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.