Клеточное дыхание
КЛЕТОЧНОЕ ДЫХАНИЕ
Основными процессами, обеспечивающими клетку энергией, являются
фотосинтез, хемосинтез, дыхание, брожение и гликолиз как этап дыхания.
С кровью кислород проникает в клетку, вернее в особые клеточные
структуры – митохондрии. Они есть во всех клетках, за исключением клеток
бактерий, сине-зеленых водорослей и зрелых клеток крови (эритроцитов). В
митохондриях кислород вступает в многоступенчатую реакцию с различными
питательными веществами – белками, углеводами, жирами и др. Этот процесс называется
клеточным дыханием. В результате выделяется химическая энергия, которую клетка
запасает в особом веществе – аденозинтрифосфорной кислоте, или АТФ. Это
универсальный накопитель энергии, которую организм тратит на рост, движение,
поддержание своей жизнедеятельности.
Дыхание – это окислительный, с участием кислорода распад органических
питательных веществ, сопровождающийся образованием химически активных
метаболитов и освобождением энергии, которые используются клетками для
процессов жизнедеятельности.
Общее уравнение дыхания имеет следующий вид:
Где Q=2878 кДж/моль.
Но дыхание, в отличие от горения, процесс многоступенчатый. В нем
выделяют две основные стадии: гликолиз и кислородный этап.
Гликолиз
Драгоценная для организма АТФ образуется не только в митохондриях, но и
в цитоплазме клетки в результате гликолиза (от греч. «гликис» - «сладкий» и
«лисис» – «распад»). Гликолиз не является мембранозависимым процессом. Он
происходит в цитоплазме. Однако ферменты гликолиза связаны со структурами
цитоскелета.
Гликолиз – процесс очень сложный. Это процесс расщепления глюкозы под
действием различных ферментов, который не требует участия кислорода. Для
распада и частичного окисления молекулы глюкозы необходимо согласованное
протекание одиннадцати последовательных реакций. При гликолизе одна молекула
глюкозы дает возможность синтезировать две молекулы АТФ. Продукты расщепления
глюкозы могут затем вступать в реакцию брожения, превращаясь в этиловый спирт
или молочную кислоту. Спиртовое брожение свойственно дрожжам, а молочнокислое –
свойственно клеткам животных и некоторых бактерий. Многим аэробным, т.е.
живущим исключительно в бес кислородной среде, организмам хватает энергии,
образующейся в результате гликолиза и брожения. Но аэробным организмам
необходимо дополнить этот небольшой запас, причем весьма существенно.
Кислородный этап дыхания
Продукты расщепления глюкозы попадают в митохондрию. Там от них сначала
отщепляется молекула углекислого газа, который выводится из организма при
выходе. «Дожигание» происходит в так называемом цикле Кребса (приложение №1)
(по имени описавшего его английского биохимика) – последовательной цепи
реакций. Каждый из участвующих в ней ферментов вступает в соединения, а после
нескольких превращений вновь освобождается в первоначальном виде. Биохимический
цикл вовсе не бесцельное хождение по кругу. Он больше схож с паромом, который
снует между двумя берегами, но в итоге люди и машины движутся в нужном
направлении. В результате совершающихся в цикле Кребса реакций синтезируются
дополнительные молекулы АТФ, отщепляются дополнительные молекулы углекислого
газа и атомы водорода.
Жиры тоже участвуют в этой цепочке, но их расщепление требует времени,
поэтому если энергия нужна срочно, то организм использует не жиры, а углеводы.
Зато жиры – очень богатый источник энергии. Могут окислятся для энергетических
нужд и белки, но лишь в крайнем случае, например при длительном голодании.
Белки для клетки – неприкосновенный запас.
Главный по эффективности процесс синтеза АТФ происходит при участии
кислорода в многоступенчатой дыхательной цепи. Кислород способен окислять
многие органические соединения и при этом выделять много энергии сразу. Но
такой взрыв для организма был бы губителен. Роль дыхательной цепи и всего
аэробного, т.е. связанного с кислородом, дыхания состоит именно в том, чтобы
организм обеспечивался энергией непрерывно и небольшими порциями – в той мере,
в какой мере это организму нужно. Можно провести аналогию с бензином: разлитый
по земле и подожженный, он мгновенно вспыхнет без всякой пользы. А в
автомобиле, сгорая понемногу, бензин будет несколько часов совершать полезную
работу. Но для этого такое сложное устройство, как двигатель.
Дыхательная цепь в совокупности с циклом Кребса и гликолизом позволяет
довести «выход» молекул АТФ с каждой молекулы глюкозы до 38. А ведь при
гликолизе это соотношение было лишь 2:1. Таким образом, коэффициент полезного
действия аэробного дыхания намного больше.
Как устроена дыхательная цепь?
Механизм синтеза АТФ при гликолизе относительно прост и может без труда
быть воспроизведен в пробирке. Однако никогда не удавалось лабораторно
смоделировать дыхательный синтез АТФ. В 1961 году английский биохимик Питер
Митчел высказал предположение, что ферменты – соседи по дыхательной цепи –
соблюдают не только строгую очередность, но и четкий порядок в пространстве
клетки. Дыхательная цепь, не меняя своего порядка, закрепляется во внутренней
оболочке (мембране) митохондрии и несколько раз «прошивает» ее будто стежками.
Попытки воспроизвести дыхательный синтез АТФ потерпели неудачу, потому что роль
мембраны исследователями недооценивались. А ведь в реакции участвуют еще
ферменты, сосредоточенные в грибовидных наростах на внутренней стороне
мембраны. Если эти наросты удалить, то АТФ синтезироваться не будет.
Дыхание, приносящее вред.
Молекулярный кислород – мощный окислитель. Но как сильнодействующее
лекарство, он способен давать и побочные эффекты. Например, прямое
взаимодействие кислорода с липидами вызывает появление ядовитых перекисей и
нарушает структуру клеток. Активные соединения кислорода могут повреждать также
белки и нуклеиновые кислоты.
Почему же не происходит отравления этими ядами? Потому, что им есть
противоядие. Жизнь возникла в отсутствие кислорода, и первые существа на Земле
были анаэробными. Потом появился фотосинтез, а кислород как его побочный
продукт начал накапливаться в атмосфере. В те времена этот газ был опасен для
всего живого. Одни анаэробы погибли, другие нашли бескислородные уголки,
например, поселившись в комочках почвы; третьи стали приспосабливаться и
меняться. Тогда-то и появились механизмы, защищающие живую клетку от
беспорядочного окисления. Это разнообразные вещества: ферменты, в том числе
разрушитель вредоносной перекиси водорода – катализа, а также многие другие
небелковые соединения.
Дыхание вообще сначала появилось, как способ удалять кислород из
окружающей организм атмосферы и лишь потом стало источником энергии.
Приспособившиеся к новой среде анаэробы стали аэробами, получив огромные
преимущества. Но скрытая опасность кислорода для них все же сохранилась.
Мощность антиокислительных «противоядий» небезгранична. Вот почему в чистом
кислороде, да еще под давлением, все живое довольно скоро погибает. Если же
клетка окажется повреждена каким-либо внешним фактором, то защитные механизмы обычно
отказывают в первую очередь, и тогда кислород начинает вредить даже при обычной
атмосферной концентрации