План:
1. Характеристика процесів обміну речовин та перетворення енергії в клітині.
2. Етапи енергетичного обміну.
Література: Загальна біологія: Підруч для 10 кл./ М.Є. Кучеренко та інш. 2006. с. 101-108
1. Існування живих організмів можливе лише завдяки надходженню з довкілля поживних речовин, їхнього перетворення та виведення з організму продуктів життєдіяльності. Сукупність цих процесів має назву обмін речовин, або метаболізм (від грец. метаболе — переміна).
В організмах одночасно відбуваються процеси двох типів. Процеси поглинання з довкілля, засвоєння і накопичення речовин, які використовуються для синтезу необхідних для організму сполук, називають асиміляцією (від лат. асимілятіо — ототожнення). Сукупність реакцій синтезу, які забезпечують розвиток клітин та організмів, поновлення їхнього хімічного складу, називають пластичним обміном (від грец. пластос — створений). На здійснення цих процесів витрачається певна кількість енергії.
Одночасно з утворенням сполук в організмі відбувається і розщеплення певних речовин - процеси дисиміляції (від лат. due — префікс, що означає заперечення, і асимілятіо). Отже, процеси асиміляції і дисиміляції — це різні сторони єдиного процесу обміну речовин і перетворення енергії в живих організмах. Завдяки процесам обміну речовин підтримується гомеостаз.
Процеси асиміляції не завжди врівноважені з процесами дисиміляції. Так, в організмах, які розвиваються, переважають процеси асиміляції, завдяки чому забезпечується накопичення необхідних сполук та ріст організмів. Під час інтенсивної фізичної роботи, за нестачі поживних речовин або при старінні переважають процеси дисиміляції. Якщо в першому випадку втрати маси і енергії не будуть компенсовані посиленим харчуванням, то організм поступово виснажується, що, врешті-решт, призводить до його загибелі.
Перетворення речовин в організмі неможливе без відповідних перетворень енергії. У процесі життєдіяльності організми поглинають із довкілля енергію в певних формах, а повертають її туди вже в іншій формі. Сукупність реакцій розщеплення складних сполук в організмі, що супроводжуються виділенням енергії, називають енергетичним обміном.
Для живих організмів Землі основним джерелом енергії є сонячне світло, завдяки якому прямо чи опосередковано задовольняються їхні енергетичні потреби.
Ви пам'ятаєте, що організми, здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних, називають автотрофами (від грец. аутос — сам і трофе — їжа, живлення). Одні з них використовують для цих процесів енергію світла - це фототрофи (від грец. фотос - світло). До фототрофних організмів належать зелені рослини, ціанобактерії, деякі одноклітинні тварини та бактерії. Енергію світла ці організми використовують для забезпечення власних процесів життєдіяльності або накопичують її у вигляді енергії хімічних зв'язків синтезованих сполук.
Інші автотрофи для синтезу органічних сполук із неорганічних використовують енергію, яка звільняється під час хімічних реакцій. Це — хемотрофи (від грец. хемейа - хімія).
Гриби, більшість тварин і бактерій належать до гетеротрофів (від грец. гетерос - інший). Для них джерелом енергії є органічні сполуки, синтезовані іншими організмами, які вони одержують з їжею (живі організми, їхні рештки або продукти життєдіяльності).
У біологічних системах енергія існує в різних формах, які можуть перетворюватись одна в одну. Живі організми використовують енергію для забезпечення різних процесів: хімічних (наприклад, синтезу органічних сполук), механічних (скорочення м'язів, руху одноклітинних організмів), електричних (проходження нервового імпульсу по нервовому волокну), теплових (підтримання сталої температури тіла), світлових (перетворення енергії хімічних зв'язків органічних сполук в енергію свічення деяких мікроорганізмів, комах, глибоководних риб тощо).
За енергетичного обміну частина енергії, яка виділяється під час розщеплення органічних сполук, розсіюється у вигляді тепла, а частина — запасається у високоенергетичних хімічних зв'язках певних органічних сполук (АТФ тощо).
2. Функціонування біологічної системи можливе лише за умови, коли витрачена енергія постійно поновлюється в ході енергетичного обміну. Виділяють три послідовні етапи енергетичного обміну: підготовчий, безкисневий і кисневий.
Початковий етап енергетичного обміну — підготовчий. У більшості багатоклітинних тварин, у тому числі й людини, цей етап відбувається в шлунково-кишковому тракті, а також у цитоплазмі клітин. На підготовчому етапі складні органічні макромолекули під дією ферментів розщеплюються: білки - до амінокислот, жири - до гліцерину і жирних кислот, полісахариди - до моносахаридів, нуклеїнові кислоти — до нуклеотидів. Ці процеси відбуваються з вивільненням енергії, але її кількість незначна і вона розсіюється у вигляді тепла. Проте це тепло може використовуватись організмами для підтримання температури власного тіла.
Розглянемо детальніше ці процеси. Внаслідок послідовної дії певних ферментів складні білки спочатку розщеплюються до простих, а прості — на окремі складові (поліпептидні ланцюги). Останні, у свою чергу, розпадаються до амінокислот. Внутрішньоклітинне перетравлення білків забезпечує комплекс ферментів, які містяться в лізосомах, а також у цитоплазмі та на клітинних мембранах. Полісахариди, також під дією відповідних ферментів, розщеплюються до дисахаридів і моносахаридів.
Розщепленню ліпідів під дією відповідних ферментів часто передує їхнє подрібнення (емульгація). Емульгаторами жирів є жовчні кислоти, які виробляються у печінці та входять до складу жовчі. Нуклеїнові кислоти під дією ферментів спочатку розщеплюються до нуклеотидів, а ті — до вільних нітратних основ, моносахарида та фосфатної кислоти.
За підготовчим етапом настає безкисневий.
Безкисневий етап енергетичного обміну відбувається в клітинах. Його ще називають анаеробним, (від грец. ан — частинка, що означає заперечення, та аер — повітря), оскільки мономери, які утворилися на попередньому етапі, зазнають подальшого багатоступеневого розщеплення без участі кисню.
Анаеробне розщеплення, або анаеробне дихання, — це найпростіша форма утворення та запасання енергії у високоенергетичних зв'язках молекул АТФ. Деякі мікроорганізми і безхребетні тварини (здебільшого паразити) не можуть використовувати кисень у процесах енергетичного обміну. Тому необхідну енергію вони можуть одержати лише у результаті анаеробного розщеплення органічних сполук (анаеробного дихання). Більшість організмів у процесах енергетичного обміну здатна використовувати кисень. Але в них кисневому (аеробному) етапу енергетичного обміну завжди передує безкисневий (анаеробний).
Найважливішим на безкисневому етапі енергетичного обміну в клітинах є розщеплення молекул глюкози за допомогою гліколізу (від грец. глікіс — солодкий та лізіс — розчинення). Під час гліколізу молекула глюкози (C6H12O6) розщеплюється на дві молекули піровиноградної (С3Н4О3) або (наприклад, у клітинах м'язів) молочної (С3Н6О3) кислот. Сумарне рівняння гліколізу має такий вигляд:
С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 => 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О
Під час гліколізу виділяється близько 200 кДж енергії. Частина її (майже 84 кДж) витрачається на синтез двох молекул АТФ, а інша — розсіюється у вигляді тепла. Отже, процес гліколізу енергетичне малоефективний: лише 35—40% енергії запасається в зв'язках молекул АТФ. Це пояснюється тим, що кінцеві продукти гліколізу все ще містять багато зв'язаної енергії.
Гліколіз має важливе фізіологічне значення. Завдяки йому організми можуть діставати енергію в умовах дефіциту кисню, а його кінцеві продукти (піровиноградна і молочна кислоти) зазнають подальшого ферментативного перетворення за наявності кисню. Проміжні продукти гліколізу використовуються для біосинтезу різних сполук.
Глюкоза також розщеплюється у результаті спиртового бродіння, до якого здатні деякі види дріжджів і бактерій. Унаслідок цього процесу молекула глюкози розпадається на дві молекули етилового спирту (С2Н5ОН) та дві молекули вуглекислого газу (СО2). Реакції спиртового бродіння подібні до реакцій гліколізу, за винятком кінцевого етапу.
Існують й інші види безкисневого бродіння, наприклад маслянокисле (з утворенням масляної кислоти), молочнокисле (молочної кислоти) тощо.
Завершальним етапом енергетичного обміну є кисневий, або аеробне дихання.
Кисневий етап енергетичного обміну можливий лише за наявності кисню. Тому його ще називають аеробним, (від грец. аер — повітря). Під час цього етапу органічні сполуки, які утворилися на попередньому, безкисневому, окиснюються до кінцевих продуктів — С02 і Н2О. Ці процеси відбуваються також у клітинах. Сукупність реакцій окиснення, які відбуваються в живих клітинах, називають біологічним окисненням. Завдяки йому організм дістає значну кількість енергії, необхідної для забезпечення процесів життєдіяльності. Частина цієї енергії запасається в високоенергетичних зв'язках молекул АТФ.
Відомо, що під час окиснювально-відновних реакцій електрони переносяться від відновника (сполука, яка їх постачає) до окисника (сполука, що їх приймає). Процес біологічного окиснення органічних сполук пов'язаний з відщепленням від них гідрогену і приєднанням його до молекулярного кисню за допомогою особливих біологічно активних речовин-переносників. Унаслідок цього утворюється вода. Як і будь-які біохімічні процеси, реакції біологічного окиснення каталізують певні ферменти.
Аеробне дихання відбувається в мітохондріях. Важливе місце в аеробному енергетичному обміні належить так званому циклу Кребса.
Цикл Кребса — це послідовне перетворення певних органічних кислот, що відбувається в матриксі мітохондрій. Цей процес названо на честь англійського біохіміка Ханса Адольфа Кребса, який відкрив його у 1937 році.
На початку циклу піровиноградна кислота (яка є продуктом гліколізу) реагує з щавлевооцтовою, утворюючи лимонну кислоту. Остання через низку послідовних реакцій перетворюється на інші кислоти. Внаслідок таких перетворень відтворюється щавлево-оцтова кислота, яка знову реагує з піровиноградною, і цикл повторюється.
У чому полягає біологічне значення цих складних перетворень? Унаслідок кожного циклу Кребса може утворюватися одна молекула АТФ. Крім того, в ході біохімічних реакцій циклу від органічних кислот відщеплюються атоми гідрогену, які є носіями енергії. Ці атоми відновлюють певні сполуки. Енергія, запасена в атомах гідрогену, згодом частково використовується для синтезу молекул АТФ. А молекули вуглекислого газу, які утворюються під час цих перетворень, залишають мітохондрії та з часом виводяться з клітини.
Наступні перетворення пов'язані з перенесенням електронів від атомів гідрогену (які, як ви пам'ятаєте, відщепилися від органічних кислот) на кисень. Ці процеси відбуваються за участю ланцюга дихальних ферментів, вбудованих у внутрішню мембрану мітохондрій. Електрони послідовно передаються від одних сполук до інших доти, доки не відбудеться процес відновлення кисню.
Отже, процес окиснення органічних сполук киснем супроводжується низкою окиснювально-відновних реакцій. У ході цих реакцій енергія, яка міститься у вигляді хімічних зв'язків, звільняється поступово. Це дає можливість клітині використовувати її повніше порівняно з тією енергією, яка звільняється в ході безкисневого етапу.
За допомогою послідовного ряду різних речовин-переносників, розташованих у внутрішній мембрані мітохондрій, електрони транспортуються до її внутрішньої поверхні, тоді як іони гідрогену (Н+) накопичуються на її зовнішній поверхні. Одночасно на внутрішній поверхні мембрани мітохондрій концентрація Н+ зменшується (одна з причин — утворення Н2О при сполученні кисню з Н+ та електронами). Так виникає різниця концентрації іонів гідрогену (Δ рН) та електричних потенціалів (Дφ), внаслідок чого зовнішня поверхня мембрани стає електропозитивною, а внутрішня - електронегативною.
У внутрішній мембрані мітохондрій розташована особлива ферментна система (Н+-АТФаза), завдяки якій з АДФ та фосфатної кислоти синтезуються молекули АТФ. Для цього використовується енергія, яка звільняється при перенесенні іонів Н+ із зовнішньої поверхні мембрани мітохондрій на внутрішню. Цей процес відбувається тоді, коли різниця потенціалів на мембрані досягне певного рівня, іони Н+ через канал у молекулі ферменту, який забезпечує синтез АТФ, повернуться на внутрішній бік мембрани. В цей час і відбувається синтез молекул АТФ з АДФ та фосфатної кислоти.
Повне окиснення молекул молочної або піровиноградної кислоти, що утворилися з глюкози під час гліколізу, до Н2О і С02 супроводжується виділенням такої кількості енергії, якої достатньо для утворення 36 молекул АТФ. Під час цих перетворень виділяється близько 2800 кДж енергії, з яких у вигляді макроергічних зв'язків молекул АТФ запасається 1596 кДж, або 55%, а 45% — розсіюється у вигляді тепла.
Сумарне рівняння кисневого етапу енергетичного обміну має такий вигляд:
2С3Н603 + 6О2 + 36Н3Р04 + 36АДФ => 6СО2 + 36АТФ + 36Н20
Таким чином , в процесі анаеробного етапу енергетичного обміну при розщепленні однієї молекули глюкози утворюються дві молекули АТФ. Енергії, яка виділяється внаслідок повного розщеплення однієї молекули глюкози, вистачає на утворення 38 молекул АТФ. Сумарне рівняння безкисневого і кисневого етапів енергетичного обміну має такий вигляд:
С6Н1206 + 38АДФ + 38Н3Р04 + 6О2 => 6СО2 + 38АТФ + 44Н2О
Завершується енергетичний обмін виведенням кінцевих продуктів з організму.
Рекомендовано дивитись онлайн:
Цикл Кребса.
|