Первинним джерелом енергії в живих організмах є Сонце. Енергія, принесена світловими квантами (фотонами), поглинається пігментом хлорофілом, які мають хлоропластах зеленого листя, і накопичується у вигляді хімічної енергії в різних поживних речовинах.
Всі клітини та організми можна розділити на два основні класи в залежності від того, яким джерелом енергії вони користуються. Перші, званих аутотрофнимі (зелені рослини), СО2 і Н2 Про перетворюються в процесі фотосинтезу в елементарні органічні молекули глюкози, з яких і будуються потім складніші молекули.
Клітини другого класу, звані гетеротрофних (тварини клітини), отримують енергію з різних поживних речовин (вуглеводів, жирів і білків), синтезованих аутотрофнимі організмами. Енергія, що міститься в цих органічних молекулах, звільняється головним чином в результаті з'єднання їх з киснем повітря (тобто окислення) в процесі, званому аеробних диханням. Цей енергетичний цикл у гетеротрофних організмів завершується виділенням СО2 і Н2 О.
Клітинне дихання - це окислення органічних речовин, що приводить до отримання хімічної енергії (АТФ). Більшість клітин використовує в першу чергу вуглеводи. Полісахариди залучаються до процесу дихання лише після того, як вони будуть гідроліз до моносхарідов: Крохмаль, Глюкоза (у рослин) Глікоген (у тварин).
Жири становлять «перший резерв» і пускаються в справу головним чином тоді, коли запас вуглеводів вичерпаний. Однак в клітинах скелетних м'язів при наявності глюкози і жирних кислот перевага віддається жирних кислот. Оскільки білки виконують ряд інших важливих функцій, вони використовуються лише після того, як будуть витрачені всі запаси вуглеводів і жирів, наприклад, при тривалому голодуванні.
Етапи енергетичного обміну: Єдиний процес енергетичного обміну можна умовно розділити на три послідовні етапи:
Перший з них - підготовчий. На цьому етапі високомолекулярні органічні речовини в цитоплазмі під дією відповідних ферментів розщеплюються на дрібні молекули: білки - на амінокислоти, полісахариди (крохмаль, глікоген) - на моносахариди (глюкозу), жири - на гліцерин і жирні кислоти, нуклеїнові кислоти - на нуклеотиди і т . Д. На цьому етапі виділяється невелика кількість енергії, яка розсіюється у вигляді тепла.
Другий етап - безкисневому, або неповний. Утворилися на підготовчому етапі речовини - глюкоза, амінокислоти та ін. - піддаються подальшому ферментативному розпаду без доступу кисню. Прикладом може служити ферментативне окислення глюкози (гліколіз), яка є одним з основних джерел енергії для всіх живих клітин. Гліколіз - багатоступінчастий процес розщеплення глюкози в анаеробних (безкисневих) умовах до піровиноградної кислоти (ПВК), а потім до молочної, оцтової, масляної кислот або етилового спирту, що відбувається в цитоплазмі клітини. Переносником електронів і протонів в цих окислювально-відновних реакціях служить нікотінамідаденін-дінуклеотід (НАД) і його відновлена форма НАД * Н. Продуктами гліколізу є піровиноградна кислота, водень в формі НАД • Н і енергія у формі АТФ.
При різних видах бродіння подальша доля продуктів гліколізу різна. У клітинах тварин і численних бактерій ПВК відновлюється до молочної кислоти. Відоме всім молочнокисле бродіння (при списанні молока, освіті сметани, кефіру тощо) викликається молочнокислими грибками і бактеріями.
При спиртовому бродінні продуктами гліколізу є етиловий спирт і СО2. У інших мікроорганізмів продуктами бродіння можуть бути бутиловий спирт, ацетон, оцтова кислота і т.д.
В ході безкисневого розщеплення частина енергії, що виділяється розсіюється у вигляді тепла, а частина акумулюється в молекулах АТФ.
Третій етап енергетичного обміну - стадія кисневого розщеплення. або аеробного дихання, відбувається в мітохондріях. На цьому етапі в процесі окислення важливу роль відіграють ферменти, здатні переносити електрони. Структури, що забезпечують проходження третього етапу, називають ланцюгом переносу електронів. У ланцюг перенесення електронів надходять молекули - носії енергії, які отримали енергетичний заряд на другому етапі окислення глюкози. Електрони від молекул - носіїв енергії, як по східцях, переміщаються по ланках ланцюга з більш високого енергетичного рівня на менш високий. Звільняється енергія витрачається на зарядку молекул АТФ. Електрони молекул - носіїв енергії, які віддали енергію на «зарядку» АТФ, з'єднуються в кінцевому підсумку з киснем. В результаті цього утворюється вода. У ланцюзі перенесення електронів кисень - кінцевий приймач електронів. Таким чином, кисень потрібен всім живим істотам в якості кінцевого приймача електронів. Кисень забезпечує різниця потенціалів в ланцюзі перенесення електронів і як би притягує електрони з високих енергетичних рівнів молекул - носіїв енергії на свій низькоенергетичний рівень. По дорозі відбувається синтез багатих енергією молекул АТФ.