Використання енергії
Жива клітина - складна і безперервно змінюється структура. Хімічні реакції, що відбуваються в ній, можна розділити на дві великі групи. У анаболічних реакціях великі молекули синтезуються з дрібніших. Для цього необхідно затратити енергію. В катаболічних реакціях молекули розпадаються на більш дрібні; зазвичай цей процес йде з виділенням енергії. Згодом ці дрібні «цеглинки» можуть знову використовуватися для біосинтезу.
Перераховані два типи реакції складають метаболізм клітини.
Виділилася в ході катаболічних реакцій енергія може бути використана клітиною в різних цілях: синтез нових молекул, транспорт, м'язові скорочення і т. П. Енергія може переходити з однієї форми в іншу; найбільш зручний для використання хімічних тип енергії, тобто енергія зв'язку в молекулах. Однак, якими б не були трансформації енергії всередині клітини, її першоджерелом служить Сонце. У харчові ланцюги сонячна енергія може включитися після того, як буде поглинена автотрофними організмами.
Безпосередньо виділення хімічної енергії відбувається в процесі дихання. Як правило, воно йде в присутності кисню; в цьому випадку дихання називається аеробним. Дихальні процеси, що протікають без участі кисню, називаються анаеробними. Дихання здійснюється в два етапи: взаємодія з зовнішнім середовищем (поглинання кисню і виділення вуглекислого газу) і окислювальні реакції в клітинах.
У клітці відбуваються окислювальні реакції трьох типів:
- пряме окислення киснем;
- окислення за рахунок інших речовин;
Основним результатом дихання є утворення АТФ в результаті фосфорилювання з АДФ і фосфату в мітохондріях клітини:
Для цього потрібно витратити 30,6 кДж на 1 моль; необхідну енергію доставляє протонний градієнт, який встановлюється по різні боки мембрани мітохондрії (в просторі між двома шарами мембрани мітохондрій накопичуються позитивно заряджені протони, а в матриксі мітохондрій - негативно заряджені гідроксильні іони; саме за рахунок цієї енергії здійснюється синтез молекул АТФ, який реалізується при русі протонів через фермент мембрани мітохондрій АТФ-синтетазу). АТФ (аденозинтрифосфат) - універсальне джерело енергії, він може бути доставлений в будь-яке місце клітини і гідролізувати там з виділенням енергії.
Молекула АТФ складається з аденіну, пентарібози і трьох фосфатних груп. Саме пірофосфатних зв'язку і дозволяють запасти в молекулі АТФ настільки велика кількість енергії.
У дихальному процесі необхідна наявність окисляющегося речовини (субстрату). Як правило, цю роль грають вуглеводи, що надходять в клітину у вигляді поживних речовин, рідше - жири, у виняткових випадках - білки. Наприклад, з кожної молекули глюкози в підсумку виходять дві молекули АТФ, а також дві молекули піровиноградної кислоти 2C3 H4 O3. У присутності кисню ця кислота остаточно окислюється до вуглекислого газу і води:
при анаеробному диханні утворюються або етиловий спирт (наприклад, у дріжджів):
або молочна кислота (наприклад, в м'язових клітинах при нестачі кисню):
Коефіцієнт корисної дії цих реакцій становить близько 40% для аеробного дихання і молочнокислого бродіння і близько 29% для спиртового бродіння. Так як частина АТФ при молочнокислом бродінні утворюється пізніше, в присутності кисню, то аеробне дихання можна вважати більш ефективним, ніж анаеробне. Втім, ККД будь-якого з цих процесів значно вище, ніж, скажімо, ККД парового двигуна (близько 10%). Більшість з описаних процесів протікають в мітохондріях.
В добу енерговитрати людини покриваються їжею, в якій міститься понад півкілограма глюкози. Так як з кожної молекули глюкози утворюється 38 молекул АТФ, то за добу в тілі людини утворюється і знову розщеплюється понад 50 кг АТФ.
Ще більш ефективним є використання жирів. Спочатку вони за участю ферментів гідролізуються до гліцерину і жирних кислот. Окислення однієї молекули гліцерину дає в загальному підсумку всього 19 молекул АТФ, а ось окислення, наприклад, стеаринової кислоти - цілих 147 молекул.