Порівняння процесів горіння та дихання

Наприклад, температура мітохондрії, незважаючи на те, що в ній постійно відбуваються хімічні реакції, супроводжувані виділенням значної кількості енергії, не відрізняється від температури інших частин клітини й температура у клітині залишається сталою та невисокою. Це вкрай необхідно, адже білки не витримують температури, вищої за 50 °С, понад яку відбувається денатурація. Невипадково в гомойотермних тварин температура в клітині зазвичай підтримується в діапазоні 36-40 °С, а в пойкілотермних — майже не відрізняється від температури довкілля. Наприклад, в антарктичних риб, що живуть під льодом, вона навіть трохи нижча за 0 °С.

Енергетичний обмін та його етапи. Енергетичний обмін складається з трьох етапів: підготовчого, безкисневого та кисневого.

Перший етап — підготовчий — це розщеплення полісахаридів на глюкозу та інші моносахариди; жирів — на гліцерин та жирні кислоти; білків — на амінокислоти; полінуклеотидів — на окремі нуклеотиди. Цей етап відбувається у тварин спочатку в травному тракті, а потім уже в клітинах; у рослин — безпосередньо в клітинах. Процес супроводжується виділенням незначної кількості енергії, що розсіюється у вигляді теплоти.

Другий етап — анаеробний (безкисневий), або неповний. Процес відбувається без участі Оксигену і завершується утворенням проміжних сполук. Усі речовини, що утворились на першому етапі енергетичного обміну, можуть стати матеріалом для отримання енергії, але тоді вони зазнають подальшого розпаду. Це складний багатоступеневий процес, який являє собою каскад послідовних перетворень складних речовин на більш прості сполуки й відбувається в цитоплазмі клітини. Безкисневе розщеплення каталізується ферментами, що послідовно розташовуються на внутрішніх мембранах клітин. Речовина, отримана в результаті першої ферментативної реакції, надходить до другого ферменту, потім — до третього й т. д., що забезпечує чітку послідовність і відповідну організацію цього процесу.

Універсальною послідовністю реакцій другого етапу енергетичного обміну, що властива всім живим істотам, є гліколіз (від грец. глікіс — солодкий, лізіс — розкладання) — безкисневе розщеплення молекул глюкози, яка є головною енергетичною речовиною майже усіх живих істот. Гліколіз включає 12 проміжних реакцій, що каталізуються тринадцятьма ферментами.

У процесі гліколізу, що відбувається в умовах доступу вільного кисню, молекула глюкози (С6Н12O6) розщеплюється на дві молекули піровиноградної кислоти (С3Н4O3) (1). Якщо клітині не вистачає кисню, або він взагалі до неї не надходить, то утворюються дві молекули молочної кислоти (C3H6O3) (2). При цьому виділяється енергія, якої вистачає лише для перетворення двох молекул АДФ на дві молекули АТФ.

С6Н12O6 + 2Н3РO4 + 2АДФ —> 2С3Н4O3+ 2АТФ + 2Н2O (1)

С6Н12O6 + 2Н3РO4 + 2АДФ —> С3H6O3 + 2АТФ + 2Н2O (2)

Гліколіз — малоефективний шлях отримання енергії. Адже значна частина енергії, що вивільняється під час розщеплення глюкози, просто не використовується і розсіюється у вигляді тепла. Підраховано, що на цьому етапі в молекулах АТФ концентрується лише менше половини потенційної енергії хімічних зв'язків, а тому в аеробних умовах гліколіз лише передує кисневому розщепленню речовин.

Сутність енергетичного обміну в організмах, що поглинають кисень, полягає в окисненні карбоновмісних органічних речовин Оксигеном. На перший погляд, цей процес подібний до горіння, адже кінцевими продуктами стають вода та вуглекислий газ. Однак існує декілька суттєвих деталей, що відрізняють розпад органічних сполук в клітині від простого горіння. Адже енергетичний обмін у клітині відбувається за допомогою ферментів і протікає у кілька етапів; при цьому теплова енергія вивільняється дуже малими порціями; процес може проходити у водному середовищі. Енергетичний обмін відбувається в три етапи: підготовчий, який передбачає розпад біологічних макромолекул, анаеробний (гліколіз) та аеробний (тканинне або клітинне дихання).