Обмін речовин і енергії в клітині
ОБМІН РЕЧОВИН І ЕНЕРГІЇ В КЛЕТКЕ
У клітці постійно відбувається обмін речовин і енергії з навколишнім середовищем. Обмін речовин (метаболізм) - основне свой- ство живих організмів. На клітинному рівні метаболізм включає два процеси: асиміляцію (анаболізм) і дисиміляцію (катаболізм). Ці процеси відбуваються в клітині одночасно.
Асиміляція (пластичний обмін) - сукупність реакцій біо- логічного синтезу. З простих речовин, що надходять в клітину ззовні, утворюються речовини, характерні для даної клітини. Синтез речовин в клітині відбувається з використанням енергії, укладеної в молекулах АТФ.
Дисиміляція (енергетичний обмін) - сукупність реакцій розщеплення речовин. При розщепленні високомолекулярних сполук виділяється енергія, необхідна для реакцій біосинтезу.
За типом асиміляції організми можуть бути автотрофними, гетеротрофних і міксотрофними.
Автотрофні організми здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних (СО2 і Н2 О). До них відносять зелені рослини і мікроорганізми. Залежно від того, яке джерело енергії використовується автотрофними організмами для синтезу органічних речовин, їх ділять на дві групи: фототрофи і хемотрофи.
Зелені рослини - фототрофи. Для асиміляції вони використовують енергію, що виділяється при окисленні неорганічних речовин. Зелені рослини мають в хлоропластах хлорофіл. За участю хлорофілу відбувається фотосинтез. Фотосинтез - процес перетворення сонячної енергії в потенційну енергію хімічних зв'язків в органічних речовинах. Фотосинтез складається з двох фаз: світлової та темнової.
Світлова фаза. Під дією світла молекула хлорофілу, що знаходиться в гранах хлоропласта, отримує надлишок енергії. Частина цієї енергії йде на розщеплення (фотоліз) молекули води.
Іони водню приєднують до себе електрон, перетворюються у вільний атом водню.
Водень Н йде на відновлення переносника НАДФ + (никотинамидадениндинуклеотид фосфат).
НАДФ. Н переходить в строму хлоропласта, де бере участь в синтезі вуглеводів.
Іони ОН -. віддавши електрон, перетворюються в вільні радикали, які взаємодіють один з одним, утворюють воду і вільний кисень.
Інша частина енергії використовується для синтезу АТФ з АДФ.
У світлову фазу фотосинтезу утворюються: 1) багате енергетичними зв'язками речовина - АТФ; 2) вільний кисень - О2; 3) відбувається приєднання Н (водню) до переносники, утворюється НАДФ. Н.
Реакції світлової фази йдуть без участі ферментів.
Темнова фаза. У темновой фазі відбувається зв'язування СО2. У реакціях темновой фази беруть участь молекули АТФ і атоми водню, що утворилися в процесі фотолізу і пов'язані з молекулами-переносниками. Реакції цієї фази відбуваються в стромі хлоропластів за участю ферментів.
Отримані в результаті темновой фази фотосинтезу молекули моносахариду - глюкози через ряд ферментативних реак- ций перетворюються в полісахариди. Так енергія сонячного світла перетворюється в енергію хімічних зв'язків складних органічних речовин.
Сумарна реакція фотосинтезу:
В результаті фотосинтезу утворюються органічні речовини і кисень атмосфери.
Синтез органічних речовин у автотрофних бактерій йде з використанням енергії, що виділяється при хімічних реакціях окислення неорганічних сполук: сірководню, сірки, аміаку, азотної кислоти. Цей процес називається хемосинтезом.
До групи автотрофов-хемосинтетиков відносять нитрифицирующие бактерії. Одна група бактерій отримує енергію, необ- ходимо для синтезу органічних речовин, в результаті реакції окислення аміаку в азотної кислоти.
Хемосинтезирующие бактерії відіграють важливу роль у кругообігу речовин в природі.
Гетеротрофні організми будують органічні речовини свого тіла з уже наявних готових органічних речовин. До гетеротрофам відносять тварин, гриби, деяких бактерій.
Гетеротрофні організми здатні будувати свої специфічні білки, жири, вуглеводи тільки з білків, жирів, углево-
дов, які вони отримують з їжею. У процесі травлення ці речовини розпадаються до мономерів. З мономерів в клітинах синтезуються речовини, характерні для даного організму. Всі ці реакції йдуть за участю ферментів і з використанням енергії АТФ.
Схема перетворення речовин в гетеротрофних організмів
Міксотрофное організми (наприклад Евглена зелена) містять пігмент хлорофіл і тому на світлі можуть бути автотрофами. При відсутності світла вони стають гетеротрофами.
За типом дисиміляції організми ділять на аеробні та анаеробні.
В організмі людини, тварин і більшості мікроорганізмів енергія утворюється в результаті реакцій катаболізму при диханні або бродінні. Ця енергія переходить в особливу форму - енергію макроергічних зв'язків молекул АТФ. З використанням енергії АТФ відбувається біосинтез, поділ клітин, скорочення м'язів і інші процеси. Синтез АТФ здійснюється в мітохондріях.
Енергетичний обмін проходить в 3 етапи. 1-й етап - підготовчий.
На цьому етапі молекули складних речовин (білків, жирів, вуглеводів, нуклеїнових кислот) розпадаються до мономерів. Виділяється невелика кількість енергії, яка розсіюється у вигляді тепла. Синтез АТФ не відбувається.
2-й етап - безкисневому (анаеробний).
Безкисневий розпад протікає в цитоплазмі клітин. Мономери, що утворилися на першому етапі, розщеплюються без участі кисню, в кілька стадій. Розщеплення відбувається під дією ферментів з утворенням енергії АТФ. Наприклад, в м'язах (в цитоплазмі клітин) молекула глюкози розпадається на дві молекули молочної кислоти і дві молекули АТФ.
3-й етап - кисневе розщеплення (аеробне дихання).
Всі реакції цієї стадії катализируются ферментами і проходять за участю кисню в мітохондріях. Речовини, образо- вавшего в попередньому етапі, окислюються до кінцевих продуктів - СО2 і Н2 О.
При цьому виділяється велика кількість енергії.
Даний процес називають клітинним диханням. При окисленні двох молекул молочної кислоти утворюється 36 молекул АТФ. В результаті другого і третього етапів при розщепленні однієї молекули С6 Н12 ПРО6 виділяється 38 молекул АТФ.
Розпад глюкози у анаеробних бактерій може йти в безкисневих умовах. Цей процес називається бродінням. При бродінні виділяється не вся енергія, укладена в речовині, а лише частина її. Інша енергія залишається в хімічних зв'язках в нинішньому речовині.
При спиртовому бродінні утворюється спирт і дві молекули
Таким чином, при розщепленні глюкози в аеробних умовах виділяється вся енергія і розпад йде до кінцевих продуктів (СО2 і Н2 О), а при бродінні виділяється частина енергії і розпад йде до проміжних продуктів реакцій.
Питання для самоконтролю
1. Що таке обмін речовин?
2. Які процеси включає метаболізм?
3. Що таке асиміляція?
4. Що таке дисиміляція?
5. Якими можуть бути організми за типом асиміляції?
6. Які організми відносять до автотрофним?
7. Що таке фотосинтез?
8. Які джерела енергії можуть використовувати автотрофні організми?
9. З яких фаз складається фотосинтез?
10.Що відбувається в світловий стадії фотосинтезу? 11.Что відбувається в темновой стадії фотосинтезу? 12.Что утворюється в результаті фотосинтезу? 13.Що таке хемосинтез?
14.Як енергію для синтезу використовують автотрофні нитрифицирующие бактерії?
15. Які організми відносять до гетеротрофних? 16.Какие речовини для синтезу використовують гетеротрофні організми?
17.Какие організми відносять до міксотрофное? 18.Какие можуть бути організми за типом дисиміляції? 19.Как 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 бескислородном етапі енергетичного обміну?
23.Что відбувається на 3-му етапі енергетичного обміну? 24.Как відбувається розпад глюкози в анаеробному організмі? 25.Какие називається процес розпаду глюкози в анаеробному організмі?
Ключові слова теми «Обмін речовин і енергії в клітині»