1.4 Обмін речовин та перетворення енергії

Обмін речовин (метаболізм), його загальна характеристика. Єдність процесів синтезу і розщеплення речовин в організмі

Метаболізм - це сукупність хімічних перетворень, що відбуваються в клітині. 

Метаболізм поділяється на анаболізм і катаболізм - два різні типи реакцій, які нерідко відбуваються в різні частинах клітини. 

Катаболічні реакції, або реакції розпаду, зазвичай супроводжуються вивільненням енергії. 

Анаболічні реакції, або реакції синтезу, навпаки, потребують витрат енергії.

Схема метаболізму

Щоб життя тривало, кількість енергії, що надходить, повинна знаходитись у рівновазі з кількістю енергії, що витрачається, тому дисиміляція та асиміляція підтримують певний баланс один з одним.

Типи живлення

Поняття енергії можна визначити як спосіб ність виконувати роботу. Усі живі організми можна розглядати як працюючі машини, що постійно потребують припливу енергії. Це необхідно їм для того, щоб продовжувати виконувати роботу і, таким чином, підтримувати своє життя. Енергія не зникає і не створюється знову, а з однієї форми переходить до іншої (закон збереження енергії). Форми енергії можуть бути найрізноманітніші: хімічна, теплова, електрична, світлова чи звукова. В якості простого прикладу переходу енергії з однієї форми в іншу можна привести горіння сірника, за якого в сірниковій головці відбувається трансформація хімічної енергії у теплову, світлову та звукову.

Живлення це - придбання энергии та речовини. Найголовнішим елементом, необхідним всім живим організмам, є вуглець. Живі організми можуть бути згруповані на основі джерел енергії або вуглецю.

Джерело енергії:

Незважаючи на різноманітність форм існування енергії, тільки дві з них - світлова та хімічна - придатні для живих організмів. Організми, що використовують світлову енергію, називаються фотосинтезуючими або фототрофними (photоs - світло; trophе - живлення); організми, що використовують хімічну енергію, називаються хемотрофними. Фототрофи містять пігменти, у тому числі деякі форми хлорофілу, здатні поглинати світлову енергію та перетворювати її на хімічну.

Джерело вуглецю:

Організми, які використовують неорганічні джерела вуглецю, а саме діоксид вуглецю (CO2), називаються автотрофними (aut'оs – сам), а організми, які використовують органічні джерела вуглецю – гетеротрофними (heteros – інший). На відміну від гетеротрофів автотрофи синтезують власні органічні речовини із простих неорганічних сполук. Найзначнішими групами є фотосинтезуючі організми (зелені рослини та водорості) та хемогетеротрофні організми (тварини та гриби).

Класифікація організмів за джерелом енергії та речовин

Треба зауважити, що ця класифікація не є абсолютною: залежно від умов середовища деякі організми здатні змінювати свою метаболічну стратегію. Такі живі організми називають міксотрофами.

Визначіть тип живлення зображених організмів

Енергетичний обмін

Енергетичний обмін (дисиміляція) – зворотна асиміляція сторона обміну речовин, сукупність реакцій, що призводять до вивільнення енергії хімічних зв'язків. Це реакції розщеплення жирів, білків, вуглеводів, нуклеїнових кислот до найпростіших речовин.

Можливі три етапи дисиміляції: підготовчий, анаеробний та аеробний. Середовище проживання визначає кількість етапів дисиміляції. Їх може бути три, якщо організм мешкає в кисневому середовищі, і два, якщо йдеться про організм, що живе в безкисневому середовищі (наприклад, в кишечнику).

Підготовчий етап:

Здійснюється ферментами, в результаті дії яких складні речовини перетворюються на простіші: полімери розпадаються на мономери. Це супроводжується розривом хімічних зв'язків та виділенням енергії, більша частина якої розсіюється у вигляді тепла.

У людини підготовчий етап відбувається в травному тракті за участі ферментів ротової порожнини, шлунку та кишечника. 

Етапи розщеплення поживних речовин в травному тракті

Анаеробний етап (безкисневе окиснення, гліколіз):

Перш ніж вивчати клітинне дихання докладно, корисно ознайомитися з ним загалом. На малюнку вказані шляхи аеробного та анаеробного дихання. Зазначимо, що аеробний шлях лише один, тоді як анаеробних два. Зазначимо, що початковий етап у всіх цих шляхів загальний. Цей етап – гліколіз.

Схема процесу дихання

Гліколізом називають окислення глюкози до піровиноградної кислоти. Процес відбувається не в мітохондріях, а в цитоплазмі клітини, і кисень для нього не потрібний. Енергетичний ефект гліколізу – близько 200 кДж (120 кДж – на теплоту, 80 кДж – на АТФ). Сумарну реакцію гліколіз можна записати наступним чином:

Гліколіз забезпечує організми енергією в умовах дефіциту кисню. Навіть у хребетних тварин й людини гліколіз слугує ефективним способом отримання енергії під час коротких періодів інтенсивної напруги.

Ще одним механізмом анаеробного перетворення глюкози є бродіння. Бродіння – процес розкладу органічних речовин (здебільшого вуглеводів) у безкисневих умовах.

Аеробний етап: 

При аеробному диханні піровиноградна кислота зрештою повністю окиснюється киснем до вуглекислого газу і води. Цей процес можна розділити на дві фази:

1) Цикл Кребса - відбувається в матриксі мітохондрій; піровиноградна кислота розщеплюється з утворенням CO2 і води.

2) Окисне фосфорилювання - відбувається на кристах мітохондрій за участю ферментів електрон-транспортного ланцюга; водень, що відщепився, через ряд окисно-відновних реакцій окислюється в молекулярним киснем до води.

Фотосинтез. Основні процеси, що відбуваються у світлозалежних і світлонезалежних реакціях /світловій та темновій фазах/ фотосинтезу

ФОТОСИНТЕЗ – надзвичайна складна сукупність процесів пластичного обміну, це утворення в клітинах фотоавтотрофних організмів органічних сполук із неорганічних з використанням світлової енергії та за участі фотосинтезуючих пігментів.

 6СО₂ + 6Н₂О → С₆Н₁₂О6 + О₂↑

Умови необхідні для фотосинтезу: 

• енергія світла; 
• вуглекислий газ;
• вода;
• ферменти;
• хлорофіл.

Пігменти фотосинтезу:

Пігменти фотосинтезу у вищих рослин поділяються на два класи: хлорофіли та каротиноїди. Основне призначення пігментів - поглинати світлову енергію, перетворюючи її потім на хімічну енергію. Пігменти розміщуються на мембранах хлоропластів (тилакоїдах).

Хлорофіли поглинають в основному червоне і синьо-фіолетове світло, зелене світло ними відображається, що і надає рослинам специфічне зелене забарвлення, якщо воно не маскується іншими пігментами. До складу хлорофілу фходить атом магнію.

Каротиноїди - це жовті, оранжеві, червоні або коричневі пігменти, що сильно поглинають у синьо-фіолетовій ділянці. Вони називаються допоміжними пігментами, оскільки поглинену ними світлову енергію переносять на хлорофіл.

Коли молекула хлорофілу чи іншого фотосинтетичного пігменту поглинає світло, кажуть, що вона перейшла у збуджений стан. Енергія світла використовується для перекладу електронів більш високий енергетичний рівень. Енергія світла вловлюється хлорофілом і перетворюється на хімічну енергію. Збуджений стан хлорофілу нестійкий, і його молекули прагнуть повернутися до звичайного (стійкого) стану.

Перші стадії процесу фотосинтезу включають переміщення і енергії, і збуджених електронів між молекулами в рамках фотосистем. Молекули хлорофілу та допоміжних пігментів розташовані у фотосистемах, що підрозділяються на два типи: фотосистеми I та II (ФСІ та ФСІІ). У роботу вступає спочатку ФСII, а потім ФСІ.

Стадії фотосинтезу.

Фотосинтез протікає у дві стадії:

1) утворення водню в результаті розщеплення води на водень та кисень. Для цього потрібна енергія, яку дає світло (тому процес називають фотолізом: phot'оs - світло; l'ysis - розщеплення). Кисень вивільняється як побічний продукт.

2) водень взаємодіє з діоксидом вуглецю, утворюючи цукор.

Реакції першої стадії потребують світла, тому вони називаються світловими реакціями. Реакції другої стадії світла не вимагають, тому вони звуться темновими реакціями, хоча і протікають на світлі! Встановлено, що світлові реакції протікають на мембранах хлоропластів, а темні реакції - у стромі хлоропластів.

АТФ утворюється із АДФ шляхом приєднання до нього ще одного фосфату. Цей процес називається фосфорилуванням і потребує витрати енергії. При фотосинтезі джерелом енергії є світло, тому процес називається фотофосфорилуванням.

Водень для відновлення НАДФ виходить із води. Окрім води, для протікання цього процесу потрібна ще й енергія, яку постачає світло. Роль АТФ та відновленого НАДФ полягає просто у постачанні енергії та водню для темнових реакцій.

Процес фотосинтезу у хлоропласті

Темнові реакції протікають у стромі хлоропластів, не вимагають світла та контролюються ферментами. В результаті цих реакцій відбувається відновлення діоксиду вуглецю з використанням енергії (АТФ) та відновлюючої здатності (відновлений НАДФ), вироблених у ході світлових реакцій.

Хемосинтез

Хемосинтез - автотрофний тип харчування, характерний для деяких мікроорганізмів, здатних створювати органічні речовини з неорганічних. Це здійснюється за рахунок енергії, що видыляэться при окисненні інших неорганічних сполук.

При окисненні неорганічних речовин виділяється енергія, яку організми запасають в вигляді енергії хімічних зв'язків. Так нітрифікуючі бактерії послідовно окислюють аміак до нітриту, а потім - нітрату. Нітрати можуть бути засвоєні рослинами і є добривом.

Крім нітрифікуючих бактерій, зустрічаються:

•      сіркобактерії - окислюють H₂S --> S⁰ --> (S+4O₃)₂- --> (S+6O₄)^2-
•     залізобактерії - окислюють Fe²⁺ -->Fe³⁺

Хемосинтезуючі бактерії є невід'ємною ланкою круговороту в природі таких елементів як: азот, сірка, залізо.