Почему расщепление органических соединений при участии кислорода энергетически более эффективно, чем при его отсутствии?

В результате бескислородного (анаэробного) этапа расщепления глюкозы образуется пировиноградная кислота, которая в дальнейшем, в бескислородной среде, может превращаться в молочную кислоту, этиловый спирт, масляную кислоту или другие органические вещества, без дополнительного выделения АТФ. На аэробном (кислородном) этапе клеточного дыхания, полученная пировиноградная кислота расщепляется дальше с образованием дополнительных молекул АТФ. Поэтому аэробный этап энергетически более эффективен.

Потому что кислород является сильным окислителем. Под действием кислорода происходит полное расщепление и окисление органических веществ (в частности, углеводов и жиров – до Н2О и СО2) с высвобождением большого количества энергии, заключённой в химических связях расщепляемых органических веществ. При отсутствии кислорода не происходит полного окисления органических веществ, поэтому значительная часть энергии остаётся в конечных продуктах.
Если рассматривать механизм аэробного этапа клеточного дыхания более глубоко, то можно отметить, что молекулярный кислород, принимая электроны, образует анионы О2–. Анионы кислорода необходимы для связывания протонов (Н+), поступающих через каналы АТФ-синтетазы в матрикс митохондрии. При отсутствии кислорода происходит накопление протонов в матриксе, что ведёт к торможению, а затем и к прекращению работы АТФ-синтетазы. Следовательно, непрерывное поступление кислорода в митохондрии необходимо для нормальной работы АТФ-синтетазы (т.е. для синтеза АТФ).

Эффективность кислородного расщепления глюкозы в 18 раз выше, чем при гликолизе. Объясняется это тем, что кислородный этап идет в митохондриях клетки, где возможна эффективная работа «протонной помпы» и связывание прошедших через нее протонов с анионом кислорода, поступающим из внешней среды. Результатом этого взаимодействия является вода. В отсутствие кислорода концентрация протонов возросла бы до некоторого предельного значения, после которого аэробный процесс в митохондриях прекратился бы. Именно это и происходит при остановке сердца и прекращении поступления в клетки кислорода, что приводит организм к гибели.