КЛЕТКАДАҒЫ ЭНЕРГЕТИКАЛЫҚ АЛМАСУ. АТФ СИНТЕЗІ

АТФ цитоплазмада, көбінесе митохондрияларда синтезделеді, сондықтан да олар клетканың «күш беретін станциясы» деп аталады.

Адамның, көптеген жануарлар мен кейбір микроорганизмдердің клеткалары АТФ синтездеуге кажетті энергияны негізінен глюкозадан алады. Нәтижесінде АТФ синтезделіп шығатын клеткадағы глюкозаның ыдырауы бірінің соңынан екіншісі жүріп отыратын екі сатысы арқылы жүзеге асырылады. Оның бірінші сатысы гликолиз немесе оттексіз ыдырау деп аталады. Екінші сатысы оттекті ыдырау деп аталады.

Гликолиз. Мысал ретінде (еске сактау үшін емес) гликолиздің жиынтық теңдеуін келтірейік:

С₆Н₁₂О₆+2АДФ+2Н₃РО₄->2С₃Н₆О₃+2АТФ+2Н₂О

глюкоза            фосфор                 сүт

                        қышқылы       қышқылы

Бұл теңдеуден біз гликолиз процесіне оттегі катыспайтынын байқаймыз (сондықтан да бұл сатысы оттексіз ыдырау деп аталады). Сонымен кабат гликолизге АДФ мен фосфор қышкылы міндетті түрде қатысады. Клеткада бұл екі зат әрқашанда болады, өйткені бұлар клетканың тіршілік әрекеті арқылы ұдайы түзіледі. Гликолиз процесінде глюкоза молекуласы ыдырайды да одан 2 молекула АТФ синтезделіп шығады.

Жиынтық теңдеуі процесс механизмі туралы түсінік бере алмайды. Гликолиз - күрделі, көп сатылы процесс. Ол бірінен соң бірі жүріп отыратын бірнеше реакцияның комплексі (конвейері деуге де болады) болып табылады. Реакциялардың әркайсысында айрықша фермент катализденеді. Заттар әрбір реакция нәтижесінде аздап, ал ең соңында едәуір өзгереді: 6-көміртекті глюкозаның бір молекуласынан 3-көміртекті органикалық қышқылдың 2 молекуласы түзіледі. Әрбір реакция нәтижесінде энергия аз бөлінсе де, бәрін қосканда адам нанғысыз шамаға жетеді - 200 кДж/моль. Бұл энергияның біразы (60%) жылу түрінде таралып кетеді де, қалғаны (40%) АТФ түрінде сақталады.

Гликолиз процесі жануарлар клеткасының бәрінде және кейбір микроорганизмдер клеткаларында да болады.

Сүттің сүтқышқылды саңырауқұлақ және бактериялар әрекетінен ашитыны (сүт, қаймак ашығанда, айран ұйығанда) жұрттың бәріне мәлім. Осы процестің механизмі гликолизге ұқсас болады.

Оттекті ыдырау. Гликолиз аяқталғаннан кейін екінші саты - оттекті ыдырау басталады.

Оттекті ыдырау процесіне ферменттер, су, тотықтырғыштар, электрондар мен оттегі молекуласын тасымалдаушылар қатысады. Оттекті процестің қалыпты жүруіне қажетті негізгі жағдай - бұзылмаған митохондриялы мембрана.

Гликолиздің ақырғы өнімі - үшкөмірсутекті органикалық қышқыл - митохондрияға өтеді де ферменттердің әсері арқылы сумен реакцияласып, бүтіндей жойылып кетеді:

С₃Н₆О₃+3Н₂О->3СО₂+ 12Н

Мұнда түзілген көмірсутек (IV) оксиді митохондрия мембранасынан еркін өтіп, сыртқы ортаға шығып кетеді. Сутегі атомдары мембранаға өтеді де сондағы ферменттердің әсерінен тотығады, яғни электрондарын жоғалтады:

Н°—ё->Н ⁺

Сутектің электрондары мен катиондарын Н⁺ (протондар) тасымалдаушы-молекулалар ұстап алып, қарама-қарсы жаққа электрондарды мембрананың ішкі жағына өткізіп жібереді де сол жерде олар оттегімен қосылады (митохондрияға молекула күйіндегі оттегі сыртқы ортадан үздіксіз келіп тұрады):

О₂+е->О₂

Катиондар Н⁺ мембрананың сыртына шығарылады. Соның нәтижесінде митохондрияның ішінде теріс зарядталған бөлшектер, яғни аниондар О₂ концентрациясы көбейіп кетеді. Мембрананың ішіне өте алмайтын болғандықтан, оның сыртында оң зарядталған бөлшектер (Н ⁺ ) жиналып қалады. Сөйтіп, мембрананың сырты - оң зарядталады да, ішкі жағы - теріс зарядталады. Мембрананың екі жағында қарама-қарсы зарядталған бөлшектер көбейген сайын олардың арасында потенциал айырмашылығы да арта түседі.

Мембрананың кейбір жерлерінде АТФ-ті синтездейтін фермент молекулалары орналасқаны анықталды. Фермент молекуласында Н⁺ катиондары өте алатын каналдар болады. Бірақта мұның тек мембранадағы потенциал айырмашылығы шамадан тыс көбейіп кеткен жағдайда (200 мВ) ғана болуы мүмкін. Мұндай дәрежеге жеткен кезде электр өрісінің күшімен оң зарядталған бөлшектер фермент молекуласындағы каналдар арқылымембрананың ішкі жағына өтеді де оттегімен әрекеттесіп, су түзеді:

4Н ⁺+2О₂ ->Н₂О+О₂

Сурет - Митохондриядағы АТФ синтезінің схемасы

Оттегінің ыдырау процесі мынадай теңдеумен беріледі:

2С₃Н₆О₃+6О₂+36АДФ+36Н₃РО4->36АТФ+6СО₂+42Н₂О

Бұл процестің барысында бірталай энергия, органикалық қышкылдың әрбір 2 моліне 2600 кДж бөлінеді, бұл энергияның 45 проценті жылу түрінде таралып кетеді де қалғаны 55 проценті сақталып қалады, яғни АТФ-ның химиялық байланыс энергиясына айналады.

Оттексіз және оттекті процестердің теңдеулерін қоссақ, глюкозаның толық ыдырау теңдеуін аламыз:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 38АДФ + 38Н₃РО₄ ->38АТФ + 6СО₂ + 44Н₂О

Бұл параграфтағы материалдан мынадай қорытынды шығаруға болады:

1. АТФ-тің глюкоза процесінде синтезделуіне мембрананың болуы қажет емес. Егер ферменттер мен субстраттардың барлығы болса, пробиркада синтез жұреді. Онда электр құбылысы негізгі роль атқаратындықтан, оттекті процестің жүзеге асуы үшін митохондриялы мембрана болуы қажет.
2. 1 молекула глюкозаның клеткада кмміртегі (IV) оксиді мен суға дейін ыдырауынан АТФ-тің 38 молекуласы синтезделе алады. Бұлардың 2 молекуласы оттексіз кезеңде, 36 молекуласы оттекті кезеңде синтезделеді. Сонымен оттекті процесс оттексіз процестен 20 есе тиімді келеді.
3. Клетка тіршілігінде көбінесе оттекті процестің (оттегі жетіспей немесе митохондрийдің зақымдануынан) тежелуі немесе қиын жүруі жиі болып тұрады. Мұндай жағдайда клетка тіршілікке қажетті АТФ мөлшерін алу үшін тек оттексіз процестерді ғана пайдаланады. Бұған клетканың нормадан 20 есе көп глюкоза жұмсауына тура келеді.
4. Адам клеткасында тәулігіне қанша АТФ синтезделетінін есептеу ұсынылады. Есепті шешу үшін жиынтық теңдеу пайдаланылады, ол глюкозаның 1 молекуласы толық ыдырағанда 38 молекула АТФ-тің синтезделуінен келіп шығады.

Глюкозаның молекулалық массасы - 180, АТФ-504. Сонымен 180 г глюкоза ыдырағанда 504 • 38= 19152 г АТФ синтезделеді. Ересек адамның тәуліктік энергия жұмсауы тағаммен келетін 600-700 г глюкозамен толықтырылады. Егер 180 г глюкозадан 19 кг АТФ синтезделсе, ал 600 г глюкозадан 63 кг синтезделеді. Сөйтіп, адам денесінде тәулігіне 60 килограмнан астам АТФ синтезделеді (жұмсалады). Бұл - шындыққа үйлеспейтін тәрізді болғанмен, өте дәлдікпен алынған сан.

Әдебиет: Жалпы биология. Алматы, 1991. -Б.204-206.