Обмін речовин та енергії у клітині. §13. Обмін речовин та перетворення енергії в клітині Як відбувається обмін речовин та перетворення енергії

У клітині постійно відбувається обмін речовин та енергії з навколишнім середовищем. Обмін речовин (метаболізм)- основна властивість живих організмів. На клітинному рівні метаболізм включає два процеси: асиміляцію (анаболізм) та дисиміляцію (катаболізм). Ці процеси відбуваються у клітині одночасно.

Асиміляція(Пластичний обмін) - сукупність реакцій біологічного синтезу. З простих речовин, які у клітину ззовні, утворюються речовини, притаманні даної клітини. Синтез речовин у клітині відбувається з використанням енергії, що міститься в молекулах АТФ.

Дисиміляція(Енергетичний обмін) - сукупність реакцій розщеплення речовин. При розщепленні високомолекулярних сполук виділяється енергія, необхідна реакцій біосинтезу.

За типом асиміляції організми можуть бути автотрофними, гетеротрофними та міксотрофними.

Автотрофна асиміляція

Автотрофні організми здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних (СО2 і Н2О). До них відносять зелені рослини та мікроорганізми. Залежно від того, яке джерело енергії використовується автотрофними організмами для синтезу органічних речовин, їх поділяють на дві групи: фототрофи та хемотрофи.

Фотосинтез

Зелені рослини – фототрофи. Для асиміляції використовують енергію, що виділяється при окисленні неорганічних речовин. Зелені рослини мають у хлоропластах хлорофіл. За участю хлорофілу відбувається фотосинтез. Фотосинтез - процес перетворення сонячної енергії на потенційну енергію хімічних зв'язків в органічних речовинах. Фотосинтез складається з двох фаз: світловий та темновий.

Світлова фаза.Під впливом світла молекула хлорофілу, що у гранах хлоропласту, отримує надлишок енергії. Частина цієї енергії йде розщеплення (фотоліз) молекули води.

Іони водню приєднують до себе електрон, перетворюються на вільний атом водню.

Водень Н йде на відновлення переносника НАДФ+ (нікотинамідаденіндінуклеотид фосфат).

НАДФ? Н перетворюється на строму хлоропласту, де бере участь у синтезі вуглеводів.

Іони ВІН -, віддавши електрон, перетворюються на вільні радикали, які взаємодіють один з одним, утворюють воду та вільний кисень.

Інша частина енергії використовується для синтезу АТФ із АДФ.

У світлову фазу фотосинтезу утворюються: 1) багата на енергетичні зв'язки речовина - АТФ; 2) вільний кисень - Про 2; 3) чи відбувається приєднання Н (водню) до переносника, утворюється НАДФ? н.

Реакції світлової фази йдуть без ферментів.

Темнова фаза.У темновій фазі відбувається зв'язування 2 . У реакціях темнової фази беруть участь молекули АТФ та атоми водню, що утворилися в процесі фотолізу та пов'язані з молекулами-переносниками. Реакції цієї фази відбуваються у стромі хлоропластів за участю ферментів.

Отримані в результаті темнової фази фотосинтезу молекули моносахариду - глюкози через ряд ферментативних реакцій перетворюються на полісахариди. Так енергія сонячного світла перетворюється на енергію хімічних зв'язків складних органічних речовин.

Сумарна реакція фотосинтезу:

В результаті фотосинтезу утворюються органічні речовини та кисень атмосфери.

Хемосинтез

Синтез органічних речовин у автотрофних бактерій йде з використанням енергії, що виділяється при хімічних реакціях окислення неорганічних сполук: сірководню, сірки, аміаку, азотистої кислоти. Цей процес називається хемосинтезом.

До групи автотрофів-хемосинтетиків відносять бактерії, що нітрифікують. Одна група бактерій отримує енергію, необхідну для синтезу органічних речовин, внаслідок реакції окиснення аміаку в азотисту кислоту.

Хемосинтезуючі бактерії відіграють важливу роль у кругообігу речовин у природі.

Гетеротрофна асиміляція

Гетеротрофніорганізми будують органічні речовини свого тіла з готових органічних речовин. До гетеротрофів відносять тварин, гриби, деякі бактерії.

Гетеротрофні організми здатні будувати свої специфічні білки, жири, вуглеводи тільки з білків, жирів, вуглеводів.

дів, які вони отримують з їжею. У процесі травлення ці речовини розпадаються до мономерів. З мономерів у клітинах синтезуються речовини, характерні для даного організму. Всі ці реакції йдуть за участю ферментів та з використанням енергії АТФ.

Схема перетворення речовин на гетеротрофному організмі

Міксотрофна асиміляція

Міксотрофніорганізми (наприклад евглена зелена) містять пігмент хлорофіл і тому на світлі можуть бути автотрофів.За відсутності світла вони стають гетеротрофів.

Дисиміляція

За типом дисиміляції організми ділять на аеробніі анаеробні.

В організмі людини, тварин і більшості мікроорганізмів енергія утворюється в результаті реакцій катаболізму при диханніабо бродіння.Ця енергія перетворюється на особливу форму - енергію макроергічних зв'язків молекул АТФ. З використанням енергії АТФ відбувається біосинтез, поділ клітин, скорочення м'язів та інші процеси. Синтез АТФ здійснюється у мітохондріях.

Аеробна дисиміляція

Енергетичний обмін відбувається у 3 етапи. 1-й етап - підготовчий.

На цьому етапі молекули складних речовин (білків, жирів, вуглеводів, нуклеїнових кислот) розпадаються до мономерів. Виділяється невелика кількість енергії, що розсіюється у вигляді тепла. Синтез АТФ немає.

2-й етап - безкисневий (анаеробний).

Безкисневий розпад протікає в цитоплазмі клітин. Мономери, що утворилися першому етапі, розщеплюються без участі кисню, у кілька стадій. Розщеплення відбувається під впливом ферментів з утворенням енергії АТФ. Наприклад, у м'язах (у цитоплазмі клітин) молекула глюкози розпадається на дві молекули молочної кислоти та дві молекули АТФ.

3-й етап - кисневе розщеплення (аеробне дихання).

Всі реакції цієї стадії каталізуються ферментами і проходять за участю кисню в мітохондріях. Речовини, що утворилися на попередньому етапі, окислюються до кінцевих продуктів - СО 2 і Н 2 О.

При цьому виділяється велика кількість енергії.

Цей процес називають клітинним диханням.При окисненні двох молекул молочної кислоти утворюється 36 молекул АТФ. В результаті другого і третього етапів при розщепленні однієї молекули 6 Н 12 Про 6 виділяється 38 молекул АТФ.

Сумарне рівняння:

Анаеробна дисиміляція

Розпад глюкози у анаеробнихбактерій може йти у безкисневих умовах. Цей процес називається бродінням.При бродінні виділяється не вся енергія, яка міститься в речовині, а лише частина її. Інша енергія залишається в хімічних зв'язках в речовині, що утворилася.

При спиртовому бродінні утворюється спирт та дві молекули

АТФ.

Таким чином, при розщепленні глюкози в аеробних умовах виділяється вся енергія і розпад йде до кінцевих продуктів (СО 2 і Н 2 О), а при бродінні виділяється частина енергії та розпад йде до проміжних продуктів реакцій.

Запитання для самоконтролю

1. Що таке обмін речовин?

2. Які процеси містять метаболізм?

3. Що таке асиміляція?

4. Що таке дисиміляція?

5. Якими можуть бути організми на кшталт асиміляції?

6. Які організми належать до автотрофних?

7. Що таке фотосинтез?

8. Які джерела енергії можуть використати автотрофні організми?

9. З яких фаз складається фотосинтез?

10. Що відбувається у світловій стадії фотосинтезу? 11. Що відбувається у темновій стадії фотосинтезу? 12. Що утворюється внаслідок фотосинтезу? 13. Що таке хемосинтез?

14.Яку енергію для синтезу використовують автотрофні бактерії, що нітрифікують?

15. Які організми належать до гетеротрофних? 16. Які речовини для синтезу використовують гетеротрофні організми?

17. Які організми відносять до міксотрофних? 18. Якими можуть бути організми на кшталт дисиміляції? 19.Як відбувається розпад глюкози в аеробному організмі? 20. З яких етапів складається енергетичний обмін? 21.Что відбувається на підготовчому етапі енергетичного обміну?

22.Что відбувається на безкисневому етапі енергетичного обміну?

23.Что відбувається на 3 етапі енергетичного обміну? 24.Як відбувається розпад глюкози в анаеробному організмі? 25. Як називається процес розпаду глюкози в анаеробному організмі?

Ключові слова теми «Обмін речовин та енергії в клітині»

автотрофи

азотиста кислота

азотна кислота

амінокислоти

аміак

анаболізм

анаероби

асиміляція

атмосфера

атом

аероби

бактерії

білки

біосинтез

бродіння

речовини

водень

відновлення

гетеротрофи

гліцерин

глюкоза

грани

гриби

поділ

дисиміляція

дихання

жирні кислоти

жири

надлишок

іони магнію

використання

джерело

катаболізм

колообіг

макроергічні зв'язки метаболізм мікроорганізми міксотрофи мітохондрії молекула АТФ молочна кислота мономери

моносахарид

накопичення

обмін

окислення

переносник

травлення

полісахарид

природа

радикал

рослини

розщеплення

реакція

світлова фаза

властивість

сірка

сірководень синтез

сукупність скорочення м'язів

сонячне світло

спирт

середа

стадія

строма

темна фаза

вуглеводи

ферменти

фотоліз

фотосинтез

фототрофи

хемосинтез

хемотрофи

хлоропласт

хлорофіл

евглена зелена

електрон

Постійний обмін речовин із довкіллям - одне з основних властивостей живих систем. У клітинах безперервно йдуть процеси біосинтезу (асиміляція, або пластичний обмін), тобто за участю ферментів із простих органічних сполук утворюються складні: з амінокислот – білки, з моносахаридів – полісахариди, з нуклеотидів – нуклеїнові кислоти тощо. Усі процеси синтезу йдуть із поглинанням енергії. Приблизно з такою ж швидкістю йде і розщеплення складних молекул до більш простих із виділенням енергії (дисиміляція, або енергетичний обмін). Завдяки цим процесам зберігається відносна сталість складу клітин. Синтезовані речовини використовуються для побудови клітин та їх органоїдів та заміни витрачених чи зруйнованих молекул. При розщепленні високомолекулярних сполук до простих виділяється енергія, необхідна реакцій біосинтезу.

Сукупність реакцій асиміляції та дисиміляції, що лежить в основі життєдіяльності та обумовлює зв'язок організму з навколишнім середовищем, називається обміном речовин, або метаболізмом.

Для реакцій обміну характерна висока організованість та впорядкованість. Кожна реакція протікає за участю специфічних білків – ферментів. Вони розташовуються в основному на мембранах органоїдів та у гіалоплазмі клітин у строго визначеному порядку, що забезпечує необхідну послідовність реакцій. Завдяки ферментним системам реакції обміну йдуть швидко та ефективно у звичайних умовах – при температурі тіла та нормальному тиску.

Пластичний та енергетичний обміни нерозривно пов'язані. Вони є протилежними сторонами єдиного процесу обміну речовин. Реакції біосинтезу потребують витрати енергії, яка відновлюється реакціями енергетичного обміну. Для реакцій енергетичного обміну необхідний постійний біосинтез ферментів і структур органоїдів, які у процесі життєдіяльності поступово руйнуються.

Процеси асиміляції який завжди перебувають у 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, тоді як у другому відбувається поступове виснаження і зрештою загибель організму.

Енергетичний обмін - це сукупність реакцій ферментативного розщеплення складних органічних сполук, що супроводжуються виділенням енергії. Частина енергії розсіюється у вигляді тепла, а частина акумулюється в макроергічних зв'язках АТФ і потім використовується для забезпечення різноманітних процесів життєдіяльності клітини: біосинтетичних реакцій, надходження речовин в клітину, проведення імпульсів, скорочення м'язів, виділень секретів і т.д.

Аденозинтрифосфорна кислота (АТФ, аденозинтрифосфат) є обов'язковим компонентом будь-якої живої клітини. АТФ – мононуклеотид, що складається з азотної основи аденіну, п'яти вуглецевого моносахариду рибозі та трьох залишків фосфорної кислоти, які з'єднані один з одним високоенергетичними (макроергінними) зв'язками. АТФ розщеплюється під впливом спеціальних ферментів у процесі гідролізу - приєднання води. При цьому відщеплюється молекула фосфорної кислоти та АТФ перетворюється на АДФ (аденозиндифосфат), а при подальшому відщеплюванні фосфорної кислоти – на АМФ (аденозинмонофосфат). Відщепленню однієї молекули фосфорної кислоти супроводжується виділенням 40 кДж енергії. Зворотний процес перетворення АМФ на АДФ і АДФ на АТФ відбувається переважно в мітохондріях шляхом приєднання молекул фосфорної кислоти з виділенням води та поглинанням більшої (більше 40 кДж на кожен етап) кількості енергії.

Виділяють три етапи енергетичного обміну: 1) підготовчий, 2) безкисневий та 3) кисневий.

Підготовчий етап протікає в травному тракті тварин і людини або цитоплазмі клітин всіх живих істот. На цьому етапі великі органічні молекули під дією ферментів розщеплюються на мономери: білки до амінокислот, жири до гліцерину та жирних кислот, крохмаль та глікоген до моносахаридів, нуклеїнові кислоти до нуклеотидів. Розпад речовин цьому етапі супроводжується виділенням невеликої кількості енергії, яка розсіюється як тепла.

Безкисневий (анаеробний) етап енергетичного обміну протікає в цитоплазмі клітин. Мономери, що утворилися першому етапі, піддаються подальшому багатоступеневому розщепленню без участі кисню. Наприклад, при гліколізі (розщеплення 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 синтез двох молекул АТФ, іншу (близько 120 кДж) розсіюється як тепла. Сумарне рівняння цієї реакції виглядає так:

З 6 Н 2 0 6 + 2АДФ + 2Н 3 Р0 4 - 2С 3 Н 6 0 3 + 2АТФ + 2Н 2 0.

У клітинах рослинних організмів та деяких дріжджових 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.

Кисневий (аеробний) етап енергетичного обміну має місце лише в організмах аеробів. Він полягає в подальшому окисленні молочної (або піровиноградної кислоти до кінцевих продуктів СО 2 і Н 2 О. Цей процес протікає в мітохондріях за участю ферментів та кисню. На перших стадіях кисневого етапу від молочної кислоти поступово відщеплюються протони та електрони, які накопичуються по-різному 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. синтезу 36 молекул АТФ (1440 кДж).

2С 3 Н 6 0 3 + 60 2 + 36Н 3 Р0 4 + 36АДФ 36АТФ + 6С0 2 + 42Н 2 0.

Сумарне рівняння анаеробного та обміну етапів енергетичного обміну виглядає наступним чином:

З 6 Н 12 0 6 + 38АДФ + 38Н 3 Р0 4 + 60 2 38АТФ + 6С0 2 + 44Н20.

Таким чином, під час другого та третього етапів енергетичного обміну при розщепленні 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 розщепленні глюкози, акумулюється клітиною у молекулах АТФ, а 45 % розсіюється як тепла. Основну роль забезпеченні клітин енергією грає кисневий етап.

Мал. 130. Схема будови АТФ та перетворення її на АДФ, при якому виділяється енергія, накопичена в макроенергетичній сполукі.

Аналогічним чином енергетичний обмін можуть вступати білки і жири. При розщепленні амінокислот крім двоокису вуглецю та води утворюються азотмісткі продукти (аміак, сечовина) виводяться через видільну систему.

Пластичним обміном або асиміляцією, або анаболізмом називається сукупність реакцій біологічного синтезу, при якому з речовин, що надійшли до клітини, утворюються речовини, специфічні для цієї клітини. До пластичного обміну відноситься біосинтез білків, фотосинтез, синтез нуклеїнових кислот, жирів та вуглеводів.

Назва цього виду обміну відбиває його сутність: з речовин, що надходять у клітину ззовні, утворюються речовини, подібні до речовин клітини.

Розглянемо одну з найважливіших форм пластичного обміну – біосинтез білків. Як зазначалося, все різноманіття властивостей білків кінець рахунку визначається їх первинної структурою, тобто. послідовністю амінокислот. Величезна кількість відібраних у процесі еволюції унікальних поєднань амінокислот відтворюється шляхом синтезу нуклеїнових кислот з такою послідовністю азотних основ, що відповідає послідовності білків.

Кожній амінокислоті в поліпептидному ланцюжку відповідає комбінація із трьох нуклеотидів – триплет. Так, амінокислоті цистеїну відповідає триплет АЦА, валіну – ЦАА, лізину – ТТТ тощо.

Мал. 131. Співвідношення послідовності триплетів ДНК, РНК та амінокислот у білковій молекулі.

Генетичний код (триплет та-РНК)

Примітка. Триплет UAA, UAG, UGA не кодують амінокислот, а є стоп-сигналами при зчитуванні.

Таким чином, певні поєднання нуклеотидів та послідовність їх розташування у молекулі ДНК є кодом, який несе інформацію про структуру білка, або генетичним кодом.

Генетичний код різних організмів має загальні властивості.

1. Надмірність. Код включає всілякі поєднання трьох (з чотирьох) азотних основ. Таких поєднань може бути 43 = 64, тоді як кодується лише 20 амінокислот. У результаті деякі амінокислоти кодуються кількома триплетами. Наприклад, амінокислоти аргініну можуть відповідати триплети ГЦА, ГЦГ, ГЦТ, ГЦЦ тощо. Ця надмірність коду має значення для підвищення надійності передачі генетичної інформації. Відомо, що випадкова заміна третього нуклеотиду у цих триплетах не позначиться на структурі білка, синтезується.

2. Специфіка. Немає випадків, коли той самий триплет відповідав би більш ніж одній амінокислоті.

3. Універсальність. Код універсальний для всіх живих організмів – від бактерій до ссавців.

4. Дискретність. Кодові триплет ніколи не перекриваються, тобто транслюються завжди цілком. При зчитуванні інформації з молекули ДНК неможливе використання азотної основи одного триплету у комбінації з основами іншого триплету.

5. У довгій молекулі ДНК, що складається з мільйонів нуклеотидних пар, записано інформацію про послідовність амінокислот у сотнях різних білків. Зрозуміло, що інформація про первинну структуру індивідуальних білків повинна якось розмежовуватися. Справді, існують триплети, функцією яких є ініціація синтезу полінуклеотидного ланцюжка і-РНК: ініціатори та триплети, які припиняють синтез - термінатори. Отже, зазначені трійнят служать «розділовими знаками» генетичного коду.

Для того, щоб синтезувався білок, інформація про послідовність нуклеотидів у його первинній структурі має бути доставлена ​​до рибосом. Цей процес включає два етапи: транскрипцію та трансляцію.

Транскрипція (від лат. transcriptio – переписування) інформації відбувається шляхом синтезу на одному з ланцюгів молекули ДНК одноланцюжкової молекули РНК, послідовність нуклеотидів якої точно відповідає послідовності нуклеотидів матриці – полінуклеотидного ланцюга ДНК. Так утворюється інформаційна (РНК), або матрична РНК (МРНК). Синтез і-РНК здійснюється за допомогою спеціального ферменту – РНК-полімерази.

Мал. 132. Синтез та-РНК (транскрипція). У місці синтезу і-РНК ланцюга ДНК розходяться (розплітаються).

Наступний етап біосинтезу білка – переклад послідовності нуклеотидів у молекулі і-РНК у послідовність амінокислот поліпептидного ланцюжка – трансляція (від лат. translatio – передача). У прокаріотах (бактерій та синьо-зелених водоростей), що не мають оформленого ядра, рибосоми можуть зв'язуватися з новоствореною синтезованою молекулою і-РНК відразу ж після її відділення від ДНК або навіть до повного завершення її синтезу. В еукаріотів і-РНК спочатку повинна бути доставлена ​​через ядерну оболонку в цитоплазму. Перенесення здійснюється спеціальними білками, які утворюють комплекс із молекулою і-РНК. Крім функцій перенесення ці білки захищають і-РНК від дії цитоплазматичних ферментів, що пошкоджують.

Мал. 133. Схема синтезу білка в рибосомі (трансляція): 1 – рибосома; 2 - і-РНК; 3 – т-РНК з амінокислотами; 4 - поліпептидний ланцюг, який синтезується; 5 – готова білкова молекула.

У цитоплазмі однією з кінців і-РНК (а саме на той, з якого починається синтез молекули в ядрі) вступає рибосома і починається синтез поліпептиду.

Мал. 134. Освіта полірибосоми та синтез поліпептиду. Рибосоми функціонують незалежно один від одного. Кожна рибосома, переміщаючись уздовж молекул іРНК, утворює свій поліпептидний ланцюг. Після закінчення трансляції рибосоми розпадаються на субодиниці.

У міру пересування молекулою РНК рибосома транслює триплет за триплетом, послідовно приєднуючи амінокислоти до кінця поліпептидного ланцюга, що росте. Точна відповідність амінокислоти коду триплету і РНК забезпечується т-РНК. Для кожної амінокислоти існує своя т-РНК, один із триплетів якої (антикодон) комплементарний певному триплету (кодону) І-РНК. На іншому кінці молекули т-РНК розташований триплет, здатний зв'язуватися з певною амінокислотою. Кожній амінокислоті відповідає свій фермент, який приєднує її до т-РНК. Таким чином, процес правильного розташування т-РНК і РНК здійснюється рибосомами. Одна рибосома здатна синтезувати повний поліпептидний ланцюг. Проте нерідко однією молекулою і-РНК рухається кілька рибосом. Такі комплекси називаються полірибосомами. Після завершення синтезу поліпептидний ланцюжок відокремлюється від матриці - молекули і-РНК, згортається в спіраль і набуває третинної структури, властивої даному білку. Рибосоми працюють дуже ефективно: протягом 1 з бактеріальною рибосомою утворює поліпептидний ланцюг з 20 амінокислот.

Фотосинтез (від грец. photos - світло і synthesis - з'єднання). За типом харчування, тобто за способом вилучення енергії та джерелами енергії, живі організми поділяються на дві групи – гетеротрофні та автотрофні. Гетеротрофними (від грец. heteros – інший та trophe – їжа, харчування) називаються організми, не здатні синтезувати органічні сполуки з неорганічних, вони використовують у вигляді їжі (джерела енергії) готові органічні сполуки з навколишнього середовища. Перші живі організми на Землі були гетеротрофними. Вони використовували як їжі органічні сполуки «первинного бульйону». В даний час до гетеротрофів відносять більшість бактерій, гриби та тварин (рівно- та багатоклітинні). Деякі рослини повторно набули здатності до гетеротрофного харчування.

Автотрофними (від грец. autos - сам і троф) називаються організми, харчуються (витягують енергію) неорганічними речовинами ґрунту, води, повітря та створюють органічні речовини, які використовуються для побудови їхнього тіла. До автотрофів належать деякі бактерії та всі зелені рослини.

Автотрофні організми використовують різноманітні джерела енергії. Для деяких із них джерелом енергії служить світло, такі організми називаються фототрофами (від фото та троф). Інші використовують енергію, яка звільняється при окислювально-відновних реакціях, і називаються хемотрофами (від грец. chemeia – хімія та троф).

Мал. 135. Схема процесів фотосинтезу.

Зелені рослини є фототроф. За допомогою пігменту хлорофілу міститься в особливих органоїдах - хлоропластах,вони здійснюють фотосинтез - перетворення світлової енергії Сонця на енергію хімічних зв'язків. Відбувається це в такий спосіб. Кванти світла взаємодіють з молекулами хлорофілу, внаслідок чого ці молекули (точніше, їх електрони) переходять у багатший на енергію «збуджений» стан.

Надмірна енергія частини збуджених молекул перетворюється на теплоту або випускається у вигляді світла. Інша її частина передається іонам водню, що завжди знаходяться у водному розчині внаслідок дисоціації води. Атоми водню, що утворилися, неміцно з'єднуються з молекулами - переносниками водню. Іони гідроксилу ВІН - віддають свої електрони іншим молекулам і перетворюються на вільні радикали ВІН. Радикали ВІН взаємодіють один з одним, внаслідок чого утворюється вода та молекулярний кисень за рівнянням:

40Н - 2Н 2 0+0 2

Отже, джерелом вільного кисню, що виділяється в атмосферу, є вода. Сукупність реакцій, які призводять до розкладання води під впливом світла, зветься фотолізу. Крім фотолізу води, енергія збуджених світлом електронів хлорофілу використовується для синтезу АТФ з АДФ і фосфату без участі кисню. Це дуже ефективний процес: у хлоропластах утворюються у ЗО разів більше молекул АТФ, ніж у мітохондріях тих самих рослин у результаті окисних процесів за участю кисню.

Сукупність описаних вище реакцій може відбуватися тільки на світлі та називається світловою або світлозалежною фазою фотосинтезу.

Накопичена в результаті світлозалежних реакцій енергія та атоми водню, що утворилися при фотолізі води, використовується для синтезу вуглеводів із С02:

6С0 2 +24Н - З 6 Н 12 0 6 +6Н 2 0.

При скріпленні неорганічного вуглецю (СО 2) та синтезі органічних вуглемістких сполук не потрібна пряма участь світла. Ці реакції називаються темновими, які сукупність - темною фазою фотосинтезу.

Не всі клітини зеленої рослини є автотрофними. Не містять хлоропласти та не здатні до фотосинтезу клітини кореня, пелюсток квіток, камбію тощо.

У зелених рослинах донором водню, що бере участь у фотосинтетичних реакціях, служить вода. Саме тому утворюється вільний кисень, який надходить до атмосфери. Однак коли на початкових етапах еволюції організми прокаріотичні набували здатності використовувати для біосинтезу енергію світла, донором водню для них служили такі речовини, як органічні сполуки (кислоти, спирти, цукри), H,S або молекулярний водень. Сьогодні існують і широко поширені реліктові прокаріотичні організми – пурпурні та зелені бактерії, у яких фотосинтез протікає без виділення В2.

Інша група автотрофних організмів – бактерії, хемосинтезують, або є хемотрофами. Для біосинтезу використовують енергію хімічних реакцій неорганічних сполук. Такі бактерії здатні окислювати іони амонію, нітриту, сульфіду, сульфіту двовалентного заліза, елементарну сірку, молекулярний водень і С. Так, різні групи бактерій нітрифікуючих послідовно окислюють аміак до нітриту, а потім з нітриту утворюють нітрат.

Діяльність усіх цих бактерій – нітрифікуюча, окислююча залізо та сірку та переводячи тим самим нерозчинні мінерали у легко розчинні сульфати важких металів та ін. – відіграє важливу роль у кругообміні речовин у природі.

Значення фотосинтезу величезне. Це головний процес, який протікає у біосфері. Енергія Сонця акумулюється у хімічних зв'язках органічних сполук, які йдуть на харчування всіх гетеротрофів. При цьому атмосфера збагачується киснем та очищається від надлишку двоокису вуглецю.

Згадайте з підручника «Людина та її здоров'я» що таке обмін речовин та перетворення енергії в організмі. Із яких двох протилежних процесів він складається? Під впливом яких речовин відбувається розщеплення поживних речовин, у організмі?

Основою життєдіяльності клітини та організму є обмін речовин та перетворення енергії. Обмін її суспільств і перетворення енергії - сукупність всіх реакцій розпаду і синтезу, які у клітині чи всьому організмі, що з виділенням чи поглинанням енергії. Обмін речовин та перетворення енергії складається з двох взаємопов'язаних, але протилежних процесів – асиміляції та дисиміляції (рис. 53).

Мал. 53. Схема взаємозв'язків обміну речовин та перетворення енергії в клітині

Дві сторони обміну речовин та перетворення енергії. Дисиміляція (від лат. дисиміляція - руйнування, виділення) - це сукупність реакцій розпаду та окислення в живому високомолекулярних органічних речовин до низькомолекулярних органічних та неорганічних. У процесі дисиміляції відбувається звільнення енергії, укладеної у хімічних зв'язках органічних молекул та запасання її у вигляді АТФ.

Дисиміляційні процеси – це дихання, бродіння, гліколіз. Основні кінцеві продукти при цьому - вода, вуглекислий газ, аміак, сечовина та молочна кислота.

Асиміляція (від латів асиміляцій - засвоєння) - це сукупність реакцій синтезу високомолекулярних органічних речовин з низькомолекулярних органічних або неорганічних. У процесі асиміляції відбувається поглинання енергії, що утворюється внаслідок розпаду АТФ. Так, органічні речовини, наприклад, вуглеводи, синтезуються в рослинних клітинах з вуглекислого газу, води та мінеральних солей.

Отже, основна речовина, яка забезпечує всі обмінні процеси у клітині – це АТФ. У процесі дисиміляції відбуваються синтез молекул АТФ та запасання в них енергії. У процесі асиміляції молекули АТФ розпадаються і енергія, що при цьому виділяється, витрачається на синтез органічних речовин. Усі реакції обміну речовин перетворення енергії у клітині ферментативні - т. е. йдуть у присутності ферментів.

Типи обміну речовин.Єдине джерело енергії на Землі – це Сонце. Завдяки сонячній енергії відбувається первинний синтез органічних речовин із неорганічних - фотосинтез. Енергія Сонця акумулюється у синтезованих органічних речовинах, перетворюючись на енергію хімічних зв'язків. У процесі харчування організми розщеплюють органічні речовини, а енергія, що виділяється при цьому, запасається в молекулах АТФ. Надалі вона використовується у реакціях асиміляції.

За способом отримання енергії та синтезу органічних речовин усі організми ділять на автотрофні та гетеротрофні (рис. 54). Автотрофні організми, або автотрофи (від грец. аутос – сам і трофо – їжа, харчування) синтезують органічні речовини з неорганічних. До автотрофів відносять усі зелені рослини та ціанобактерії. Автотрофно харчуються і хемосинтезуючі бактерії, що використовують енергію, що виділяється при окисленні неорганічних речовин, наприклад, сірки, заліза, азоту.

Мал. 54. Потік речовин та перетворення енергії в біосфері Землі

Гетеротрофні організми, або гетеротрофи (від грец. Гетерос – інший та трофо – їжа, харчування) використовують тільки готові органічні речовини. Джерелом енергії їм служить енергія, запасена в органічних речовинах, одержуваних з їжею і що виділяється за її розпаду і окисленні. До гетеротрофів відносять усі тварини, гриби та більшість бактерій. При гетеротрофному харчуванні організм поглинає органічні речовини в готовому вигляді та перетворює їх на власні поживні речовини.

Процеси дисиміляції в організмів також різняться. Аеробним організмам, або аеробам (від грец. Аер – повітря та біос – життя) для життєдіяльності необхідний кисень. Дихання їм є головною формою дисиміляції. Багаті на енергію органічні речовини в присутності кисню повністю окислюються до енергетично бідних неорганічних речовин - вуглекислого газу та води.

Анаеробним організмам, або анаеробам (від грец. а, ан - негативна частка) кисень не потрібен: процеси їх життєдіяльності можуть протікати в безкисневому середовищі. Органічні речовини у разі розщеплюються в повному обсязі. Тому продукти їхньої життєдіяльності можуть використовувати інші організми. Наприклад, всі молочнокислі продукти є результатом життєдіяльності анаеробних молочнокислих бактерій.

Запитання 1. Що таке дисиміляція? Перерахуйте її етапи.
Дисиміляція, або енергетичний обмін, - це сукупність реакцій розщеплення високомолекулярних сполук, що супроводжуються виділенням та запасанням енергії. Дисиміляція у аеробних (кисневих) організмів відбувається в три етапи:
підготовчий – розщеплення високомолекулярних сполук до низькомолекулярних без запасання енергії;
безкисневий – часткове безкисневе розщеплення сполук, енергія запасається у вигляді АТФ; кисневий - остаточне розщеплення органічних речовин до вуглекислого газу та води, енергія також запасається у вигляді АТФ.
Дисиміляція у анаеробних (які не використовують кисень) організмів відбувається у два етапи: підготовчий та безкисневий. У разі органічні речовини розщеплюються в повному обсязі та енергії запасається набагато менше.

Запитання 2. У чому полягає роль АТФ в обміні речовин у клітині?
Аденозинтрифосфорна кислота (АТФ) складається з азотистої основи - аденіну, цукру - рибози та трьох залишків фосфорної кислоти. Молекула АТФ дуже нестійка і здатна відщеплювати одну або дві молекули фосфату з виділенням великої кількості енергії, що витрачається на забезпечення всіх життєвих функцій клітини (біосинтез, трансмембранне перенесення, рух, утворення електричного імпульсу та ін.). Зв'язки у молекулі АТФ називають макроергічні.
Відщеплення кінцевого фосфату від молекули АТФ супроводжується виділенням 40 кДж енергії. При цьому АТФ перетворюється на АДФ. Якщо відбудеться відщеплення другого залишку фофорної кислоти, АДФ перетвориться на АМФ. Усі процеси у живих організмах, потребують витрат енергії, супроводжуються перетворенням молекул АТФ на АДФ (чи навіть у АМФ).
Синтез АТФ відбувається у мітохондріях.

Питання 3. Які структури клітин здійснюють синтез АТФ?
В еукаріотичних клітинах синтез основної маси АТФ з АДФ та фосфорної кислоти відбувається в мітохондріях та супроводжується поглинанням (запасанням) енергії. У пластидах АТФ утворюється як проміжний продукт світлової стадії фотосинтезу.

Питання 4. Розкажіть про енергетичний обмін у клітині з прикладу розщеплення глюкози.
Енергетичний обмін зазвичай поділяють на три етапи. Перший етап – підготовчий, званий також травленням. Здійснюється він переважно поза клітин під впливом ферментів, секретируемых в порожнину травного тракту. На цьому етапі великі молекули полімерів розпадаються на мономери: білки – на амінокислоти, полісахариди – на прості цукру, жири – на жирні кислоти та гліцерин. При цьому виділяється невелика кількість енергії, яка розсіюється і у вигляді теплоти.
Безкисневий. В результаті гліколізу одна молекула глюкози розщеплюється до двох молекул піровиноградної кислоти:
З 6 Н 12 Про 6<----->2С 3 Н 4 0 3 .
Розпад однієї молекули глюкози супроводжується утворенням двох молекул АТФ. При цьому 60% енергії, що виділилася, перетворюється на тепло, а 40% запасається у вигляді АТФ. При розпаді однієї молекули глюкози утворюється 2 молекули АТФ. Потім у анаеробних організмів відбувається бродіння - спиртове (З 2 НС 5 ОН - етиловий спирт) або молочнокисле (З 3 Н 4 0 3 - молочна кислота). У аеробних організмів настає третій етап енергетичного обміну.
Кисневий. Цей етап катаболізму потребує присутності молекулярного кисню і називається диханням. Розвиток клітинного дихання у аеробних мікроорганізмів і клітинах еукаріот стало можливим лише після того, як у результаті фотосинтезу в атмосфері Землі з'явився молекулярний кисень. Додавання до каталітичного процесу стадії, що здійснюється у присутності кисню, забезпечує клітини потужним та ефективним шляхом вилучення з молекул поживних речовин та енергії.
Реакції кисневого розщеплення, чи окислювального катаболізму, протікають у спеціальних органоїдах клітини - мітохондріях, куди надходять молекули піровиноградної кислоти. Після цілого ряду припинень утворюються кінцеві продукти - 2 і Н 2 Про які потім дифундують з клітини. Сумарне рівняння аеробного дихання виглядає так:
З 6 Н 12 О 6 + 6О 2 + 36Н 3 РО 4 + 36АДФ<----->6СО 2 + 6Н 2 Про + 36АТФ.
Таким чином, при окисненні двох молекул молочної кислоти утворюються 36 молекул АТФ. Усього під час другого та третього етапів енергетичного обміну при розщепленні однієї молекули глюкози утворюються 38 молекул АТФ. Отже, основну роль забезпеченні клітини енергією грає аеробне дихання.

Будь-яка властивість живого і будь-який прояв життя пов'язаний з певними хімічними реакціями в клітині. Ці реакції йдуть або з витратою або зі звільненням енергії. Вся сукупність процесів перетворення речовин у клітині, а також в організмі називається метаболізмом.

Анаболізм

Клітина в процесі життя підтримує сталість свого внутрішнього середовища, яке називається гомеостазом. Для цього вона синтезує речовини відповідно до своєї генетичної інформації.

Мал. 1. Схема метаболізму.

Ця частина метаболізму, за якої створюються характерні для цієї клітини високомолекулярні сполуки, називається пластичним обміном (асиміляцією, анаболізмом).

До реакцій анаболізму належить:

• синтез білків із амінокислот;
• утворення крохмалю із глюкози;
• фотосинтез;
• синтез жирів з гліцерину та жирних кислот.

Ці реакції можливі лише за витратах енергії. Якщо фотосинтезу витрачається зовнішня (світлова) енергія, то інших - ресурси клітини.

ТОП-4 статтіякі читають разом з цією

Кількість енергії, що витрачається на асиміляцію, більша, ніж запасається в хімічних зв'язках, тому що частина її використовується на регуляцію процесу.

Катаболізм

Інша сторона обміну речовин та перетворення енергії в клітині – енергетичний обмін (дисиміляція, катаболізм).

Реакції катаболізму супроводжуються виділенням енергії.
До цього процесу належать:

• дихання;
• розпад полісахаридів на моносахариди;
• розкладання жирів на жирні кислоти та гліцерин, та інші реакції.

Мал. 2. Процеси катаболізму у клітині.

Взаємозв'язок процесів обміну

Всі процеси в клітині тісно пов'язані між собою, а також із процесами в інших клітинах та органах. Перетворення органічних речовин залежить від наявності неорганічних кислот, макро- і мікроелементів.

Процеси катаболізму та анаболізму йдуть у клітині одночасно і є двома протилежними складовими метаболізму.

Обмінні процеси пов'язані з певними структурами клітини:

• дихання- з мітохондріями;
• синтез білків- з рибосомами;
• фотосинтез- із хлоропластами.

Для клітин характерні не окремі хімічні процеси, а закономірний порядок, у якому вони здійснюються. Регуляторами обміну є білки-ферменти, які спрямовують реакції та змінюють їхню інтенсивність.

АТФ

Особливу роль метаболізмі грає аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Вона є компактним хімічним акумулятором енергії, який використовується для реакцій синтезу.

Мал. 3. Схема будови АТФ та перетворення її на АДФ.

За рахунок своєї нестійкості АТФ утворює молекули АДФ та АМФ (ді- та монофосфат) з виділенням великої кількості енергії для процесів асиміляції.