Розділ «Тема 16. ОБМІН РЕЧОВИН ТА ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ В КЛІТИНІ»

Загальні уявлення про обмін речовин та перетворення енергії в клітині

Клітина є відкритою системою, яка обмінюється із середовищем речовинами, енергією та інформацією. Цей обмін відбувається за участю поверхневого апарату клітини і є зовнішнім, оскільки зв'язує клітину із зовнішнім для неї середовищем. У самій клітині речовини, енергія та інформація будуть зазнавати перетворень, які об'єднуються поняттям "внутрішній обмін" або "метаболізм". Метаболізм – сукупність процесів, які забезпечують перетворення речовин, енергії та інформації в клітині, що є основою Ті життєдіяльності.

У клітинах одночасно відбуваються процеси енергетичного і пластичного обміну. Вони пов'язані між собою потоком речовин та потоком енергії і здійснюються на основі спадкової інформації клітини. У результаті розщеплення певних речовин (вуглеводів та жирів, які є основним джерелом енергії) звільняється хімічна енергія, що витрачається на поглинання, засвоєння і накопичення хімічних сполук (здебільшого білків, які є основним будівельним матеріалом). Отже, процеси енергетичного і пластичного обміну – це різні сторони єдиного процесу обміну речовин і перетворення енергії в живих клітинах.

Для біохімічних реакцій анаболізму й катаболізму, які складають основу обміну речовин та енергії, характерні певні особливості, що відрізняють їх від реакцій неживої природи. Це, насамперед, висока швидкість перебігу завдяки участі ферментів. Завдяки ферментам енергія, необхідна для проходження реакцій, менша, ніж без їхньої участі. Реакції розщеплеуня складних органічних сполук до простих здійснюються, здебільшого, шляхом гідролізу, тому ферменти, які їх каталізують, називаються гідрологами. Ферменти, які прискорюють перебіг реакцій синтезу, називаються синтетазами. Крім високої швидкості, реакції біосистем мають надзвичайну впорядкованість, організованість, точність, що обумовлено певним упорядкованим розташуванням ферментів на мембранах та наявністю компартментів.

Джерела енергії для організмів. Автотрофні та гетеротрофні організми

Для організмів нашої планети основним джерелом енергії є сонячне світло. Незначною мірою в процесах метаболізму може використовуватися тепло вулканічного походження, енергія з надр земної кори та ін. Енергія потрібна організмам для синтезу власних органічних речовин з неорганічних (автотрофи) або з готових органічних (у гетеротрофів). Одні з них використовують для процесів синтезу енергію світла – це фототрофні організми. Інші організми – хемотрофні – для цього використовують енергію хімічних реакцій. Загалом за характером живлення організми поділяють на такі групи, як автотрофи, гетеротрофи та міксотрофи.

• Автотрофи (від грец. "авто" – сам та "трофос" – їжа, харчування) – організми, які здатні синтезувати власні органічні речовини з неорганічних за рахунок енергії світла (фотоавтотрофи) або енергії хімічних реакцій (хемоавтотрофи). Автотрофи, основні продуценти органічної речовини в біосфері, забезпечують існування решти організмів

• Гетеротрофи (від грец. "гетеро" – різний, інший та "трофос" – їжа, харчування) – організми, які синтезують власні органічні речовини, використовуючи готові органічні сполуки, як джерело вуглецю та енергію світла (фотогетеротрофи) або енергію хімічних реакцій (хемогетеротрофи). Гетеротрофи відомі як консументи, або споживачі, у ланцюгах живлення. Гетеротрофами є тварини, гриби, більшість бактерій та архей, а також деякі паразитичні рослини (петрів хрест, заразиха).

• Міксотрофи (від грец. "міксо" – змішаний та "трофос" – їжа, харчування) – організми, які мають змішаний тип живлення: на світлі – фотосинтезують, а за несприятливих умов переходять на засвоєння органічних сполук. Класичними прикладами міксотрофів є евглена зелена, багато видів діатомових водоростей, бактерії родів Beggiatoa і Thiothrixта ін.

Типи живлення організмів

У біологічних системах енергія існує в різних формах: хімічній, електричній, механічній, тепловій і світловій, які здатні перетворюватися одна в одну. Універсальним джерелом енергії в клітині є АТФ (аденозинтрифосфорна кислота). У макроергічних зв'язках цієї сполуки акумулюється хімічна енергія, яка звільнилася під час перебігу реакцій енергетичного обміну. А вже згодом енергія АТФ використовується для забезпечення в організмі різних процесів: хімічних (для біохімічних реакцій синтезу), механічних (для руху), електричних (для утворення нервових імпульсів), теплових (для теплорегуляції), світлових (для біолюмінісценції) тощо.

БІОЛОГІЯ+ Біолюмінесценція (від грец. біос – життя та лат. люмен – світло) – видиме світіння живих організмів, пов'язане з процесами їхньої життсдіяльності. Ви чи кас в результаті ферментативного окислення білків-люциферинів за допомогою ферменту люциферази. При цьому хімічна енергія перетворюється в енергію світла. Біолюмінсценція дуже поширена в природі і спостерігається серед бактерій, грибів, водоростей і тварин. Світяться ночесвітки і деякі радіолярії, це явище характерне для глибоководних риб, які приваблюють за допомогою світла здобич та використовують його для спілкування (наприклад, у морських вудильників, бархатночеревої акули та ін.), у глибоководних кальмарів, комах (наприклад, у світляків, які світяться в шлюбний період) та ін.

Енергетичний обмін та його етапи

Енергетичний обмін (катаболізм) – це сукупність реакцій розщеплення, які забезпечують розпад складних органічних сполук, що супроводжується вивільненням енергії. За енергетичного обміну частина енергії, яка виділяється лід час розщеплення органічних сполук, розсіюється у вигляді тепла, а частина – запасається у зв'язках АТФ. Енергетичний обмін – це складний і багатоступеневий упорядкований процес. У цілому можна виділити в ньому три етапи утворення енергії: підготовчий, безкисневий і кисневий.

Підготовчий етап розпочинається у травних вакуолях або травному каналі процесами травлення. Під впливом травних ферментів складні органічні сполуки розщеплюються (гідролізуються) до сполук, які може засвоювати організм. При цьому виділяється всього 0,2-0,8 % енергії, тобто енергетичний ефект цього етапу незначний і вся енергія розсіюється у вигляді теплоти.

Безкисневий (анаеробний) етап відбувається в гіалоплазмі і приводить до звільнення невеликої кількості енергії. На цьому етапі прості органічні сполуки, які утворилися на попередньому етапі, зазнають подальшого розщеплення без участі кисню. Безкисневе розщеплення є найпростішою формою утворення енергії в клітинах. Деякі мікроорганізми та безхребетні (наприклад, паразити) не можуть використовувати кисень, тому їм властивий лише анаеробний енергетичний обмін. Більшість організмів для розщеплення органічних сполук використовує кисень, сіле кисневому етапу завжди передує безкисневий. Наважливішим на цьому етапі в клітинах є такий процес, як гліколіз.

Гліколіз – сукупність ферментативних реакцій, які забезпечують безкисневе розщеплення молекул глюкози з утворенням молочної кислоти та АТФ. Цей процес є філогенетично найстарішим, дуже поширеним видом енергетичного обміну, який властивий багатьом анаеробним мікроорганізмам, а також клітинам більшості вищих тварин. При анаеробних умовах існування, при недостатньому вмісті кисню, як це буває в м'язах, які активно скорочуються, кінцевим продуктом гліколізу є молочна кислота (С3Н6O3), яка утворюється з піровиноградної кислоти (С3Н4O3). В аеробних організмів гліколіз здійснюється перед циклом Кребса та дихальним ланцюгом переносу електронів, які разом добувають більшу частину енергії глюкози. За аеробних умов піровиноградна кислота (С3Н4O3) проникає в мітохондрії і включається в реакції перетворень трикарбонових кислот.

Енергетичний ефект гліколізу – 200 кДж (116 кДж – на тепло, 84 кДж – на АТФ): С6Н12O6 + 2АДФ + 2Н3РO4 → 2 С3Н6O3 + 2Н2O + 2АТФ

Таким чином, гліколіз є енергетично малоефективним процесом, лише 35-40% від енергії енергетичного ефекту акумулюється в АТФ. Енергія гліколізу складає лише 5-7% потенційної енергії глюкози. Це пояснюється тим, що, хоча цей процес є окисно-відновним, загальної зміни ступеня окиснення атомів Карбону не відбувається. Незважаючи на низьку ефективність, гліколіз має велике фізіологічне значення. Завдяки йому організми забезпечуються енергією в умовах дефіциту кисню. Навіть у хребетних гліколіз використовується як ефективний спосіб отримання енергії під час коротких періодів інтенсивної напруги, коли перенесення кисню до м'язів недостатнє для підтримки метаболізму. Він допомагає під час коротких періодів інтенсивної напруги і не призначений для тривалого використання. Наприклад, у людей ферментація глюкози до молочної кислоти дає енергію на період від 30 секунд до 2 хвилин. Крім того, проміжні продукти гліколізу використовуються для синтезу складніших сполук.