Загальна характеристика обміну речовин та перетворення енергії.
.
Актуалізація опорних знань та мотивація навчально-пізнавальної діяльності
Що таке метаболізм і гомеостаз? Яка кількість енергії виділяється при розщепленні білків, ліпідів і вуглеводів? Що таке хімічні реакції синтезу та розщеплення? Що таке фотосинтез і яке його значення?
В організмі дорослої здорової людини з вагою 70 кг за одну добу відбуваються такі процеси:
- поглинається 460 л кисню і виділяється 403 л вуглекислого газу;
- гине і замінюється 450 млрд.еритроцитів, до 30 млрд лейкоцитів, до 400 млрд тромбоцитів;
- гине і відновлюється 50% епітеліальних клітин шлунку та кишечнику;
- серце проштовхує від 10 до 70 тисяч л крові;
- передсердя і шлуночки скорочуються близько 90 000 разів;
- здійснюється близько 25 тисяч дихальних рухів;
- через легені проходить близько 12 000 л повітря;
- через травну систему всмоктується 7-9 л рідини;
- утворюється 1,5 л сечі;
- випаровується близько 0,5 л води через легені та виводиться з потом;
- розкладається 125 г білків, 70 г жирів, 450 г вуглеводів з вивільненням близько 13 000 кДж енергії.
1. Обмін речовин і енергії в клітині
Постійний обмін речовин із навколишнім середовищем — одна з основних властивостей живих систем. У клітинах безперервно йдуть процеси біосинтезу (асиміляція, або пластичний обмін), тобто за участю ферментів з простих органічних сполук утворюються складні: з амінокислот — білки, із моносахаридів — полісахариди, із нуклеотидів — нуклеїнові кислоти тощо. Усі процеси синтезу йдуть із поглинанням енергії. Приблизно з такою ж швидкістю йде і розщеплювання складних молекул до більш простих з виділенням енергії (дисиміляція, або енергетичний обмін). Завдяки цим процесам зберігається відносна постійність складу клітин. Синтезовані речовини використовуються для побудови клітин та їх органоїдів і заміни витрачених або зруйнованих молекул. При розщеплюванні високомолекулярних з'єднань до більш простих виділяється енергія, необхідна для реакцій біосинтезу.
Сукупність реакцій асиміляції і дисиміляції, яка лежить в основі життєдіяльності й обумовлює зв'язок організму з навколишнім середовищем, називається обміном речовин, або метаболізмом.
Для реакцій обміну характерна висока організованість і впорядкованість. Кожна реакція протікає з участю специфічних білків — ферментів. Вони розташовуються в основному на мембранах органоїдів і в гіалоплазмі клітин у строго певному порядку, що забезпечує необхідну послідовність реакцій. Завдяки ферментним системам реакції обміну йдуть швидко і ефективно в звичайних умовах — при температурі тіла і нормальному тиску.
Пластичний і енергетичний обміни нерозривно пов'язані. Вони є протилежними сторонами єдиного процесу обміну речовин. Реакції біосинтезу потребують витрати енергії, яка відновлюється реакціями енергетичного обміну. Для здійснення реакцій енергетичного обміну необхідний постійний біосинтез ферментів і структур органоїдів, які в процесі життєдіяльності поступово руйнуються.
Процеси асиміляції не завжди знаходяться в рівновазі з процесами дисиміляції. Так, в організмі, що росте, процеси асиміляції переважають над процесами дисиміляції, завдяки чому забезпечується накопичення речовин і зростання організму. При інтенсивній фізичній роботі та в старості переважають процеси дисиміляції. У першому випадку це компенсується посиленим харчуванням, а в другому відбувається поступове виснаження і зрештою загибель організму.
Енергетичний обмін — це сукупність реакцій ферментативного розщеплювання складних органічних сполук, що супроводяться виділенням енергії. Частина енергії розсівається у вигляді тепла, а частина акумулюється в макроергічних зв'язках АТФ і використовується потім для забезпечення різноманітних процесів життєдіяльності клітини: біосинтетичних реакцій, надходження речовин у клітину, проведення імпульсів, скорочень м'язів, виділень секретів тощо.
2. Типи організмів за енергетичними потребами
Для живих організмів, які населяють нашу планету, основним джерелом енергії є сонячне світло, завдяки якому прямо чи опосередковано задовольняються їхні енергетичні потреби.
Всі живі організми поділяються на дві основні категорії, а саме автотрофи і гетеротрофи.
Енергію, яку поглинають з довкілля, автотрофи використовують для забезпечення процесів життєдіяльності та накопичують у вигляді енергії хімічних зв'язків синтезованих сполук. Отже, автотрофи – це організми, які синтезують органічні речовини з неорганічних (всі зелені рослини – водорості, вищі спорові, голонасінні, покритонасінні та деякі бактерії). В свою чергу автотрофи включають у себе фотосинтетиків і хемосинтетиків.
Фототрофи (фотосинтетики) – це тип автотрофів, які для живлення використовують явище фотосинтезу, тобто із неорганічних речовин (СО2 і Н2О) синтезують органічні — крохмаль, інулін за допомогою енергії сонячного світла, при цьому побічним продуктом світлової фази фотосинтезу є кисень, а основні — АТФ і НАДФ (всі зелені рослини).
Хемотрофи (хемосинтетики) — тип автотрофів, які для отримання органічних сполук використовують не енергію сонячного світла, а енергію окиснення інших неорганічних сполук, наприклад нітрифікуючи бактерії, сіркобактерії та залізобактерії.
Інша груп організмів — гетеротрофи живляться готовими органічними речовинами (самі не синтезують собі їжу, як автотрофи) — всі тварини, гриби, деякі бактерії. До гетеротрофів належать сапротрофи і паразити.
Сапротрофи — тип гетеротрофів, який живиться відмерлими рештками, в ланцюгу живлення їх називають редуценти, тобто деструктори мертвої органіки, або простіше кажучи санітари лісу (їжаки, гієни, грунтові черви, деякі комахи).
Паразити — тип гетеротрофів, які не вбивають хазяїна, а довгий час живуть за рахунок нього. Бувають ектопаразити (тобто зовнішні п’явки, кліщ) та ендопаразити, такі як бичачий ціп’як, ехінокок.
Міксотрофи — організми зі змішаним типом живлення (росичка, омела, хламідомонада, евглена зелена). Такі організми здатні не лише синтезувати органічні сполуки з неорганічних, а й поглинати готові органічні речовини.
3. Енергетичний обмін, його етапи
У біологічних системах енергія існує в різних формах, здатних перетворюватись одна в іншу. Живі організми використовують енергію для забезпечення різних процесів життєдіяльності: 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 (свічення деяких мікроорганізмів, комах, глибоководних риб тощо).
Частина енергії, яка виділяється під час розщеплення органічних речовин, розсіюється у вигляді тепла, а частина — запасається у вигляді високоенергетичних хімічних зв'язків певних сполук. Такою універсальною сполукою — накопичувачем енергії в клітинах — слугує аденозинтрифосфатна кислота (АТФ). АТФ розщеплюється під дією особливих ферментів у процесі гідролізу — приєднання води. При цьому відщеплюється молекула фосфорної кислоти, і АТФ перетворюється в АДФ (аденозиндифосфат), а при подальшому відщеплюванні фосфорної кислоти — в АМФ (аденозинмонофосфат). Відщеплювання однієї молекули фосфорної кислоти супроводиться виділенням 40 кДж енергії. Зворотний процес перетворення АМФ в АДФ і АДФ в АТФ відбувається переважно в мітохондріях шляхом приєднання молекул фосфорної кислоти з виділенням води і поглинанням більшої (більше 40 кДж на кожний етап) кількості енергії.
Виділяють три етапи енергетичного обміну: підготовчий, безкисневий (анаеробний) і кисневий (аеробний).
Підготовчий етап протікає в травному тракті тварин і людини або в цитоплазмі клітин всіх живих істот. На цьому етапі великі органічні молекули під дією ферментів розщеплюються на мономери: білки до амінокислот, жири до гліцерину і жирних кислот, крохмаль і глікоген до моносахаридів, нуклеїнові кислоти до нуклеотидів. Розпад речовин на цьому етапі супроводиться виділенням невеликої кількості енергії, що розсівається у вигляді тепла.
Безкисневий (анаеробний) етап енергетичного обміну протікає в цитоплазмі клітин. Мономери, що утворилися на першому етапі, піддаються подальшому багатоступеневому розщеплюванню без участі кисню. Наприклад, при гліколізі (розщеплювання глюкози, що відбувається в тваринних клітинах) одна молекула глюкози розщеплюється на дві молекули піровиноградної кислоти (С3Н403), яка в деяких клітинах, наприклад м'язових, відновлюється до молочної кислоти. При цьому виділяється близько 200 кДж енергії. Частина її (близько 80 кДж) йде на синтез двох молекул АТФ, а інша (близько 120 кДж) розсівається у вигляді тепла.
Сумарне рівняння цієї реакції виглядає наступним чином:
С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 → 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О.
У клітинах рослинних організмів і деяких дріжджевих грибків розпад глюкози йде шляхом спиртного бродіння. При цьому піровиноградна кислота, що утворилася в процесі гліколізу, декарбоксилюється з утворенням оцтового альдегіду, а потім відновлюється до етилового спирту.
Під час безкисневого етапу енергетичного обміну розпад однієї молекули глюкози супроводиться синтезом двох молекул АТФ. У анаеробних організмів (деякі бактерії, внутрішньо-кишкові паразити) цей етап є кінцевим. Гліколіз протікає в деяких тканинах багатоклітинних організмів, здатних функціонувати в анаеробних умовах, наприклад у поперечно-полосатих м'язах під час великих навантажень. При цьому в м'язах нагромаджується молочна кислота, що є однією з причин їх стомлення. Під час відпочинку м'язів вона включається в наступний (кисневий) етап енергетичного обміну. Реакції гліколізу відносно неефективні, оскільки кінцеві продукти містять у собі ще велику кількість енергії.
Кисневий (аеробний) етап енергетичного обміну має місце тільки у організмів аеробів. Він полягає в подальшому окисленні молочної (або піровиноградної) кислоти до кінцевих продуктів — СО2 і Н2О. Цей процес протікає у мітохондріях з участю ферментів і кисню. На перших стадіях кисневого етапу від молочної кислоти поступово відщеплюються протони і електрони, що нагромаджуються по різні сторони внутрішньої мембрани мітохондрії і створюють різницю потенціалів. Коли вона досягає критичного значення, протони, проходячи по спеціальних каналах мембрани, в яких знаходяться синтезуючі АТФ ферменти, віддають свою енергію для приєднання залишку фосфорної кислоти до АМФ або АДФ. Цей процес супроводиться виділенням енергії, достатньої для синтезу 36 молекул АТФ (1440 кДж).
Рівняння кисневого етапу виглядає так:
2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ → 36АТФ + 6СО2 + 42Н2О.
Сумарне рівняння анаеробного і аероба етапів енергетичного обміну виглядає наступним чином:
С6Н12О6 + 38АДФ + 38Н3РО4 + 6О2 → 38АТФ + 6СО2 + 44Н2О.
Таким чином, під час другого і третього етапів енергетичного обміну при розщеплюванні однієї молекули глюкози утворюються 38 молекул АТФ. На це витрачається 1520 кДж (40 кДж х 38), а всього виділяється 2800 кДж енергії. Отже, 55% енергії, що вивільняється при розщеплюванні глюкози, акумулюється клітиною в молекулах АТФ, а 45% розсівається у вигляді тепла. Основну роль у забезпеченні клітин енергією відіграє кисневий етап. Завершується енергетичний обмін виведенням кінцевих продуктів (вуглекислого газу та води) з організму.
4. Фотосинтез та хемосинтез
Хемосинтез — це тип автотрофного живлення, за якого органічні сполуки синтезуються з неорганічних з використанням енергії, що вивільняється внаслідок певних хімічних реакцій. До хемосинтезуючих організмів, або хемотрофів, належать деякі групи бактерій: нітрифікуючі, залізобактерії, безбарвні сіркобактерії та інші. Процес хемосинтезу відкрив 1887 року видатний російський мікробіолог С.М. Виноградський.
Нітрифікуючі бактерії окиснюють аміак спочатку до нітритів (солі нітритної кислоти), а згодом — до нітратів (солі нітратної кислоти). Значення цих процесів важко переоцінити, оскільки нітрати потрібні рослинам для повноцінного живлення. Залізобактерії отримують енергію за рахунок окиснення сполук двовалентного Феруму до тривалентного. А безбарвні сіркобактерії окиснюють сірководень та інші сполуки Сульфуру до сульфатної кислоти.
Хемотрофні організми беруть участь у процесах колообігу хімічних елементів в екосистемах. Перетворення багатьох хімічних елементів у біосфері відбуваються лише за участі хемотрофних організмів, які здатні синтезувати органічні сполуки з неорганічних у тих частинах біосфери, куди не досягає світло.
Фотосинтез — це процес утворення органічних сполук з неорганічних завдяки перетворенню світлової енергії в енергію хімічних зв'язків синтезованих вуглеводів. Більшість автотрофних істот належить до фотосинтезуючих організмів, або фототрофів. В клітинах рослин фотосинтез відбувається в хлоропластах, які містять фотосинтезуючі пігменти — хлорофіли. За своєю структурою вони нагадують гем гемоглобіну, але в них замість Феруму в центрі молекули розміщений атом іншого двовалентного металу — Магнію. До фототрофів належать зелені, пурпурові бактерії, ціанобактерії та рослини.
Фотосинтез ґрунтується на послідовності біохімічних реакцій, пов'язаних з утворенням вуглеводів з неорганічних сполук і виділенням в атмосферу молекулярного кисню (за винятком фотосинтезуючих бактерій).
У процесі фотосинтезу в зелених рослинах і ціанобактеріях беруть участь дві фотосистеми — перша (І) і друга (II). Фотосистемою називають структурну одиницю, що складається з пігментів та інших молекул, які беруть участь у процесах фотосинтезу і містяться у тилакоїдах хлоропластів. Кожна із фотосистем має свій функціональний активний комплекс — реакційний центр, що складається з молекул хлорофілу. У реакційному центрі енергія світла використовується для здійснення подальших біохімічних процесів світлової фази фотосинтезу.
Обидві фотосистеми розділені просторово, але пов'язані між собою механізмами перенесення електронів. У процес фотосинтезу вони включаються послідовно. Фотосинтез відбувається у дві фази — світлову і темнову. Світлову фазу названо так тому, що її реакції перебігають лише на світлі в мембранах тилакоїдів.
Фотосинтез починається з того, що світлову енергію поглинають світлозбиральні пігменти фотосистеми І. Далі вона передається в реакційний центр, де спричиняє збудження молекули хлорофілу. Електрон, якому надана додаткова енергія, електрон-транспортним ланцюгом (утвореним транспортними білками) транспортується на зовнішню поверхню мембрани тилакоїда.
У фотосистемі І «збуджений» електрон може взаємодіяти з протонами Гідрогену особливої органічної сполуки зі скороченою назвою НАДФ2+, відновлюючи її до НАДФ Н. Ця сполука бере участь у реакціях темнової фази фотосинтезу. В іншому випадку «збуджений» електрон, повертаючись на свій попередній енергетичний рівень, може відновлювати фотосистему І, заповнюючи «електронну вакансію», яка там утворилася.
Подібні процеси відбуваються й у фотосистемі II. «Збуджені» електрони від реакційного центру фотосистеми II електрон-транспортним ланцюгом переносяться на вищий енергетичний рівень. Там його сприймає особлива сполука — акцептор електронів. Далі за участі інших акцепторів електрон надходить до реакційного центру фотосистеми І, відновлюючи його. Водночас реакційний центр фотосистеми II відновлюється за рахунок фотолізу води. Унаслідок цього процесу молекула води віддає електрони реакційному центру фотосистеми II. При розщепленні молекули води також утворюються протони (Н+) та молекулярний кисень. Цей кисень зрештою надходить у атмосферу.
Транспорт електронів у світлових реакціях спряжений з перенесенням через мембрану тилакоїдів йонів Гідрогену від зовнішньої поверхні мембрани до внутрішньої. Унаслідок цього на мембрані тилакоїдів зростає різниця електричних потенціалів: на її зовнішній поверхні накопичується негативний електричний заряд, а на внутрішній — позитивний. Крім того, по обидва боки мембрани виникає різниця концентрації йонів Гідрогену.
У мембрані тилакоїдів, подібно внутрішній мембрані мітохондрій, розташована особлива ферментна система, завдяки якій синтезуються молекули АТФ. Це відбувається внаслідок того, що йони Н+ через канал у молекулі ферменту, який забезпечує синтез АТФ, переносяться з внутрішньої поверхні мембрани тилакоїдів на зовнішню. При цьому вони вивільняють певну кількість енергії.
Реакції темнової фази фотосинтезу відбуваються у стромі хлоропластів без участі світла, цілодобово. Вони починаються з того, що особлива сполука (рибульозобіфосфат) фіксує молекулу СО2. У процесі подальших біохімічних перетворень синтезується молекула глюкози або інших моносахаридів.
На всі ці процеси витрачається енергія, що запаслася у хімічних зв'язках АТФ. У реакціях темнової фази використовується і НАДФ · Н. Для перетворення шести молекул СО2 на молекулу глюкози (С6Н1206) витрачається 18 молекул АТФ та 12 молекул НАДФ · Н. Через низку послідовних реакцій за участі специфічних ферментів утворюються глюкоза ті інші моносахариди.
Згодом з них синтезуються полісахариди (наприклад, крохмаль, целюлоза та ін.). Завдяки цьому процесу фотосинтезуючі організми вловлюють світлову енергію Сонця і перетворюють її на енергію хімічних зв'язків синтезованих вуглеводів. Коли організми-гетеротрофи (тварини, гриби тощо) споживають живих автотрофів або їхні рештки, то разом з їжею отримують і запасену в ній енергію. Тож існування біосфери можливе саме завдяки фотосинтезу. Уперше на це звернув увагу видатний російський учений К. А. Тимірязев, обґрунтувавши положення про космічну роль зелених рослин. Зелені рослини і ціанобактерії, вбираючи вуглекислий газ і виділяючи кисень, підтримують сталий газовий склад атмосфери.
Немає коментарів:
Дописати коментар