Как вам уже известно, любой процесс требует затраты энергии. При её отсутствии увеличивающаяся энтропия приведёт к полному хаосу внутри системы и сделает невозможной любую работу.

Рис. 58. Строение молекулы АТФ

Для живой клетки это особенно важно. Клетка обладает такой высокой упорядоченностью своих структур, требует такой определённой концентрации веществ в каждой своей части, что - малейшее беспорядочное движение может её разрушить. Кроме того, в клетке постоянно происходит синтез необходимых ей веществ. Этот процесс называют пластическим обменом или ассимиляцией, он тоже требует больших затрат энергии. Поэтому клетке требуется постоянный приток свободной энергии. Откуда же она берётся?

Практически все энергетические потребности клетки обеспечиваются одним-единственным процессом – распадом молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). АТФ – это нуклеотид, содержащий азотистое основание аденин, пятиуглеродный сахар (рибозу) и три остатка фосфорной кислоты [9] (рис. 58). В молекуле АТФ связи между остатками фосфорной кислоты обладают очень высокой энергией, поэтому их называют макроэргическими (от греч. «макрос» – большой и «эргон» – деятельность, работа). При разрыве этих связей выделяется большое количество энергии, которая и используется клеткой. Как правило, отщепляется только одна молекула фосфорной кислоты:

АТФ -> АДФ + HPO-4 + энергия,

где АДФ – аденозиндифосфорная кислота. В некоторых случаях, когда требуется особенно много энергии, могут отщепляться сразу две молекулы фосфорной кислоты.

Для поддержания жизнедеятельности энергия клетке требуется постоянно, а запасы АТФ относительно невелики. Поэтому их требуется непрерывно пополнять. Это происходит путём образования АТФ из АДФ и остатка фосфорной кислоты. Такой процесс называют фосфорилированием:

АДФ + HPO-4 -> АТФ.

Рис. 59. Этапы энергетического обмена

Но, как вы помните, существует закон сохранения энергии, поэтому, если во время протекания первой реакции энергия выделяется, то, для того чтобы осуществить вторую реакцию, энергию надо затратить.

Энергию, необходимую для синтеза АТФ, организм получает, расщепляя крупные органические молекулы на более мелкие. В идеальном случае в результате такого распада получаются вода и углекислый газ. Совокупность таких реакций называют энергетическим обменом или диссимиляцией (рис. 59). В результате разрыва химических связей и образуется энергия, которую организм запасает в молекулах АТФ. В принципе источником энергии могут служить многие органические вещества, но мы рассмотрим процесс выделения энергии на примере моносахарида глюкозы, как одного из главных поставщиков энергии.

Химическая формула глюкозы – C6H12O6. Человек потребляет глюкозу чаще всего в виде её полимеров – крахмала, который содержится в растительной пище, или гликогена, который входит в состав продуктов животного происхождения.

Первый, подготовительный этап энергетического обмена происходит в кишечнике. Там эти полисахариды расщепляются до мономеров – молекул глюкозы. Затем глюкоза с током крови поступает ко всем клеткам организма.

Следующий этап энергетического обмена (гликолиз) протекает прямо в цитоплазме и не требует кислорода. В результате гликолиза молекула глюкозы распадается пополам, образуя две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), формула которой C3H4O3. Поэтому реакция выглядит так:

C6H12O6 -> 2C3H4O3 + 4H.

Энергии при этом выделяется совсем немного: её хватает на образование всего двух молекул АТФ. Если в клетке не хватает кислорода, то образуется молочная кислота (C3H6O3). Накопление молочной кислоты вызывает болевые ощущения, которые возникают, например, у нетренированных людей после очень интенсивной мышечной нагрузки. Кроме того, молочная кислота может стимулировать дыхательный центр головного мозга, что усиливает поступление кислорода в организм.

Если же в клетке кислорода достаточно, то осуществляется третий этап энергетического обмена – клеточное дыхание. Процессы клеточного дыхания требуют обязательного присутствия кислорода и происходят в митохондриях. В результате глюкоза полностью распадается, образуя воду и углекислый газ, и при этом образуется 36 молекул АТФ. Таким образом, реакция полного окисления молекулы глюкозы выглядит так:

C6H12O6 + 6O2 + 38АДФ + 38H3PO4 -> 6CO2 + 44H2O + 38АТФ.

Или в упрощённом виде без учёта изменений в носителях энергии:

C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O.

Кстати, один из сильнейших ядов – цианистый калий нарушает работу одного из ферментов клеточного дыхания. В результате все клетки организма теряют способность усваивать кислород, что и приводит к быстрой гибели организма.

1. Сравните процессы пластического и энергетического обменов. Как вы думаете, почему их иногда называют двумя сторонами одной медали?

2. Какой процесс называют фосфорилированием? В чём он заключается?

3. В каких случаях в клетке образуется молочная кислота?

4. Где происходит заключительный кислородный этап клеточного дыхания?

1. Объясните, почему болевые ощущения в мышцах после большой физической нагрузки у спортсменов возникают гораздо реже, чем у нетренированных людей.

2. Для снятия мышечной боли после интенсивных занятий спортом обычно рекомендуют принять тёплую ванну. Как вы считаете, почему?