Основу энергетического обмена в живой клетке составляют окислительно-восстановительные реакции, совокупность которых называется биологическое окисление. Энергия, необходимая для процессов жизнедеятельности, поступает в организм человека в составе питательных веществ. Прежде чем превратиться в топливо для клеток организма, эти вещества должны подвергнуться значительным превращениям. Распад питательных веществ в организме называется энергетический обмен (катаболизм) и в нем выделяют три основных этапа: подготовительный, этап универсализации и цикл Кребса.
На подготовительном этапе сложные молекулы углеводов, жиров и белков распадаются до простых структурных мономеров:
- — белки — до 20 аминокислот;
- — сложные углеводы — до моносахаридов, в основном глюкозы;
- — жиры — до глицерина и жирных кислот.
На этом этапе выделяется незначительное количество энергии: при распаде белков и углеводов — 0,6% потенциальной энергии, при распаде жиров — около 1%. Это происходит в системе органов пищеварения под воздействием пищеварительных ферментов. Энергия рассеивается в виде тепла.
Метаболиты подготовительного этапа (мономеры) током крови заносятся из кишечника в клетки тканей и там участвуют в процессах универсализации (2-й этап), превращаясь в низкомолекулярные карбоновые кислоты.
Основными из них являются пировиноградная кислота (ПВК) и активная форма уксусной кислоты Ацетил ~ Коэнзим, А (Ацетил ~ КоА). На этом этапе выделяется примерно 13 энергии, запасенной в молекулах питательных веществ, небольшая часть которой запасается организмом.
На третьем этапе в цикле Кребса от субстратов (органических кислот) с помощью ферментов — дегидрогеназ отнимаются атомы водорода, которые передаются в дыхательную цепь. Водород является основным носителем энергии в живой клетке. В результате этого Ацетил ~ КоА превращается в СО2, Н2О и энергию. В цикле Кребса выделяется 23 энергии, запасенной в молекулах питательных веществ, большая часть этой энергии запасается организмом.
Химизм цикла Кребса заключается в следующем. Ацетил ~ КоА соединяется со щавелево-уксусной кислотой, превращаясь в лимонную кислоту. Затем следует ряд ферментативных реакций, в которых лимонная кислота последовательно превращается в другие органические кислоты (изолимонную, a-кетоглутаровую, янтарную, яблочную). Яблочная кислота затем превращается в щавелево-уксусную. Таким образом, щавелево-уксусная кислота проводит Ацетил ~ КоА через ряд химических реакций, превращая его в СО2, Н2О и 12 АТФ, а сама при этом остается без изменений. Молекулы АТФ образуются в цикле Кребса в четырех реакциях окислительного фосфорилирования (три — с участием НАД и одна — с участием ФАД-дегидрогеназ), что приводит к образованию 11 молекул АТФ, и одной реакции субстратного фосфорилирования, что приводит к синтезу одной молекулы АТФ. Цикл Кребса работает в митохондриях клеток в аэробных условиях.
