Клеточное дыхание: как клетка получает энергию из глюкозы — понятно с нуля, для ЕГЭ и олимпиад

Вы съели бутерброд, и через час мышцы ног поднимают вас по лестнице, сердце бьётся, а мозг решает задачу. Всё это работа, и на неё нужна энергия. Энергия была запасена в химических связях глюкозы и других веществ пищи. Чтобы клетка могла ею воспользоваться, вещества нужно окислить — «сжечь», но не в пламени, а маленькими шагами, при температуре тела и без единой искры. Этот процесс называется клеточным дыханием.

В статье по порядку и с нуля: что такое клеточное дыхание и чем оно отличается от вдоха и выдоха; что такое АТФ и зачем клетке «энергетическая валюта»; как глюкоза шаг за шагом превращается в углекислый газ и воду — гликолиз, окисление пировиноградной кислоты, цикл Кребса, дыхательная цепь и АТФ-синтаза; сколько АТФ даёт одна молекула глюкозы по школьному и по современному счёту; что происходит без кислорода (брожение); как дыхание греет тело и почему цианид смертелен. Все химические превращения показаны структурными формулами. В конце — формулировки для ЕГЭ, материал для олимпиад и 15 заданий с разбором.

• Что такое клеточное дыхание
• АТФ — энергетическая валюта клетки
• Переносчики водорода: НАД и ФАД
• Три этапа энергетического обмена
• Митохондрия — где идёт кислородный этап
• Гликолиз
• Судьба пировиноградной кислоты
• Цикл Кребса
• Дыхательная цепь
• АТФ-синтаза и хемиосмос
• Сколько АТФ даёт одна молекула глюкозы
• Если кислорода нет: брожение
• Не только глюкоза: жиры и белки
• Как клетка регулирует дыхание
• Дыхание, которое греет
• Яды дыхания
• История изучения
• Удивительные факты
• Что пока не решено
• Что писать на ЕГЭ
• Для олимпиад
• Задания с разбором

Что такое клеточное дыхание

Суммарно для глюкозы:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + энергия (2800–2900 кДж на моль глюкозы)

Точно такое же уравнение описывает горение глюкозы, и выделяется при горении столько же энергии. Разница в том, как она выделяется. При горении вся энергия сразу превращается в тепло и свет. В клетке окисление разбито примерно на тридцать реакций, каждую из которых ведёт свой фермент. Энергия высвобождается небольшими порциями, и значительная часть её не рассеивается, а запасается: из АДФ и фосфорной кислоты синтезируется АТФ. Остальное выделяется в виде тепла — именно этим теплом поддерживается температура нашего тела.

Не путайте клеточное дыхание с дыханием в бытовом смысле — вдохом и выдохом. Лёгкие, жабры и трахеи только доставляют клеткам кислород и уносят углекислый газ (это газообмен). Само дыхание происходит в каждой клетке. Дышат все аэробные организмы: животные, грибы, большинство бактерий и растения — причём растения дышат и днём, и ночью, а не только в темноте; днём их дыхание просто незаметно на фоне фотосинтеза.

Клеточное дыхание — часть энергетического обмена (катаболизма, диссимиляции): совокупности реакций расщепления, дающих клетке энергию. Противоположный процесс — пластический обмен (анаболизм, ассимиляция), реакции синтеза, которые эту энергию тратят. Фотосинтез и дыхание связаны в один круговорот: при фотосинтезе из CO₂ и воды за счёт энергии света образуются глюкоза и кислород, при дыхании глюкоза и кислород снова превращаются в CO₂ и воду (подробно — в статье о фотосинтезе).

АТФ — энергетическая валюта клетки

Глюкоза — хороший склад энергии, но платить ею неудобно: энергии в одной молекуле глюкозы слишком много для одной реакции, и выделяется она только после длинной цепи превращений. Клетке нужна «мелкая монета», которую одинаково принимают все её «машины»: мышечные белки, насосы мембран, ферменты синтеза. Такой монетой служит аденозинтрифосфат (АТФ).

Молекула АТФ состоит из трёх частей: азотистого основания аденина, пятиуглеродного сахара рибозы и цепочки из трёх остатков фосфорной кислоты. Аденин и рибоза вместе называются аденозином; АТФ — нуклеотид, близкий родственник нуклеотидов РНК.

Связи между остатками фосфорной кислоты называют макроэргическими (богатыми энергией). Когда концевой остаток отщепляется (гидролиз), выделяется много энергии:

АТФ + H₂O → АДФ + H₃PO₄ + 40 кДж

Число 40 кДж на моль приводится в школьных учебниках; в стандартных условиях биохимики дают 30,5 кДж/моль, а в живой клетке, где АТФ много, а АДФ и фосфата мало, выделяется около 50 кДж/моль. Энергия «сидит» не в самой связи, а в том, что продукты гидролиза устойчивее АТФ: четыре отрицательных заряда цепочки фосфатов отталкиваются, а АДФ и фосфат-ион лучше удерживают свои электроны и сильнее взаимодействуют с водой.

Отщепив ещё один остаток, получают АМФ (аденозинмонофосфат). Обратная реакция — фосфорилирование АДФ — требует энергии, и её как раз даёт дыхание.

Запас АТФ в клетке крошечный: в организме взрослого человека одновременно около 250 г АТФ, и работающая мышца израсходовала бы его за несколько секунд. Поэтому АТФ постоянно расходуется и снова синтезируется: за сутки через этот цикл проходят десятки килограммов АТФ — масса, сравнимая с массой собственного тела. АТФ — не склад, а оборотные деньги. Склады — гликоген, жир и, в мышцах, креатинфосфат, который за доли секунды отдаёт фосфат обратно на АДФ.

Переносчики водорода: НАД и ФАД

Окисление в химии — это отдача электронов. Органические вещества при окислении чаще всего теряют атомы водорода (протон и электрон вместе), поэтому окисление в клетке выглядит как отнятие водорода, или дегидрирование. Ферменты, которые это делают, называются дегидрогеназами. Но атомы водорода не отдаются сразу кислороду: их принимают молекулы-переносчики.

Главный переносчик — НАД⁺ (никотинамидадениндинуклеотид). Его рабочая часть — кольцо никотинамида, производного витамина PP (никотиновой кислоты). Окисленная форма НАД⁺ принимает от вещества два электрона и один протон (вместе они составляют гидрид-ион H⁻), второй протон уходит в раствор. Получается восстановленная форма НАД·Н. В школьных пособиях её иногда записывают как НАД·Н₂, подразумевая, что переносится пара атомов водорода; биохимики пишут НАД·Н + H⁺.

Второй переносчик — ФАД (флавинадениндинуклеотид), производное витамина B₂ (рибофлавина). Он принимает два атома водорода и превращается в ФАД·Н₂. ФАД обычно прочно связан со своим ферментом.

Удобно представлять НАД⁺ и ФАД как пустые тележки: в ходе гликолиза и цикла Кребса тележки нагружаются водородом, а на внутренней мембране митохондрии разгружаются — отдают электроны дыхательной цепи и снова уходят за грузом. Сама энергия АТФ появляется в основном при разгрузке тележек. Поэтому, разбирая каждый этап, важно считать не только АТФ, но и НАД·Н с ФАД·Н₂.

Три этапа энергетического обмена

В школьном курсе энергетический обмен делят на три этапа.

Подготовительный этап клеточным дыханием в строгом смысле не считают: при нём ничего не окисляется, идёт гидролиз — расщепление крупных молекул с участием воды. Крахмал и гликоген превращаются в глюкозу, белки — в аминокислоты, жиры — в глицерин и жирные кислоты, нуклеиновые кислоты — в нуклеотиды. У многоклеточных животных этот этап идёт в пищеварительном тракте, внутри клеток — в лизосомах.

Митохондрия — где идёт кислородный этап

Гликолиз идёт в цитоплазме, а всё остальное — в митохондриях. Это органоиды длиной 1–10 мкм; в клетке печени их около тысячи и больше, в сердечной мышце они занимают до трети объёма клетки.

• Наружная мембрана гладкая и пропускает небольшие молекулы через белковые поры.
• Внутренняя мембрана образует складки — кристы. Она почти непроницаема для ионов, в том числе для протонов, и в ней сидят белки дыхательной цепи и АТФ-синтаза. Чем больше крист, тем больше площадь «энергостанции»: у клеток летательных мышц насекомых и сердца кристы густые, у малоактивных клеток — редкие.
• Между мембранами — узкое межмембранное пространство; туда дыхательная цепь откачивает протоны.
• Внутри — матрикс: гелеобразное содержимое с ферментами цикла Кребса, собственной кольцевой ДНК и рибосомами бактериального типа.

Своя ДНК и свои рибосомы — следы происхождения: митохондрии потомки бактерий, поселившихся в клетке-хозяине около двух миллиардов лет назад (подробно — в статье о симбиогенезе). Митохондрии размножаются делением и передаются потомкам в основном с цитоплазмой яйцеклетки, то есть по материнской линии.

Не во всех клетках есть митохондрии. Эритроциты млекопитающих теряют их при созревании и получают энергию только гликолизом — поэтому эритроцит не расходует кислород, который сам же и переносит.

Гликолиз

Гликолиз (от греч. «сладкий» и «растворение») — расщепление глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты. Он идёт в цитоплазме, не требует кислорода и есть почти у всех живых организмов — от бактерий до человека. Это, по-видимому, один из самых древних путей обмена: он возник, когда кислорода в атмосфере ещё не было.

Гликолиз состоит из десяти реакций, и каждую ведёт свой фермент. Их удобно разделить на две половины. На схемах ниже справа от каждой стрелки — номер реакции, фермент и то, что при этой реакции тратится или образуется. Сахара нарисованы в проекциях Хеуорса: кольцо как бы лежит перпендикулярно странице, жирная сторона — ближняя к нам, а группы атомов расположены над кольцом и под ним. Трёхуглеродные вещества записаны вертикально: углеродная цепь сверху вниз, заместители — слева и справа.

Первая половина: вложение энергии

глюкоза

1 Гексокиназа
АТФ → АДФ: к глюкозе присоединяется остаток фосфорной кислоты

глюкозо-6-фосфат

2 Изомераза
глюкоза перестраивается во фруктозу

фруктозо-6-фосфат

3 Фосфофруктокиназа
АТФ → АДФ: второй остаток фосфорной кислоты

фруктозо-1,6-бисфосфат

4 Альдолаза
молекула раскалывается на две трёхуглеродные

дигидроксиацетонфосфат

⇄

глицеральдегид-3-фосфат

5. Изомераза превращает дигидроксиацетонфосфат в глицеральдегид-3-фосфат, поэтому дальше идут две одинаковые молекулы глицеральдегид-3-фосфата.

Сначала клетка не получает энергию, а тратит её. Глюкоза получает остаток фосфорной кислоты от АТФ и превращается в глюкозо-6-фосфат (фермент гексокиназа). Заряженный фосфат не даёт молекуле выйти через мембрану — глюкоза «заперта» в клетке. Затем глюкозо-6-фосфат перестраивается во фруктозо-6-фосфат, и вторая молекула АТФ присоединяет ещё один фосфат: образуется фруктозо-1,6-бисфосфат (фермент фосфофруктокиназа; это главная регулируемая реакция гликолиза, о ней ниже). Молекула с двумя фосфатами на концах неустойчива и раскалывается пополам на две трёхуглеродные молекулы: дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Первая из них тут же превращается во вторую, так что дальше идут две одинаковые молекулы глицеральдегид-3-фосфата.

Итог первой половины: на одну глюкозу потрачено 2 АТФ, получено 2 молекулы трёхуглеродного сахара с фосфатом.

Вторая половина: получение энергии

глицеральдегид-3-фосфат

6 Дегидрогеназа
НАД⁺ → НАД·Н; присоединяется H₃PO₄ (без затраты АТФ)

1,3-бисфосфоглицерат

7 Киназа
АДФ → АТФ

3-фосфоглицерат

8 Мутаза
остаток фосфорной кислоты переходит ко второму атому углерода

2-фосфоглицерат

9 Енолаза
отщепляется H₂O

фосфоенолпируват

10 Пируваткиназа
АДФ → АТФ

пировиноградная кислота

Шаги 6–10 проходят обе молекулы глицеральдегид-3-фосфата: на одну глюкозу — 4 АТФ и 2 НАД·Н.

Теперь каждая из двух трёхуглеродных молекул проходит пять реакций.

1. Глицеральдегид-3-фосфат окисляется: альдегидная группа становится карбоксильной, водород уходит на НАД⁺, а энергия окисления не теряется, а используется, чтобы присоединить ещё один фосфат — из раствора, без затраты АТФ. Получается 1,3-бисфосфоглицерат. Это единственная окислительная реакция гликолиза.
2. Фосфат с первого атома углерода переносится на АДФ: образуется АТФ.
3. Оставшийся фосфат перемещается с третьего атома углерода на второй.
4. Отщепляется вода, и получается фосфоенолпируват — вещество с очень «напряжённым» фосфатом.
5. Этот фосфат переходит на АДФ: ещё одна АТФ, а из остатка образуется пировиноградная кислота.

Такой способ синтеза АТФ, когда фосфат прямо переходит с богатого энергией вещества на АДФ, называют субстратным фосфорилированием. Он не требует мембран и кислорода.

Посчитаем итог. Во второй половине каждая из двух молекул даёт 2 АТФ, всего 4 АТФ; в первой половине 2 АТФ потрачено. Чистый выход — 2 АТФ, а также 2 НАД·Н и 2 молекулы пировиноградной кислоты:

C₆H₁₂O₆ + 2НАД⁺ + 2АДФ + 2H₃PO₄ → 2C₃H₄O₃ + 2НАД·Н + 2H⁺ + 2АТФ + 2H₂O

Пировиноградную кислоту в клетке правильнее называть пируватом: при нейтральной среде клетки кислоты почти полностью отдают протон и существуют в виде анионов. По той же причине биохимики говорят «цитрат», «малат», «лактат». На рисунках статьи кислоты и фосфаты для простоты показаны неионизированными, как в школьных учебниках.

Судьба пировиноградной кислоты

После гликолиза дорога разветвляется. Если кислорода достаточно и в клетке есть митохондрии, пировиноградная кислота переходит в митохондрию и окисляется до конца. Если кислорода нет, клетка превращает её в молочную кислоту или спирт — это брожение, о нём ниже.

В митохондрии пировиноградная кислота попадает к огромному ферментному комплексу — пируватдегидрогеназе (в нём десятки белковых цепей и пять коферментов). Там происходит окислительное декарбоксилирование: от молекулы отщепляется CO₂, двухуглеродный остаток окисляется, его водород уходит на НАД⁺, а сам остаток присоединяется к коферменту А (КоА, HSCoA). Получается ацетил-КоА.

пировиноградная кислота

Пируватдегидрогеназа
НАД⁺ → НАД·Н; отщепляется CO₂; присоединяется кофермент А (HSCoA)

ацетил-КоА

Эта реакция необратима, и именно здесь из организма выходит первая «порция» углерода: два из шести атомов углерода глюкозы (по одному из каждой молекулы пировиноградной кислоты) превращаются в CO₂. Итог на одну глюкозу: 2 ацетил-КоА, 2 CO₂ и 2 НАД·Н.

Одному из коферментов пируватдегидрогеназы нужен витамин B₁ (тиамин). При его недостатке пируват не окисляется и накапливается; сильнее всего страдают нервная система и сердце, которые живут почти только окислением глюкозы. Так развивается болезнь бери-бери, известная у народов, питавшихся почти одним шлифованным рисом.

Цикл Кребса

Ацетил-КоА поступает в цикл трикарбоновых кислот (цикл лимонной кислоты), открытый Хансом Кребсом в 1937 году. Цикл идёт в матриксе митохондрии. Его называют циклом, потому что вещество, с которого он начинается, в конце восстанавливается и снова вступает в реакцию.

А теперь те же реакции со структурными формулами. Справа от каждой стрелки — номер реакции, фермент и то, что при ней тратится или образуется.

ацетил-КоА

+

щавелевоуксусная кислота

1 Цитратсинтаза
+ H₂O; освобождается HSCoA

лимонная кислота

2 Аконитаза
группа OH переходит к соседнему атому углерода

изолимонная кислота

3 Дегидрогеназа
НАД⁺ → НАД·Н; отщепляется CO₂

α-кетоглутаровая кислота

4 Дегидрогеназа
НАД⁺ → НАД·Н; отщепляется CO₂; присоединяется HSCoA

сукцинил-КоА

5 Синтетаза
ГДФ → ГТФ (затем АДФ → АТФ); освобождается HSCoA

янтарная кислота

6 Сукцинатдегидрогеназа
ФАД → ФАД·Н₂

фумаровая кислота

7 Фумараза
+ H₂O

яблочная кислота

8 Дегидрогеназа
НАД⁺ → НАД·Н

щавелевоуксусная кислота

Щавелевоуксусная кислота снова присоединяет ацетил-КоА — круг замкнулся.

Проследим за атомами углерода.

1. Двухуглеродный ацетильный остаток присоединяется к четырёхуглеродной щавелевоуксусной кислоте. Получается шестиуглеродная лимонная кислота, а кофермент А освобождается.
2. Лимонная кислота перестраивается в изолимонную: гидроксильная группа переходит на соседний атом углерода.
3. Изолимонная кислота окисляется (водород — на НАД⁺) и теряет CO₂: получается пятиуглеродная α-кетоглутаровая кислота.
4. Она снова окисляется и теряет CO₂ (так же, как пировиноградная кислота у пируватдегидрогеназы): получается четырёхуглеродный сукцинил-КоА.
5. Энергия связи с коферментом А идёт на синтез ГТФ (у растений и многих тканей сразу АТФ); ГТФ отдаёт фосфат на АДФ. Получается янтарная кислота.
6. Янтарная кислота окисляется до фумаровой; водород принимает ФАД.
7. Фумаровая кислота присоединяет воду и превращается в яблочную.
8. Яблочная кислота окисляется (водород — на НАД⁺), и снова получается щавелевоуксусная кислота. Круг замкнулся.

Итог одного оборота: 2 атома углерода вошли с ацетилом и 2 атома ушли в виде CO₂; образовались 3 НАД·Н, 1 ФАД·Н₂ и 1 АТФ (через ГТФ). На одну глюкозу цикл совершает два оборота: 4 CO₂, 6 НАД·Н, 2 ФАД·Н₂, 2 АТФ.

Обратите внимание: в цикле Кребса нет ни одной реакции с кислородом O₂. Кислород в молекулах CO₂ происходит из воды и из самих органических кислот. И всё же без кислорода цикл останавливается: весь НАД⁺ превращается в НАД·Н, «пустые тележки» заканчиваются, и дегидрогеназам некуда сбрасывать водород. Разгружает тележки только дыхательная цепь, а ей нужен кислород.

Весь углерод глюкозы — шесть атомов — к концу цикла уходит в CO₂: два при окислении пировиноградной кислоты и четыре в цикле. Этот углекислый газ мы и выдыхаем. А вот энергия глюкозы к этому моменту почти вся перешла в «тележки» НАД·Н и ФАД·Н₂: АТФ получено всего 4 (2 в гликолизе и 2 в цикле).

Цикл Кребса — не только «печка» для глюкозы. В него впадают продукты распада жирных кислот и многих аминокислот, а из его веществ клетка строит аминокислоты, гем, жирные кислоты. Поэтому его называют перекрёстком обмена веществ.

Дыхательная цепь

Самая важная по выходу энергии часть дыхания идёт на внутренней мембране митохондрии. Здесь НАД·Н и ФАД·Н₂ передают электроны дыхательной цепи (цепи переноса электронов) — последовательности белковых комплексов и небольших молекул-переносчиков, которые передают электроны друг другу, как вёдра по цепочке. В конце цепи электроны принимает кислород, присоединяет протоны из матрикса и превращается в воду:

O₂ + 4e⁻ + 4H⁺ → 2H₂O

Зачем такая длинная цепь, если можно сразу отдать электроны кислороду? При прямой реакции водорода с кислородом вся энергия выделилась бы взрывом тепла (так горит гремучая смесь). В цепи электроны переходят с одного переносчика на другой, всё ближе к кислороду, который притягивает их сильнее всех, и на каждом шаге отдают часть энергии. Эту энергию три комплекса (I, III и IV) используют для одного дела: перекачивают протоны H⁺ из матрикса в межмембранное пространство.

В переносе участвуют атомы железа (в гемах цитохромов и железосерных кластерах) и меди: они принимают и отдают электрон, меняя заряд Fe³⁺ ⇄ Fe²⁺, Cu²⁺ ⇄ Cu⁺. Поэтому цепь и не работает без железа и меди в пище.

Кислород — конечный акцептор электронов. Именно для этого мы и дышим: почти весь вдыхаемый кислород, который расходуется клетками, превращается в воду в комплексе IV. Эту воду называют метаболической: у некоторых пустынных животных (например, кенгуровых крыс) её хватает, чтобы почти никогда не пить.

АТФ-синтаза и хемиосмос

Долгое время не понимали, как перенос электронов связан с синтезом АТФ. Искали богатое энергией промежуточное вещество, как в гликолизе, но не нашли. В 1961 году английский биохимик Питер Митчелл предложил хемиосмотическую теорию: связующим звеном служит не вещество, а разность концентраций протонов по обе стороны мембраны.

Работая, дыхательная цепь накачивает протоны в межмембранное пространство. Там их становится больше, чем в матриксе, а наружная сторона внутренней мембраны заряжается положительно. Протоны «хотят» вернуться обратно — их тянет и разница концентраций, и электрическое поле. Это похоже на воду за плотиной: высота воды — запас энергии. Но через внутреннюю мембрану протонам путь закрыт, кроме одного входа — канала фермента АТФ-синтазы.

АТФ-синтаза — молекулярная турбина. Её мембранная часть (F_o) — кольцо из белковых субъединиц, которое поворачивается на шаг, пропуская каждый протон. Кольцо вращает ось, а ось проворачивается внутри неподвижной головки (F₁), выступающей в матрикс. В головке три активных центра; ось, поворачиваясь, по очереди меняет их форму: один захватывает АДФ и фосфат, второй соединяет их в АТФ, третий выпускает готовую АТФ. За один оборот получаются 3 молекулы АТФ, а оборотов — больше ста в секунду.

Синтез АТФ за счёт энергии, выделяемой при окислении в дыхательной цепи, называется окислительным фосфорилированием. Его открыл в 1930 году советский биохимик Владимир Энгельгардт. Тот же механизм — протонный градиент и АТФ-синтаза — работает в хлоропластах при фотосинтезе и в мембранах бактерий. Это один из самых общих механизмов жизни.

Сколько АТФ даёт одна молекула глюкозы

Соберём всё вместе. На каждую глюкозу образуется 10 НАД·Н (2 в гликолизе, 2 при окислении пировиноградной кислоты, 6 в цикле Кребса) и 2 ФАД·Н₂, а по 4 АТФ получено субстратным фосфорилированием.

Школьный счёт. Считают, что каждый НАД·Н даёт в дыхательной цепи 3 АТФ, а ФАД·Н₂ — 2 АТФ. Тогда кислородный этап даёт 8 · 3 + 2 · 2 + 2 = 30 АТФ из митохондриальных переносчиков и цикла, плюс 6 АТФ из двух НАД·Н гликолиза — всего 36 АТФ, а с гликолизом — 38 АТФ. Уравнение полного окисления глюкозы в школьной записи:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 38АДФ + 38H₃PO₄ → 6CO₂ + 44H₂O + 38АТФ

Воды справа 44: 6 молекул образуются при окислении глюкозы и 38 — при синтезе 38 молекул АТФ (каждая АТФ образуется из АДФ и фосфорной кислоты с отщеплением воды).

Современный счёт. Измерения показали, что выход меньше. АТФ-синтазе млекопитающих нужно около 8 протонов на 3 АТФ, а ещё примерно 1 протон тратится на ввоз в митохондрию фосфата и обмен АДФ на АТФ, — всего около 3,7 протона на АТФ. НАД·Н прокачивает 10 протонов, то есть даёт около 2,5 АТФ; ФАД·Н₂ — 6 протонов, около 1,5 АТФ. Кроме того, НАД·Н гликолиза образуется в цитоплазме и сам в митохондрию не проходит: его водород переносят челночные системы, и в одних тканях он «превращается» в митохондриальный НАД·Н (2,5 АТФ), а в других — в ФАД·Н₂ (1,5 АТФ).

На экзамене пишите 38 АТФ (2 в гликолизе и 36 на кислородном этапе) — так требует школьная программа. Но полезно знать, что это округлённая теоретическая модель.

Каков коэффициент полезного действия дыхания? При окислении моля глюкозы выделяется около 2870 кДж. В 32 АТФ при энергии около 50 кДж на моль АТФ в клетке запасается около 1600 кДж, то есть около 55 %. Остальное идёт в тепло. Для сравнения: автомобильный двигатель превращает в работу около трети энергии топлива.

Если кислорода нет: брожение

Без кислорода дыхательная цепь останавливается, НАД·Н не разгружается, и весь НАД⁺ клетки оказывается занят. Но гликолизу нужен НАД⁺ на стадии окисления глицеральдегид-3-фосфата: без него остановится и гликолиз, а с ним — единственный источник АТФ. Выход — отдать водород с НАД·Н самой пировиноградной кислоте (или продукту её распада). Это и есть брожение: бескислородное расщепление, при котором конечным акцептором водорода служит органическое вещество, а АТФ образуется только в гликолизе — 2 молекулы на глюкозу.

Молочнокислое брожение

пировиноградная кислота

Лактатдегидрогеназа
НАД·Н + H⁺ → НАД⁺

молочная кислота

Спиртовое брожение

пировиноградная кислота

Декарбоксилаза
отщепляется CO₂

уксусный альдегид

Алкогольдегидрогеназа
НАД·Н + H⁺ → НАД⁺

этиловый спирт

Молочнокислое брожение. Пировиноградная кислота восстанавливается до молочной (фермент лактатдегидрогеназа):

C₆H₁₂O₆ + 2АДФ + 2H₃PO₄ → 2C₃H₆O₃ + 2АТФ + 2H₂O

Так получают энергию молочнокислые бактерии (благодаря им скисает молоко и получаются кефир, йогурт, квашеная капуста), а также наши мышцы при тяжёлой работе, когда кровь не успевает доставить кислород, и эритроциты, у которых нет митохондрий. Молочная кислота из мышц с кровью уходит в печень, и там из неё снова синтезируется глюкоза (это требует энергии; поэтому после нагрузки мы ещё некоторое время дышим чаще — «отдаём кислородный долг»). Боль в мышцах на следующий день после тренировки вызывает не молочная кислота — её уже нет, — а микроповреждения мышечных волокон и воспаление.

Спиртовое брожение. У дрожжей пировиноградная кислота сначала теряет CO₂ и превращается в уксусный альдегид, а уже он принимает водород от НАД·Н и становится этиловым спиртом:

C₆H₁₂O₆ + 2АДФ + 2H₃PO₄ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ + 2АТФ + 2H₂O

Углекислый газ поднимает тесто, а спирт при выпечке испаряется. Спиртовое брожение идёт и в клетках растений, корни которых залиты водой.

Брожение в 19 раз менее выгодно, чем дыхание (2 АТФ вместо 38): почти вся энергия глюкозы остаётся в молочной кислоте или спирте. Именно поэтому спирт горит, а молочная кислота служит топливом для сердца и печени. Луи Пастер заметил, что дрожжи на воздухе тратят сахара гораздо меньше, чем без воздуха: получая кислород, они переходят на выгодное дыхание и сокращают гликолиз. Это явление назвали эффектом Пастера.

Не только глюкоза: жиры и белки

Клетки сжигают не только глюкозу. Все главные виды топлива сходятся к ацетил-КоА и циклу Кребса.

• Жиры расщепляются на глицерин и жирные кислоты. Глицерин превращается в одно из промежуточных веществ гликолиза. Жирные кислоты в митохондриях укорачиваются по два атома углерода (этот путь называется β-окислением), и каждый двухуглеродный фрагмент становится ацетил-КоА. Окисление пальмитиновой кислоты (16 атомов углерода) даёт 106 АТФ по современному счёту. Жир — самое энергоёмкое топливо: около 39 кДж на грамм против 17 кДж у углеводов и белков. Кроме того, жир запасается без воды, а гликоген связывает в 2–3 раза больше воды, чем весит сам.
• Белки расщепляются до аминокислот. От аминокислоты отщепляется аминогруппа (из неё образуется аммиак, а у человека затем мочевина), а углеродный скелет вливается в цикл Кребса или превращается в пировиноградную кислоту. Белки сжигаются в основном при голодании или избытке белка в пище.

Какое вещество сжигает организм, можно узнать по дыханию. Отношение объёма выделенного CO₂ к объёму поглощённого O₂ называют дыхательным коэффициентом. Для глюкозы он равен 6 : 6 = 1, для жиров — около 0,7 (в жирах мало кислорода, и на окисление уходит больше O₂), для белков — около 0,8. У человека натощак коэффициент около 0,8, а после сладкого завтрака приближается к 1.

Как клетка регулирует дыхание

Дыхание работает по принципу «сколько потратили, столько и сделаем». Ключевые ферменты чувствуют, сколько в клетке АТФ, АДФ и АМФ.

• Фосфофруктокиназа — фермент, который присоединяет второй фосфат к фруктозе в гликолизе, — подавляется избытком АТФ и лимонной кислоты и ускоряется АМФ. Когда АТФ много, гликолиз замедляется; когда клетка тратит энергию и накапливается АМФ, ускоряется.
• Дыхательный контроль: если АДФ кончилась, АТФ-синтаза останавливается, протоны перестают возвращаться в матрикс, градиент растёт до предела, и дыхательная цепь сама замедляется — ей становится трудно качать протоны против высокого градиента. Покоящаяся мышца поэтому почти не тратит кислород, а работающая — в десятки раз больше.
• Пируватдегидрогеназа выключается, когда энергии много, и это сохраняет глюкозу, особенно для мозга.

Дыхание, которое греет

Иногда клетке нужно не АТФ, а тепло. Тогда протонам открывают «обходной путь» мимо АТФ-синтазы. В буром жире новорождённых детей, зимоспящих животных и мелких грызунов во внутренней мембране митохондрий есть белок термогенин (UCP1). Он пропускает протоны обратно в матрикс, и энергия градиента сразу превращается в тепло. Такое отключение синтеза АТФ от дыхания называют разобщением. Бурый цвет этому жиру придают многочисленные митохондрии с их цитохромами. Просыпающийся сурок разогревается от 5 до 37 °C в основном за счёт бурого жира.

У растений есть свой «обогреватель» — альтернативная оксидаза: фермент, который отдаёт электроны кислороду в обход комплексов III и IV и почти не качает протоны. Соцветия ароидных — сауроматума, аронника, «вонючего» капустника симплокарпуса — разогреваются так на 10–30 °C выше воздуха (симплокарпус цветёт ранней весной, протаивая снег); тепло разносит запах, который приманивает опылителей-мух. Включает обогрев салициловая кислота (см. статью о раздражимости и фитогормонах).

Яды дыхания

Раз дыхательная цепь — главный источник АТФ, её блокада смертельна за минуты. Многие известные яды действуют именно так.

• Цианиды (синильная кислота, цианистый калий) и сероводород связываются с железом комплекса IV — цитохромоксидазы. Электроны не могут перейти на кислород, вся цепь останавливается, и клетки гибнут от недостатка АТФ, хотя кислорода в крови достаточно: кровь отравленного цианидом остаётся ярко-алой. Синильная кислота образуется при расщеплении амигдалина, содержащегося в семенах горького миндаля, абрикосов и вишни.
• Угарный газ CO тоже связывается с цитохромоксидазой, но главное его действие — прочное соединение с гемоглобином, который перестаёт переносить кислород.
• Ротенон из корней тропических бобовых блокирует комплекс I; индейцы Южной Америки им глушили рыбу.
• Олигомицин (антибиотик стрептомицетов) закрывает протонный канал АТФ-синтазы.
• 2,4-динитрофенол — разобщитель: он переносит протоны через мембрану в обход АТФ-синтазы, как термогенин. В 1930-е годы его продавали в США как средство для похудения: жир «сгорал», но вместе с энергией выделялось столько тепла, что люди умирали от перегрева. Препарат запретили в 1938 году.

История изучения

В истории дыхания отличились и отечественные учёные. Владимир Иванович Палладин в 1912 году предложил считать дыхание отнятием водорода от органических веществ. Владимир Александрович Энгельгардт, работая в Казани с эритроцитами голубей (у птиц эритроциты с ядром и митохондриями), обнаружил, что синтез АТФ сопряжён с потреблением кислорода. Владимир Александрович Белицер и Евгения Цыбакова в 1939 году измерили, сколько АТФ образуется на каждый поглощённый атом кислорода, и показали, что синтез идёт при переносе электронов в цепи. Владимир Петрович Скулачёв в 1960–1970-е годы одним из первых экспериментально подтвердил хемиосмотическую теорию, измерив электрический потенциал на мембране митохондрий с помощью проникающих ионов, и изучил разобщение дыхания как способ получать тепло.

Удивительные факты

• За сутки человек синтезирует и расходует АТФ массой порядка собственного тела, хотя в любой момент её в организме лишь около 250 г.
• Ротор АТФ-синтазы вращается со скоростью больше 100 оборотов в секунду. В 1997 году японские исследователи приклеили к оси фермента светящуюся нить актина и увидели вращение в микроскоп.
• Протонный градиент на внутренней мембране — около 0,2 В на слое толщиной 5 нм. Это напряжённость поля около 40 миллионов вольт на метр — в десять раз больше, чем нужно для искрового пробоя воздуха.
• Кислород, который мы вдыхаем, превращается в воду, а не в углекислый газ. Атомы кислорода в выдыхаемом CO₂ происходят из глюкозы и воды.
• Колибри в полёте расходует столько энергии на грамм тела, что митохондрии занимают около трети объёма её летательных мышц, а ночью птица впадает в оцепенение, чтобы не умереть от голода до утра.
• Кенгуровые крысы пустынь Северной Америки могут всю жизнь не пить: им хватает метаболической воды, образующейся при дыхании, и воды из семян.
• Паразитическое многоклеточное животное Henneguya salminicola (родственник медуз, паразит лососей) потеряло митохондриальный геном и, по-видимому, вообще не дышит кислородом — это первый известный такой случай среди животных (2020).
• Опухолевые клетки часто сбраживают глюкозу до молочной кислоты даже при достатке кислорода (эффект Варбурга). На этом основана позитронно-эмиссионная томография: меченая глюкоза накапливается в опухолях, жадно поглощающих сахар.

Что пока не решено

• Сколько точно протонов нужно на одну АТФ. Число субъединиц в кольце АТФ-синтазы у разных организмов от 8 до 17, и «цена» АТФ различается. Точные отношения P/O в живой клетке, а не в выделенных митохондриях, до сих пор обсуждают.
• Как устроены суперкомплексы. Комплексы I, III и IV в мембране часто собираются в крупные «респирасомы». Ускоряют ли они перенос электронов или только защищают от утечки электронов и образования активных форм кислорода, пока спорят.
• Зачем опухолям эффект Варбурга. Брожение при наличии кислорода невыгодно по выходу АТФ. Возможно, быстрый гликолиз даёт опухолевым клеткам строительный материал для деления; единого объяснения пока нет.
• Как возникла дыхательная цепь. Её части похожи на белки фотосинтеза и бактериального анаэробного дыхания. Что было первым — фотосинтез, дыхание или протонные насосы древних архей, — вопрос открытый.
• Митохондрии и старение. В дыхательной цепи часть электронов «утекает» на кислород раньше времени, образуя супероксид. Насколько эти активные формы кислорода причастны к старению, а насколько служат сигналами для клетки, спорят до сих пор.

Что писать на ЕГЭ

• Энергетический обмен (диссимиляция) — совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии и синтезом АТФ.
• Три этапа: подготовительный (пищеварительный тракт, лизосомы; энергия рассеивается в виде тепла), бескислородный — гликолиз (цитоплазма; 2 АТФ), кислородный (митохондрии; 36 АТФ). Всего при полном окислении молекулы глюкозы — 38 АТФ.
• Гликолиз: глюкоза расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты (ПВК); образуются 2 АТФ и 2 НАД·Н; кислород не нужен.
• Кислородный этап: окисление ПВК до CO₂ и H₂O; цикл Кребса идёт в матриксе митохондрий, окислительное фосфорилирование — на внутренней мембране (кристах).
• Конечный акцептор электронов при аэробном дыхании — кислород; он восстанавливается до воды.
• При недостатке кислорода в мышцах ПВК восстанавливается до молочной кислоты (молочнокислое брожение), у дрожжей — до этилового спирта и CO₂ (спиртовое брожение); образуется только 2 АТФ на глюкозу.
• Расчётные задачи: на каждую молекулу глюкозы — 2 молекулы ПВК, 2 АТФ при гликолизе, 36 АТФ на кислородном этапе, 6 CO₂, 6 O₂; при брожении — 2 молекулы молочной кислоты и 2 АТФ.
• Энергия гидролиза АТФ (в школьных задачах) — 40 кДж/моль; при гликолизе выделяется 200 кДж/моль глюкозы, из них 40 % запасается в АТФ.

Расчётные задачи с подробными решениями — в статье «Энергетический обмен: гликолиз, цикл Кребса и подсчёт АТФ для ЕГЭ», тренировка — тема 2.4 в тренажёре ЕГЭ по биологии.

Для олимпиад

Энергия переноса электронов

Способность вещества отдавать электроны выражают стандартным окислительно-восстановительным потенциалом E′°: чем он ниже, тем охотнее вещество отдаёт электроны. Для пары НАД⁺/НАД·Н E′° = −0,32 В, для O₂/H₂O +0,82 В. Энергия переноса n электронов: ΔG°′ = −nFΔE′°, где F = 96,5 кДж/(В·моль). Для пары электронов от НАД·Н к кислороду ΔG°′ = −2 · 96,5 · 1,14 ≈ −220 кДж/моль. Этого хватило бы на синтез четырёх АТФ при 50 кДж на АТФ, а получается около 2,5: КПД этого участка около 57 %. ФАД·Н₂ (у сукцинатдегидрогеназы E′° около 0) входит в цепь «ниже» комплекса I и поэтому даёт меньше АТФ.

Протонодвижущая сила

Градиент протонов складывается из двух частей: электрического потенциала на мембране Δψ (около 150–180 мВ, матрикс заряжен отрицательно) и разности pH (матрикс щелочнее примерно на 0,5–1 единицу). Их объединяет протонодвижущая сила Δp = Δψ − 59 · ΔpH (мВ, при 25 °C) — около 200 мВ. Перенос одного протона в матрикс высвобождает F·Δp ≈ 96,5 · 0,2 ≈ 19 кДж/моль, и для синтеза АТФ с ΔG около 50 кДж/моль нужно не меньше трёх протонов — что и наблюдается (8 протонов на 3 АТФ у АТФ-синтазы млекопитающих плюс около 1 на транспорт).

Ингибиторы и разобщители в опыте

Классический опыт — измерение потребления кислорода выделенными митохондриями. Добавление АДФ резко ускоряет дыхание (дыхательный контроль). Олигомицин останавливает и синтез АТФ, и дыхание: градиент не расходуется, цепь «упирается». Если затем добавить разобщитель (динитрофенол), дыхание возобновляется и становится максимальным, но АТФ не образуется. Цианид останавливает дыхание при любых добавках. По таким опытам определяют, на какое звено действует неизвестное вещество.

Задания с разбором

Задания 1–9 — в формате ЕГЭ (с элементами ответа для заданий с развёрнутым ответом), 10–15 — олимпиадные.

Задание 1

Выберите три верных утверждения о гликолизе.

1. идёт в цитоплазме клетки
2. требует присутствия кислорода
3. глюкоза расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты
4. образуется 36 молекул АТФ
5. водород переносится на НАД⁺
6. идёт на кристах митохондрий

Задание 2

Установите соответствие между процессами и этапами энергетического обмена: к каждой позиции первого столбца подберите позицию из второго.

ПРОЦЕССЫ: А) расщепление глюкозы до пировиноградной кислоты; Б) образование 36 молекул АТФ; В) работа АТФ-синтазы на кристах; Г) образование 2 молекул АТФ на одну глюкозу; Д) выделение CO₂ в цикле Кребса; Е) идёт в цитоплазме.

ЭТАПЫ: 1) бескислородный; 2) кислородный.

Задание 3

Установите последовательность превращений углеродного скелета глюкозы при аэробном дыхании.

1. образование ацетил-КоА
2. расщепление фруктозо-1,6-бисфосфата на две трёхуглеродные молекулы
3. образование лимонной кислоты
4. фосфорилирование глюкозы
5. образование пировиноградной кислоты

Задание 4

В диссимиляцию вступило 15 молекул глюкозы. Определите, сколько молекул АТФ образуется после гликолиза, после кислородного этапа и всего. Сколько молекул кислорода потребуется и сколько молекул CO₂ выделится при полном окислении? Ответ поясните.

Задание 5

При интенсивной работе в мышце образовалось 26 молекул молочной кислоты. Сколько молекул глюкозы подверглось расщеплению и сколько молекул АТФ при этом синтезировано? Сколько АТФ образовалось бы, если бы эта глюкоза окислилась полностью? Ответ поясните.

Задание 6

Найдите три ошибки в приведённом тексте. Укажите номера предложений, в которых они сделаны, исправьте их.

(1) Энергетический обмен включает три этапа. (2) На подготовительном этапе полимеры расщепляются до мономеров, а выделившаяся энергия запасается в АТФ. (3) Гликолиз происходит в митохондриях. (4) При гликолизе глюкоза расщепляется до пировиноградной кислоты и образуется 2 молекулы АТФ. (5) На кислородном этапе пировиноградная кислота окисляется до углекислого газа и воды. (6) Конечным акцептором электронов в дыхательной цепи служит углекислый газ.

Задание 7

Почему при интенсивной физической нагрузке в мышцах накапливается молочная кислота, а после нагрузки человек ещё некоторое время дышит учащённо? Ответ поясните.

Задание 8

Цианиды блокируют фермент цитохромоксидазу — последний комплекс дыхательной цепи. Почему отравление цианидами быстро приводит к гибели, хотя кровь насыщена кислородом? Какие органы страдают первыми?

Задание 9

Исследователь поместил одинаковое количество дрожжей в два сосуда с одинаковым раствором глюкозы при 30 °C. Через первый сосуд пропускали воздух, второй закрыли без доступа воздуха. Через 3 часа во втором сосуде глюкозы израсходовалось в несколько раз больше, чем в первом. 1) Какой параметр задавал экспериментатор (независимая переменная), а какой менялся в зависимости от него (зависимая)? 2) Объясните результат. 3) Какое вещество, кроме CO₂, обнаружится во втором сосуде?

Задание 10

Рассчитайте выход АТФ при полном окислении глюкозы по современным данным: НАД·Н даёт 2,5 АТФ, ФАД·Н₂ — 1,5 АТФ. Рассмотрите два случая: 1) водород двух НАД·Н гликолиза попадает в митохондрию в составе НАД·Н (малат-аспартатный челнок, сердце и печень); 2) он попадает в митохондрию в составе ФАД·Н₂ (глицерофосфатный челнок, скелетные мышцы, мозг).

Задание 11

Окисление пальмитиновой кислоты идёт по уравнению C₁₆H₃₂O₂ + 23O₂ → 16CO₂ + 16H₂O. 1) Найдите дыхательный коэффициент для пальмитиновой кислоты и для глюкозы. 2) У человека дыхательный коэффициент 0,85. Считая, что он сжигает только глюкозу и пальмитиновую кислоту, определите, какая доля поглощённого кислорода расходуется на окисление глюкозы.

Задание 12

Стандартные потенциалы: НАД⁺/НАД·Н −0,32 В, O₂/H₂O +0,82 В, F = 96,5 кДж/(В·моль). 1) Рассчитайте изменение энергии Гиббса при переносе пары электронов от НАД·Н к кислороду. 2) Сколько АТФ можно было бы синтезировать, если синтез одной АТФ в клетке требует 50 кДж/моль? 3) Каков КПД, если реально образуется 2,5 АТФ?

Задание 13

Кольцо мембранной части АТФ-синтазы у млекопитающих состоит из 8 субъединиц, у дрожжей — из 10; за полный оборот через кольцо проходит столько протонов, сколько в нём субъединиц, и синтезируется 3 АТФ. Ещё 1 протон на каждую АТФ тратится на транспорт АДФ и фосфата в матрикс. 1) Сколько протонов «стоит» одна АТФ у млекопитающих и у дрожжей? 2) Сколько АТФ даёт один НАД·Н (10 протонов) в каждом случае?

Задание 14

В клетках бурого жира протонный градиент почти целиком рассеивается термогенином, и окислительное фосфорилирование не идёт. 1) Сколько АТФ получит такая клетка при полном окислении одной молекулы глюкозы? 2) Во сколько раз больше глюкозы ей придётся окислить, чтобы получить столько же АТФ, сколько обычная клетка (32 АТФ по современному счёту)? 3) Зачем это нужно организму?

Задание 15

Мышь дышала воздухом, в котором кислород был помечен тяжёлым изотопом ¹⁸O. 1) В каком веществе, образующемся при клеточном дыхании, окажется метка? 2) Сколько атомов меченого кислорода окажется в продуктах при полном окислении одной молекулы глюкозы? 3) Откуда берутся атомы кислорода в выдыхаемом CO₂?

Литература

• Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология. 10–11 классы. М.: Дрофа, любое издание.
• Ленинджер А. Основы биохимии. Т. 2. М.: Мир, 1985.
• Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленинджера. Т. 2. Биоэнергетика и метаболизм. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014.
• Николс Д. Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию. М.: Мир, 1985.
• Скулачёв В. П., Богачёв А. В., Каспаринский Ф. О. Мембранная биоэнергетика. М.: Изд-во Московского университета, 2010.
• Krebs H. A., Johnson W. A. The role of citric acid in intermediate metabolism in animal tissues // Enzymologia. 1937. Vol. 4. P. 148–156.
• Kennedy E. P., Lehninger A. L. Oxidation of fatty acids and tricarboxylic acid cycle intermediates by isolated rat liver mitochondria // J. Biol. Chem. 1949. Vol. 179. P. 957–972.
• Mitchell P. Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism // Nature. 1961. Vol. 191. P. 144–148.
• Jagendorf A. T., Uribe E. ATP formation caused by acid-base transition of spinach chloroplasts // PNAS. 1966. Vol. 55. P. 170–177.
• Racker E., Stoeckenius W. Reconstitution of purple membrane vesicles catalyzing light-driven proton uptake and adenosine triphosphate formation // J. Biol. Chem. 1974. Vol. 249. P. 662–663.
• Abrahams J. P., Leslie A. G. W., Lutter R., Walker J. E. Structure at 2.8 Å resolution of F1-ATPase from bovine heart mitochondria // Nature. 1994. Vol. 370. P. 621–628.
• Noji H., Yasuda R., Yoshida M., Kinosita K. Direct observation of the rotation of F1-ATPase // Nature. 1997. Vol. 386. P. 299–302.
• Hinkle P. C. P/O ratios of mitochondrial oxidative phosphorylation // Biochim. Biophys. Acta. 2005. Vol. 1706. P. 1–11.
• Watt I. N. et al. Bioenergetic cost of making an adenosine triphosphate molecule in animal mitochondria // PNAS. 2010. Vol. 107. P. 16823–16827.
• Yahalomi D. et al. A cnidarian parasite of salmon (Myxozoa: Henneguya) lacks a mitochondrial genome // PNAS. 2020. Vol. 117. P. 5358–5363.