§ 22. Етапи енергетичного обміну

• До змісту відповідей

За рахунок чого молекули АТФ можуть вивільняти і накопичувати енергію?

Молекули АТФ здатні вивільняти та накопичувати енергію за рахунок наявності між залишками ортофосфатної кислоти двох високоенергетичних (макроергічних) хімічних зв’язків. Під час відщеплення залишків ортофосфатної кислоти (перетворення АТФ на АДФ та АМФ) ці зв’язки розриваються з вивільненням значної кількості енергії (близько 40 кДж/моль на один зв’язок). Зворотний процес — приєднання залишків ортофосфатної кислоти до АМФ та АДФ — супроводжується акумуляцією (накопиченням) енергії у новоутворених макроергічних зв’язках.

ПОМІРКУЙТЕ

1. Чому розщеплення органічних сполук за присутності кисню виявляється енергетично ефективнішим, ніж за його відсутності?

Розщеплення органічних сполук за присутності кисню (кисневий етап, або аеробне дихання) є енергетично значно ефективнішим, оскільки дозволяє повністю окиснити проміжні продукти обміну до кінцевих бідних на енергію неорганічних речовин — води ($H_2O$) та вуглекислого газу ($CO_2$). На аеробному етапі вивільняється велика кількість енергії, достатня для синтезу 36 молекул АТФ (разом із безкисневим етапом — 38 молекул АТФ на одну молекулу глюкози), а ефективність акумуляції енергії сягає близько 70 %.

Натомість безкисневе розщеплення (гліколіз) є неповним: вивільненої енергії вистачає на утворення лише 2 молекул АТФ (ефективність — лише 35–40 %), а значна частина енергії залишається невивільненою в недоокиснених органічних продуктах (піруваті чи лактаті) або розсіюється у вигляді тепла.

2. Які особливості будови мітохондрій сприяють ефективному перебігу кисневого етапу енергетичного обміну?

Ефективному перебігу кисневого етапу сприяють такі особливості будови мітохондрій:

• Наявність складок внутрішньої мембрани (крист), що значно збільшує робочу площу поверхні для перебігу біохімічних процесів;
• Наявність у внутрішній мембрані ферментних комплексів ланцюга перенесення електронів (дихального ланцюга), які створюють різницю концентрацій йонів Гідрогену ($H^+$) між матриксом і міжмембранним простором;
• Вбудовані у внутрішню мембрану особливі білкові структури — АТФ-соми, що містять ферменти (АТФ-синтетази) для безпосереднього синтезу молекул АТФ під час проходження через них протонів;
• Напіврідкий матрикс, який містить необхідні ферменти для послідовних реакцій циклу Кребса (доокиснення органічних сполук до $CO_2$ з передачею атомів Гідрогену на переносники НАД).

3. Як нестача кисню впливає на функціонування організму людини?

Оскільки людина є аеробним організмом, кисень необхідний як кінцевий акцептор електронів у дихальному ланцюзі мітохондрій. Нестача кисню блокує процеси окисного фосфорилювання та синтез основної кількості молекул АТФ (36 молекул). Клітини змушені переходити на гліколіз, який виробляє значно менше енергії (лише 2 молекули АТФ на молекулу глюкози) та веде до накопичення молочної кислоти (лактату), що викликає ацидоз і втому тканин. Енергетичний дефіцит насамперед порушує роботу найбільш чутливих органів — головного мозку та серця, призводить до порушення клітинного метаболізму, а за тривалої гіпоксії викликає загибель клітин і смерть організму.