гліколізу і дихання

В основі метаболізму тварин та інших організмів лежать хімічні процеси добування енергії, накопиченої вуглеводами.

В процесі фотосинтезу сонячна енергія запасається в хімічних зв'язках вуглеводних молекул, з яких найбільш важливу роль грає шестіуглеродний цукор глюкоза. Після того, як інші живі організми використовують ці молекули в їжу, запасені енергія виділяється і використовується для метаболізму. Це відбувається під час процесів гліколізу і дихання. Весь хімічний процес можна коротко описати так:

глюкоза + Кисень -> вуглекислий газ + вода + енергія

Щоб краще зрозуміти ці процеси, уявіть собі, що організм «спалює» вуглеводи, щоб отримати енергію.

Термін «Гліколіз» утворений при з'єднанні слова лізис, що означає «розщеплення», з словом глюкоза. Як випливає з назви, процес починається з хімічного добування енергії за допомогою розщеплення молекули глюкози на дві частини, кожна з яких містить три атома вуглецю. У процесі гліколізу з кожної молекули глюкози виходить дві трехуглеродние молекули піровиноградної кислоти. Крім того, енергія глюкози запасається у молекулах (див. Молекули життя), які ми називаємо «енергетичної валютою» клітини, - двох молекулах АТФ і двох молекулах НАДФ. Таким чином, вже на першій стадії гліколізу енергія вивільняється в такій формі, яка може бути використана клітинами організму.

Подальший хід подій залежить від наявності або відсутності кисню в середовищі. За відсутності кисню піровиноградна кислота перетворюється в інші органічні молекули в ході так званих анаеробних процесів. Наприклад, у клітинах дріжджів піровиноградна кислота перетворюється на етанол. У тварин, до яких відноситься і чоловік, при виснаженні запасів кисню в м'язах піровиноградна кислота перетворюється на молочну кислоту - саме вона викликає так добре знайоме всім нам відчуття м'язової скутості після важкого фізичного навантаження.

При наявності ж кисню енергія виділяється в процесі аеробного дихання, коли піровиноградна кислота розщеплюється на молекули вуглекислого газу і води з одночасним вивільненням енергії, що залишилася, запасеної в вуглеводної молекулі. Дихання відбувається в спеціалізованій клітинні органели -- мітохондрії. Спочатку відщеплюється один вуглецевий атом піровиноградної кислоти. При цьому утворюється вуглекислий газ, енергія (вона запасається в одній молекулі НАДФ) і двухуглеродная молекула - ацетільная група. Потім реакційна ланцюг надходить в метаболічний координаційний центр клітини - цикл Кребса.

Цикл Кребса (його також називають циклом лимонної кислоти або циклом трикарбонових кислот) є прикладом добре знайомого в біології явища - хімічної реакції, яка починається, коли певна що входить молекула з'єднується з іншою молекулою, що виконує функцію «помічники». Така комбінація ініціює серію інших хімічних реакцій, в яких утворюються молекули-продукти і в Наприкінці відтворюється молекула-помічник, що може почати весь процес знову. У циклі Кребса роль входить молекули грає ацетільная група, що утворюється при розщепленні піровиноградної кислоти, а роль молекули-помічника -- четирехуглеродная молекула щавелевоуксусной кислоти. Під час першої хімічної реакції циклу ці дві молекули з'єднуються з утворенням шестіуглеродних молекул лимонної кислоти (цієї кислоті цикл зобов'язаний одним зі своїх назв). Далі відбуваються вісім хімічних реакцій, в яких спочатку утворюються молекули-переносники енергії і вуглекислий газ, а потім нова молекула щавелевоуксусной кислоти. Для переробки енергії, запасеної в одній молекулі глюкози, цикл Кребса потрібно пройти двічі. Чистий прибуток виявляється рівним двом молекул АТФ, чотирьом молекул вуглекислого газу і десяти інших молекул-переносникам енергії (про них трохи пізніше). Вуглекислий газ, в кінцевому рахунку, дифундує

Цикл Кребса принципово важливим для життя не тільки тому, що в ньому утворюється енергія. Крім глюкози в нього можуть вступати багато інших молекули, також утворюють піровиноградна кислоту. Наприклад, коли ви дотримуєтеся дієти, організму не вистачає споживаної вами глюкози для підтримання метаболізму, тому в цикл Кребса, після попереднього розщеплення, вступають ліпіди (жири). Ось чому ви втрачаєте вагу. Крім того, молекули можуть залишати цикл Кребса, щоб взяти участь у побудові нових білків, вуглеводів і ліпідів. Таким чином, цикл Кребса може брати енергію, збережену в різній формі в багатьох молекулах, і створювати на виході різноманітні молекули.

З енергетичної точки зору чистий результат циклу Кребса полягає в тому, щоб завершити вилучення енергії, запасеної в хімічних зв'язках глюкози, передати невелику частину цієї енергії молекул АТФ і запасти решту енергію в інших молекулах-переносниках енергії. (Говорячи про енергію хімічних зв'язків, не треба забувати, що для розділення з'єднаних атомів необхідно виконати роботу.) На заключному етапі дихання ця залишилася, енергія вивільняється з молекул-переносників і також запасається в АТФ. Молекули, запасаються енергію, переміщаються всередині мітохондрії, поки не зіткнуться зі спеціалізованими білками, зануреними у внутрішні мембрани мітохондрії. Ці білки віднімають електрони у переносників енергії і починають передавати їх по ланцюгу молекул -- на зразок ланцюжка людей, що передають відра з водою на пожежі, - витягуючи енергію, запасені в хімічних зв'язках. Витягнута на кожному етапі енергія запасається у формі АТФ. На останньому етапі електрони з'єднуються з атомами кисню, які далі поєднуються з іонами водню (протонами), утворюючи воду. У ланцюзі перенесення електронів утворюється не менше 32 молекул АТФ - 90% енергії, зберігалася у вихідній молекулі глюкози.

Перетворення енергії в циклі Кребса включає в себе досить складний процес хеміосмотіческого сполучення. Цей термін вказує на те, що у вивільненні енергії разом з хімічними реакціями бере участь осмос - повільне просочування розчинів через органічні перегородки. По суті справи, електрони з переносників енергії, що є продуктом циклу Кребса, переносяться з транспортної ланцюжку і надходять на білки, занурені в мембрану, що розділяє внутрішній і зовнішній компартменти (відсіки) мітохондрії. Енергія електронів використовується для переміщення іонів водню (протонів) у зовнішній компартмент, службовець «Енергохраніліщем» - на зразок водосховища, що утворився перед греблею. При відтік протонів через мембрану енергія використовується для утворення АТФ, подібно до того як вода перед греблею використовується для виробництва електрики при падінні на генератор. Нарешті, у внутрішньому компартменте мітохондрії іони водню з'єднуються з молекулами кисню з утворенням води - одного з кінцевих продуктів метаболізму.

Цей розповідь про гліколізу і диханні ілюструє, наскільки далеко зайшли сучасні уявлення про живих системах. Просте висловлювання про конкретному процесі -- наприклад, що для метаболізму необхідно «спалювати» вуглеводи - тягне за собою неймовірно докладний опис складних процесів, що відбуваються на молекулярному рівні і за участю величезної кількості різних молекул. Осмислення сучасної молекулярної біології в чомусь схоже на читання класичного російського роману: вам легко зрозуміти кожне взаємодія між персонажами, але, дійшовши до сторінки 1423, ви цілком можете забути, ким доводиться Петро Петрович Олексію Олексійовичу. Точно так само кожна хімічна реакція у щойно описаної ланцюга здається зрозумілою, але дочитавши до кінця ви будете вражені незбагненною складністю процесу. Як утіха зауважу, що я відчуваю себе так само.

Ханс Адольф Кребс

Hans Adolf Krebs, 1900-81

Британський біохімік, виходець з Німеччини. Народився в Хілдесхайме (Німеччина) в єврейській сім'ї отоларинголога. У 1925 році отримав ступінь доктора медицини в Гамбурзькому університеті і почав дослідження в Фрайбурзьким університеті. У 1933 році, після того як до влади в Німеччині прийшли нацисти, Кребс емігрував до Англії, де працював спочатку в Шеффілдського (1935-54), а потім в Оксфордському університеті. У Шеффілді Кребс визначав відносний вміст різних молекул у тканинах свині після вдиху, і в 1937 році відтворив хімічний цикл, який тепер носить його ім'я і за який в 1953 році він був удостоєний Нобелівській премії в галузі фізіології та медицини.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://elementy.ru/