Энергетикалық алмасу

Термодинамиканың I заңына сәйкес: энергия пайда болмайды және жойылмайды, ол тек қана жұмысты жасауға қолайлы энергияның бір түрінен екінші түріне ауысады. Клетка ақуыздардың, кљмірсулардың және майлардың қорытылуы кезінде пайда болып, клеткаға келіп түсетін амин қышқылдарының, моносахаридтердің және май қышқылдарының байланыстарында болатын энергияны қолданады.

Қоректік заттардың катаболизмін сызба-нұсқа ретінде келесідей сипаттауға болады. I кезеңде олар мономерлерге дейін ыдырайды. II кезеңде қоректік заттың табиғатына қарамай, ацетилкоэнзим А (ацетил-КоА) түзіледі. Ол және құрамына ацетил-КоА кіретін басқа да ферменттер әр алуан биохимиялық реакциялардың басты звеносы болады (28-сурет).

Эукариоттар және кљптеген прокариоттар (бактериялар) АТФ молекуласын синтездеуге қажетті энергияны глюкозаның ыдырауынан алады. Глюкозаның ыдырауының мысалында энергияның алмасуын қарастырайық. Глюкоза аэробты (О₂) және анаэробты (О₂-сіз) жағдайларда энергия кљзі бола алады. Дегенмен кљп мљлшердегі энергия органикалық заттардың аэробты ортада ыдырауы кезінде бљлініп шығады. Глюкозаның толық ыдырауы теңдеуінің мысалы:

С₆ Н₁₂ О₆ + 6О₂               6СО₂ + Н₂ О + 2881кДж/моль                    (3)

Оттегінің қатысуымен жүретін бұл реакция энергияны кљп мљлшерде бљліп шығарады. Бұл тыныс алу үрдісі, ол үш сатыға бљлінеді: гликолиз, лимон қышқылының айналымы, электрон тасымалдау тізбегі.

Глюкоза алдымен плазматикалық мембрана арқылы клетканың цитоплазмасына тасымалданады. Цитоплазманың матриксінде оның оттексіз ыдырауы немесе гликолиз  жүреді. Ферменттердің қатысуымен глюкозаның тотыға отырып ыдырауын гликолиз үрдісі дейді.

Гликолиз кљп сатылы үрдіс, оның нәтижесінде глюкозаның бір молекуласынан екі молекула пируват (ПЖҚ – пирожүзім қышқылы) және екі молекула АТФ түзіледі. АТФ-тың синтезделу жолымен танысу үшін гликолиздің сатыларымен танысайық. Гликолиз үш кезеңнен тұрады, атап айтқанда, дайындық кезеңі, гликолиздің оттегісіз және оттегілі кезеңі.

Гликолиздің дайындық кезеңі. Гликолиздің дайындық кезеңі клетканың цитоплазмасында жүреді. Мұнда арнайы ферменттердің әсерінен энергиясы мол органикалық заттар энергиясы аз қарапайым заттарға дейін ыдырайды. Бұл заттар  келесі жүретін реакцияладың бастамасы ретінде қолданылады. Химиялық процестерді сызба-нұсқа түрінде былай кљрсетуге болады.

Ақуыз + Н₂О SHAPE  * MERGEFORMAT  аминқышқылдар + Э;

Майлар + Н₂Оглицерин + майдың жоғары қышқылы + Э

Полисахаридтер (крахмал, гликоген) + Н₂О    глюкоза + Э

Гликолиздің оттегісіз (анаәробты) кезеңі.

Бүрдіс митохондриялардың ішкі мембранасында жүреді. Ол ферменттердің әсерімен тірінен кейін бірі кезектесіп жүретін 13 реакцияның жиынтығынан тұрады. реакцияға бастапқы зат ретінде 1 моль С₆ Н₁₂ О₆ (глюкоза) қатысады. Реакция нәтижесінде 2 моль С₃ Н₆ О₃ (сүт қышқылы) және 2 моль АТФ түзіледі.

Бұл реакцияға оттегі мүлде қатыспайды, сондықтан оттегісіз ыдырау деп аталады.

С₆ Н₁₂ О₆ + 2Н₃ РО₄ + 2АДФ       2С₃ Н₆ О₃ + 2АТФ + 2Н₂ О            (4)

Спирттік ашу үрдісі глюкозаның ашуына љте ұқсас кљп сатылы ферменттік ыдырау болып табылады. Оның жиынтық теңдеуі мынадай:

С₆ Н₁₂ О₆ + 2Н₃ РО₄ + 2АДФ       2СО₂ + 2С₂ Н₅ ОН+ 2АТФ + 2Н₂ О  (5)

Яғни, 1 молекула глюкоза ыдырағанда, 2 молекула АТФ синтезеледі. Реакция нәтижесінде энергияның 200 кДж-і немесе 40%-ы АДФ-тың АТФ-қа айналуына жұмсалса, энергияның 120 кДж-і немесе 60%*ы клеткада АТФ түрінде сақталады.

Гликолиздің оттегілік (аэробты) кезеңі. Глюкозаның толық ыдырауы немесе оттегісіз ыдырауы да – митохондрияның ішкі мембранасында үздіксіз жүретін үрдіс. Реакцияға глюкозаның оттегісіз ыдырауы сияқты аралық заттар ретінде ферменттер, АДФ және фосфор қышқылы қатысады. Бұл реакцияның оттегісіз ыдыраудан айырмашылығы – оттегінің қатысуымен глюкоза толық ыдырап, соңғы љнім ретінде СО₂ мен Н₂ О-ның түзілуі. Реакцияның бастапқы заты ретінде 2 моль С₃ Н₆ О₃ (сүт қышқылы) қатысады. Нәтижесінде 36 моль АТФ синтезделеді. Реакция теңдеуі:

2С₃ Н₆ О₃ + 6О₂ + 36Н₃ РО₄ + 36АДФ  6СО₂ + 36АТФ + 42 Н₂ О     (6)

Яғни, энергияның негізгі кљзі (2600 кДж) глюкозаның оттегілік ыдырауы кезінде түзіледі.

Гликолиздің оттегі ыдырауы кезінде түзілген 26 кДж энергияның 1440 кДж-і немесе 54%-ы АТФ-тың химиялық байланыс энергиясына айналады.

Глюкозаның оттегілік және оттегісіз дырауының жиынтық теңдеуі мынадый:

С₃ Н₆ О₃ + 6О₂ + 38Н₃ РО₄ + 36АДФ  6СО₂ + 38АТФ + 44 Н₂ О        (7)

Глюкозаның оттегілік және оттегісіз ыдырауы кезінде бљлінетін энергияның 80кДж + 1440 кДж = 1520 кДж-і немесе 55%-ы потенциялды энергия түрінде сақталып, клетканың тіршілігіне жұмсалады. Ал 45%-ы жылу энергиясы түрінде пайдаланылады.