Вопрос 1. Обмен веществ и превращение энергии в клетке. Ферменты, их роль в реакциях обмена веществ

Клетка постоянно обменивается с окружающей средой веществом и энергией. Метаболизм (обмен веществ) – совокупность взаимосвязанных процессов, представляющих собой различные химические преобразования веществ. Его составляют анаболизм и катаболизм. Анаболизм (ассимиляция, пластический обмен) – реакции синтеза, идущие с потреблением энергии. Катаболизм (диссимиляция, энергетический обмен) – процессы расщепления веществ с высвобождением энергии. Анаболизм и катаболизм неразрывно связаны.

Энергия используется клеткой для обеспечения процессов своей жизнедеятельности. Энергия в клетках образуется при энергетическом обмене и запасается в виде АТФ. Процесс диссимиляции имеет три этапа (у анаэробов – первые два) – подготовительный, бескислородный и полное окисление. На подготовительном этапе сложные органические соединения распадаются до простых. Для дыхания используют в основном углеводы. На втором этапе происходит дальнейшее расщепление органических субстратов без кислорода. Такое расщепление глюкозы называется гликолизом. В ходе гликолиза шестиуглеродный сахар превращается в две молекулы трехуглеродной пировиноградной кислоты (ПВК). Эти реакции протекают в цитоплазме. Суммарное уравнение можно записать так:

C₆H₁₂O₆ → 2C₃H₄O₃ + 4H + 2АТФ.

При аэробном дыхании ПВК направляется в митохондрии для дальнейшего расщепления. При этом ПВК с коферментом А образует ацетилкофермент А, который включается в цикл Кребса. В результате образуются две молекулы CO₂, одна АТФ и четыре пары атомов водорода.

Атомы водорода присоединяются к НАД или ФАД и попадают на внутреннюю мембрану митохондрий, где по цепи встроенных в мембрану белков транспортируются так, что протоны накапливаются в межмембранном пространстве, а электроны передаются на внутреннюю поверхность внутренней мембраны митохондрии, где соединяются с кислородом. Создается разность потенциалов, в результате чего протоны водорода проходят внутрь мембраны через ионные каналы фермента АТФ-синтетазы, встроенного в эту мембрану. Там протоны соединяются с кислородом и образуют воду. А энергия прохождения протонов через канал используется для синтеза АТФ. Суммарная реакция клеточного дыхания:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 38АТФ.

Аэробное дыхание в 19 раз эффективнее и выгоднее по сравнению с анаэробным. Пластический обмен протекает по-разному в разных клетках. Клетки гетеротрофных организмов строят собственные молекулы из компонентов молекул, поступающих извне. Клетки автотрофов синтезируют органические вещества из неорганических в процессе фото– и хемосинтеза.

Ферменты – биологические катализаторы белковой природы, они ускоряют многие реакции. Действуют они последовательно и специфично, то есть фермент катализирует определенную реакцию. Активность зависит от pH, температуры, концентрации субстрата. В связь с субстратом вступают лишь несколько аминокислот, называемых активным центром. Фермент имеет конфигурацию, подходящую к субстрату как «ключ» к «замку». Субстрат видоизменяется, образуются продукты и фермент отсоединяется. Существуют соединения, могущие тормозить деятельность фементов. Это ионы тяжелых металлов (мышьяка, свинца), лекарственные препараты и др. Без ферментов клетка не смогла бы существовать, так как химические реакции протекали бы слишком медленно.