І ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ В КЛІТИНІ

Обмін речовин — загальна властивість, характерна для всіх живих організмів.

Загальнобіологічна суть обміну речовин як специфічної властивості живої матерії полягає в тому, що всі живі організми вилучають з навколишнього середовища різні органічні і неорганічні сполуки та хімічні елементи, вико­ристовують їх у своїй життєдіяльності і виділяють у зовнішнє середовище кінцеві продукти обміну у вигляді про­стіших органічних і неорганічних сполук. Обмін речовин можна схарактеризувати як комплекс біохімічних і фізіо­логічних процесів, які забезпечують життєдіяльність організмів у тісному взаємозв'язку з навколишнім середовищем. Комплекс фізіологічних процесів, що вивчається на рівні цілісного вищого організму, охоплює акти дихан­ня, живлення, травлення, всмоктування, а також виділен­ня продуктів обміну органами і системами (шкіра, легені, видільна система, травний апарат).

Пластичний і енергетичний обмін. Біохімічні процеси, які вивчаються на рівні тканин і клітин, охоплюють хімічні перетворення і видозміни структур білків, жирів і вуглеводів, що надходять в організм у вигляді їжі. Всі ці про­цеси відбуваються за участю великої кількості ферментів, які забезпечують певну послідовність обмінних реакцій у часі, місце і швидкість перебігу їх. Одночасно з процесом розкладання складних органічних сполук на простіші у клітині відбуваються також процеси синтезу складних органічних сполук (біологічний синтез, або біосинтез). Цим терміном позначають усі біохімічні процеси, які відбуваються в живих організмах і супроводжуються ут­воренням із простих, низькомолекулярних речовин склад­них високомолекулярних сполук (нуклеїнових кислот, білків, полісахаридів). Основні хімічні сполуки (амінокис­лоти, нуклеотиди тощо) синтезуються в клітині із глюко­зи та аміаку в результаті перебігу кількох сотень послідов­них хімічних реакцій. Кожний етап у цій послідовності реакцій здійснюється специфічним ферментом. Отже, глю­коза — це джерело енергії в клітині й основна хімічна сполука для синтезу найважливіших органічних речовин. Процеси розщеплення і синтезу в клітині узгоджені так, що близько половини вуглецевих атомів входить до скла­ду різних хімічних сполук, а решта окиснюеться до вугле­кислого газу.

Сукупність усіх реакцій біосинтезу прийнято називати асиміляцією (анаболізмом) (лат. assimilatio — уподібнен­ня), або пластичним обміном. Усі реакції пластичного обміну відбуваються з поглинанням енергії (ендотерміч­ні). Протилежний процес — розщеплення й окиснення ор­ганічних сполук у клітині — має назву дисиміляції (ка­таболізму) (лат. dissimilatio — робити несхожим), або енер­гетичного обміну. Всі реакції енергетичного обміну відбу­ваються з виділенням енергії (екзотермічні).

Реакції, які відбуваються під час асиміляції і дисимі­ляції, хоча й протилежні, однак у живих організмах тісно взаємозв'язані і невіддільні одні від одних. Вони станов­лять дві сторони єдиного процесу обміну речовин.

Обмін речовин І енергії в клітині (сукупність пластично­го та енергетичного обмінів) — це основна умова підтриман­ня життя клітини, основа її функціонування й розвитку.

Етапи енергетичного обміну. Для життєдіяльності клітини, її функціонування, росту, розмноження, синтезу органічних сполук необхідна енергія. Основним джере­лом отримання енергії клітиною є глюкоза. Якщо у кліти­ну потрапляє не глюкоза, а якийсь інший вуглевод, то він перетворюється на глюкозу або на одну із проміжних спо­лук, які утворюються в процесі розщеплення глюкози, а далі ці речовини розщеплюються подібно до глюкози. У цьому процесі високомолекулярні органічні сполуки пе­ретворюються на прості органічні і неорганічні. Процес енергетичного обміну дуже складний. Схематично він може бути зведений до двох етапів.

Як відомо, в процесі травлення складні органічні сполу-розщеплюються в травному каналі на простіші:— на гліцерин і жирні кислоти, полісахариди — на моносахариди, білки — на амінокислоти. Всмоктуючись, вони надходять до внутрішнього середовища організму. Цей процес іноді розглядають як підготовчий етап енерге­тичного обміну речовин в організмі. Він супроводжується виділенням дорівняно невеликої кількості енергії, яка розсіюється у вигляді теплоти.

На першому етапі енергетичного обміну речовини, які утворилися під час підготовчого етапу, включаються в по­дальший процес розщеплення без участі кисню. Це склад­ний, багатоступінчастий процес, який відбувається на внут­рішньоклітинних мембранах, де є відповідні ферменти. Речо­вини переміщуються по цих ферментах, як по конвеєру. Роз­глянемо це на прикладі розщеплення глюкози, яке має спе­ціальну назву — гліколіз. У процесі гліколізу кисень участі не бере, тому його називають без кисневим розщепленням. Реакція гліколізу в клітині відбувається за участю фосфор­ної кислоти та АДФ. Сумарне рівняння має такий вигляд:

 

С_вНі₂0₆ + 2Н₃РО₄ + 2АДФ -» 2С₈Н_вО₃ +

+ 2АТФ + 2Н₂О + 200 кДж.

 

80 кДж (акумулюється 120 кДж (розсіюється

в АТФ) у вигляді теплоти)

Але видно з рівняння, в процесі гліколізу в АТФ акумулюється близько 40 % енергії (80 кДж із 200). Процес гліколізу відбу­вається у клітинах тваринних організмів, молочнокислих бак­терій, а також у деяких грибів. У клітинах більшості рослин без кисневе розщеплення речовин відбувається шляхом спир­тового бродіння. Багато стадій цього процесу аналогічні гліко­лізу, але кінцевими продуктами його замість молочної кисло­ти є вуглекислий газ і етиловий спирт (С₂Н₅ОН).

Другий етап енергетичного обміну — повне, або кисне­ве, розщеплення. Основною умовою етапу є надходження в клітину достатньої кількості кисню. Як і гліколіз, кисне­ве розщеплення — це низка послідовних реакцій, кожну з яких каналізує певний фермент. Усі ці процеси відбува­ються на мембранах мітохондрій. Проміжні реакції роз­щеплення молочної кислоти до кінцевих продуктів (СО₂ і Н₂О) відбуваються з виділенням енергії. Поступовість кисневого розщеплення і виділення енергії надзвичайно важлива для акумулювання енергії в АТФ. У цьому про­цесі також беруть участь фосфорна кислота та АДФ.

Сумарне рівняння кисневого розщеплення можна запи-ги так:

Отже, на другому етапі енергетичного обміну в АТФ акумулюється близько 55 % виділеної енергії (1440 кДж із 2600).

Порівняння без кисневого і кисневого етапів дає змогу побачити, що останній значно ефективніший. Кількість виділеної й акумульованої енергії значно більша, ніж у разі без кисневого розщеплення. Обидва ці процеси роз­щеплення зумовлюють акумуляцію 1520 кДж енергії, яка зосереджується в 38 молекулах АТФ.

Приклад розв'язування задач із цього розділу див. у додатку.

Синтезована в мітохондріях (або хлоропластах) АТФ по каналах ендоплазматичної сітки надходить у рибосоми та інші ділянки клітини. Там АТФ перетворюється на АДФ, віддаючи акумульовану енергію на синтез білків, ліпідів, вуглеводів, ДНК, скорочення м'язів, поділ клітин та інші потреби організму. Цим самим АТФ здійснює функцію транспорту енергії в організмі. Цей процес можна про­ілюструвати такою схемою:

Автотрофні та гетеротрофні організми. В процесі істо­ричного розвитку (філогенезу) у кожного виду живих організмів виробився власний, особливий тип обміну речо­вин. За характером живлення і використання енергії в про­цесі обміну речовин усі організми поділяють на дві групи. 42

Організми першої групи — автотрофи (гр. autos

caм , trophe — живити) — здатні синтезувати органічні ре­човини з неорганічного вуглецю (СО₂), використовуючи для нього енергію Сонця (фото синтезуючі організми) або енер­гію екзотермічних реакцій окиснення неорганічних речо­вин (хемосинтезуючі). До фото синтезуючих автотрофів належать усі зелені рослини, тобто організми, які містять хлорофіл. До хемосинтезуючих автотрофів належить невелика кількість видів бактерій (наприклад, нітрифікуючи бактерії, залізо і сіркобактерії; див, "Бактерії").

Друга група — гетеротрофи — для синтезу власних органічних сполук використовують вуглець у формі інших органічних сполук, які для них є як джерелом енергії, так і будівельним матеріалом. До таких організмів належать усі тварини, гриби, більшість бактерій та деякі рослини. Якщо гетеротрофи отримують готові органічні речовини від живих організмів, то їх вважають хижаками або пара­зитами, а якщо вони використовують речовини відмерлих організмів, — то сапрофітами. До гетеротрофних відно­сять і організми, які живляться за рахунок інших, але не паразитують на них, а перебувають з ними у взаємовигід­них відносинах (мутуалізм).

Фотосинтез, його світлова і темнова стадії. Фотосин­тезом називають процес синтезу органічних сполук з неорганічних (СО₂ та Н₂О), який відбувається з використан­ням променистої енергії Сонця за участю хлорофілу.

Цей складний і багатоступінчастий процес (мал. 9) роз­починається з поглинання квантів світла молекулою хлорофілу. Зелений колір його зумовлений поглинанням пе­реважно червоних і фіолетових променів сонячного спек­тра. З моменту поглинання сонячного світла хлорофілом розпочинається світлова стадія фотосинтезу.

 

 

АТФ

Світлова стадія Темнова стадія