Энергия в клетке

Энергия для жизни образуется благодаря обмену электронами между молекулами в реакциях, идущих с высвобождением энергии. Собственно говоря, энергия у большинства живых организмов на Земле — результат окисления восстановленных форм углерода. Как замечательно было бы воспроизвести это, ведь после данной реакции высвобождается огромное количество энергии. Позвольте мне объяснить это.

Вначале рассмотрим понятия окисление/восстановление. Термин «окисление» происходит от названия элемента кислорода. Вещества, обладающие способностью окислять другие вещества, называются окисляющими агентами, оксидантами или окислителями. Кислород — очень хороший окислитель, так как на его внешней электронной оболочке есть незаполненные орбитали, и он способен принимать электроны от других веществ. Вещества, которые обладают способностью восстанавливать другие вещества, принято называть восстанавливающими агентами, или восстановителями. Восстановители отдают электроны другим веществам. Иногда, однако, бывает сложно строго придерживаться этого определения, потому что восстановители в конечном счете будут окислены, а окислители — восстановлены. Для наших целей важно запомнить, что кислород будет окислять соединения, содержащие углерод. Полное окисление ведет к образованию углекислого газа — СО2. В камине углерод древесины входит в состав молекул с высоким содержанием водорода. Это означает, что углерод принимает электроны от водорода. Когда кислород воздуха окисляет углерод с образованием углекислого газа, электроны переходят на кислород, что сопровождается выделением большого количества энергии, которую вы и используете.

Наиболее эффективной формой образования энергии в живых системах является аэробный метаболизм. Специфические реакции представлены серией событий, получивших название цикла Кребса, или цикла трикарбоновых кислот. Детали этого цикла находятся за пределами рассмотрения данной книги. Необходимо заметить, однако, что в цикле Кребса кислород не участвует; он используется позже. В данном цикле восстановленные соединения образуются путем восстановления небольших нуклеотидов: никотинамидадениндинуклеотида (НАД) и флавинадениндинуклеотида (ФАД). При окислении этих соединений высвобождается энергия. Окислительно-восстановительные реакции с участием кислорода составляют электронно-транспортную цепь, названную так, поскольку электроны передаются от одной молекулы к другой в серии реакций, для которой необходим кислород. В результате реакций образуется энергия, которая запасается в макроэргических фосфатных связях аденозинтрифосфата. При разрушении этих связей выделяется большое количество энергии. Таким образом, клетка не сжигает углеродсодержащие соединения так, как это делаете вы, растапливая свой камин. Кроме того, энергия, которую вы бы почувствовали в виде теплоты, исходящей от камина, запасается клеткой при образовании макроэргических фосфатных связей. Только подумайте, как это удобно! Энергия хранится в доступной форме и используется клеткой по мере надобности. В конечном итоге мы получаем уравнение:

С6Н12O6 (глюкоза) + 6O2 = 6СO2 + 6Н2O + 38АТФ.

Итак, после рассмотрения роли кислорода мы должны упомянуть о случаях, когда он не нужен. Метаболизм без участия кисло рода называется анаэробным метаболизмом. Это становится возможным, так как помимо свободного кислорода существуют другие окисляющие агенты, хотя в результате протекания их окислительно-восстановительных реакций и выделяется меньше энергии. Однако в качестве побочных продуктов анаэробного метаболизма образуется множество соединений, представляющих несомненный интерес для биоинженера. К ним относятся молочная, лимонная, пропионовая кислоты, а также этанол, бутанол, пропанол. Процесс ферментации — пример анаэробного метаболизма. В результате ферментации винограда и других продуктов образуется этиловый спирт. Присутствие кислорода останавливает эту реакцию. Точнее говоря, он не столько останавливает ее, сколько способствует ее завершению. Следовательно, если вы попытаетесь получить этиловый спирт в процессе ферментации винограда в присутствии кислорода, то получите углекислый газ и воду вместо спирта. Проведение реакции ферментации с образованием спирта требует знания методов, предотвращающих поступление кислорода в реакционную смесь, — методов, существующих уже тысячелетия. Процессы, в результате которых в клетке образуется энергия, суммированы на рис. 1.16.

 Процессы образования энергии в клетке

Рис. 1.16. Процессы образования энергии в клетке


Оставить комментарий

Ваш комментарий