Розщеплення органічних речовин у живих організмів.Матеріал для учнів 9 класу.

 

Яке значення має розщеплення органічних речовин?

Сукупність процесів, що здійснюють надходження в клітину необхідних для життєдіяльності речовин, називається клітинним живленням (іл. 46). У клітини рослин, ціанобактерій, фото- і хемосинтезуючих бактерій надходять неорганічні сполуки, з яких утворюються прості органічні сполуки, що визначає автотрофне живлення. Внаслідок гетеротрофного живлення клітини багатьох прокаріотів, тварин і грибів отримують прості (амінокислоти, жирні кислоти, моносахариди) або складні (білки, ліпіди й складні вуглеводи) органічні речовини. Є в живій природі ще група організмів, які на світлі живляться за допомогою хлоропластів, а в умовах недостатнього освітлення поглинають крізь пори клітинної стінки низькомолекулярні органічні речовини (наприклад, хламідомонада, діатомові водорості). У них змішане, або міксотрофне, живлення. Живлення клітин відбувається за участі клітинної мембрани, гіалоплазми, хлоропластів, лізосом.

Іл. 46. Одноклітинні організми з різним типом живлення: 1 - мікрастеріас (автотрофне); 2 - інфузорія трубач (гетеротрофне); 3 - хламідомонада (міксотрофне)

Розщеплення простих або складних органічних речовин спрямоване на вивільнення хімічної енергії, що може перетворюватися в інші форми. Слід пам’ятати, що в біологічних системах енергія існує в різних формах: хімічній, електричній, механічній, тепловій і світловій, які здатні перетворюватися одна в одну. Так, хімічна енергія сполук, що розщепилися, використовується для біохімічних реакцій синтезу, перетворюється в механічну енергію руху, електричну енергію нервових імпульсів, теплову енергію для підтримання оптимальної для життя температури, світлову енергію біологічного світіння.

Отже, розщеплення органічних речовин забезпечує вивільнення хімічної енергії з поживних речовин, що надходять у клітини завдяки живленню.

Як відбувається розщеплення органічних сполук у клітинах?

КАТАБОЛІЗМ (від грец. катаболе - скидання донизу, руйнування) - це енергетичний обмін, або сукупність реакцій розщеплення складних сполук до простіших, що супроводжується виділенням енергії. Розділ біохімії, який займається вивченням перетворення і використання енергії у живих клітинах, називається біоенергетикою. Енергетика катаболічних процесів різниться з енергетичними реакціями неживої природи.

Першою особливістю є те, що реакції катаболізму відбуваються за участі ферментів, якими є оксидоредуктази і гідролази. Завдяки їхньому упорядкованому розташуванню на клітинних мембранах чи у відсіках, відокремлених мембранами, реакції катаболізму є високо ефективними. Через це перетворення хімічної енергії в інші форми здійснюється без значних теплових втрат. Так, коефіцієнт корисної дії (ККД) звичайного двигуна становить 20-25 %, а мітохондрій - 60-70 %.

Другою особливістю катаболізму є те, що вивільнення енергії у реакціях розщеплення відбувається поступово, аж до утворення кінцевих продуктів окиснення - води і вуглекислого газу. Наприклад, під час повного розщеплення 1 моль глюкози виділяється близько 2 800 кДж енергії. Вивільнення всієї цієї кількості енергії одразу для клітини означало б миттєву загибель.

Третьою особливістю катаболізму є те, що хімічна енергія, яка вивільняється під час руйнування хімічних зв’язків молекул вуглеводів, ліпідів, білків, акумулюється в молекулах особливої речовини живого - аденозинтрифосфатної кислоти (АТФ) (іл. 47). Акумульована енергія цієї універсальної сполуки є доступною для різних процесів життєдіяльності клітини.

Іл. 47. Структурна формула і масштабна модель молекули АТФ: 1 - залишки ортофосфатної кислоти; 2 - моносахарид рибоза; 3 - азотиста (нітратна) основа аденін

Отже, розщеплення органічних речовин у клітинах відрізняється від хімічних реакцій розкладу і називається КАТАБОЛІЗМОМ.

Які основні шляхи розщеплення органічних речовин?

Поживні органічні речовини, що надходять чи утворюються в клітинах, поділяються на малі біомолекули та макромолекули. Їхня молекулярна маса та просторова структура визначають особливості розщеплення.

Макромолекули розщеплюються в клітинах завдяки гідролізу (від грец. гідро - вода, лізис - розщеплення). Це реакції обмінної взаємодії молекул з водою за участі ферментів-гідролаз. Білки за допомогою протеаз розщеплюються до амінокислот, жири за участі ліпаз - до жирних кислот й гліцерину, вуглеводи за допомогою амілаз - до моносахаридів. При цьому виділяється близько 0,8 % енергії, тобто енергетичний ефект цього етапу незначний, і вся енергія розсіюється у вигляді теплоти. Цей шлях розщеплення відбувається в ділянках цитоплазми з високим вмістом води або в травних вакуолях.

Подальше розщеплення малих молекул поживних речовин відбувається шляхом ферментативних окисно-відновних реакцій, а уся їхня сукупність називається біологічним окисненням. Це реакції перенесення електронів з однієї молекули на інші, що каталізуються оксидоредуктазами. Більшість процесів окиснення в організмі супроводжується відщепленням Гідрогену від органічних речовин. Основними субстратами біологічного окиснення є вуглеводи та жири, саме їхній катаболізм дає найбільшу кількість хімічної енергії. Біологічне окиснення в клітинах може бути безкисневим і кисневим.

Безкисневе розщеплення (анаеробне розщеплення) відбувається в гіалоплазмі й приводить до вивільнення незначної кількості енергії. На цьому етапі органічні сполуки зазнають розщеплення без участі кисню. Відщеплений Гідроген приєднується цілою низкою молекул, внаслідок чого утворюються різноманітні продукти відновлення (наприклад, молочна кислота), які мають значний запас енергії. Безкисневе розщеплення є найпростішою формою утворення енергії в багатьох клітинах. Найважливішими на цьому етапі в клітинах є гліколіз (безкисневе розщеплення моносахаридів), ліполіз (розщеплення запасних жирів й жирних кислот), протеоліз (розщеплення білків й амінокислот), бродіння (розщеплення вуглеводів під дією мікроорганізмів або їх ферментів).

Другий, набагато ефективніший шлях розщеплення органічних речовин, - це кисневе розщеплення (аеробне розщеплення, клітинне дихання). Воно відбувається в матриксі й на кристах мітохондрій за участі кисню; при цьому вивільняється основна частка енергії (понад 90 %). Під час аеробного розщеплення електрони і протони Гідрогену через низку проміжних сполук передаються на молекулярний кисень з утворенням води. Крім того, виділяється СО2, а при розщепленні нітрогеновмісних сполук (амінокислоти, нуклеотиди) ще й амоніак, який у подальшому підлягає знешкодженню.

Отже, розщеплення органічних речовин у клітині здійснюється завдяки гідролізу й біологічному окисненню, що відбуваються шляхом безкисневого і кисневого розщеплення.