффективен на 100%?

15. Сколько молекул АТФ необходимо для синтеза в одну секунду ДНК, РНК, белка, липидов и полисахаридов в клетках человека,

если допустить, что их около 3-10¹⁵ в организме взрослого человека и что их биосинтетическая способность является такой же, как и в табл. 4?

16. Как много энергии необходимо для транспорта 3 эквивалентов Na+ из клетки в жидкую среду и 2 эквивалентов К+ из жидкой среды в клетку при условии, что концентрация Na+ составляет в клетках 10 мМ, в среде - 1 мМ, тогда как концентрация К+ равна 100 мМ в клетке и 5 мМ в среде?

17. Опишите свойства автотрофов и гетеротрофов с точки зрения ввода и использования энергии.

18. Что представляют собой АТФ и АДФ?

19. Каковы пути поступления веществ в клетки?

20. Каким образом можно демонстрировать существование «насоса» Na+ - К+ в эукариотических клетках?

21. Какие виды биологической работы осуществляются в клетках?

22. Приведите примеры биосинтетической способности клеток.

23. Дайте определения и перечислите основные свойства аутотрофных, гетеротрофных и миксотрофных организмов.

24. Если концентрация какой-либо аминокислоты в клетке составляет 10^{-3 мМ, то как долго это количество аминокислот будет поддерживать синтез белка при частоте, количественно выражающейся в 1-10-13 г вновь синтезированного белка в течение 30 мин, затрачиваемых на удвоение клеток?}

25. Что вы знаете о происхождении разных типов метаболизма?