Біологія. 9 клас. Остапченко

Тема 3. Принципи функціонування клітини

§ 16. Обмін речовин та перетворення енергії в клітині. Біохімічні механізми дихання

Пригадайте, що таке метаболізм і гомеостаз. Яка кількість енергії виділяється під час розщеплення білків, ліпідів і вуглеводів? Що таке енергія з точки зору фізики? Які функції ферментів? Які процеси називають окисними, а які - відновними? Яка будова і функції АТФ і мітохондрій? Як відбуваються процеси дихання у рослин, тварин і людини?

Ви вже знаєте, що процеси метаболізму - це складний ланцюг перетворень різноманітних сполук, починаючи від моменту надходження їх в організм або окрему клітину й закінчуючи видаленням кінцевих продуктів обміну речовин у зовнішнє середовище. Кінцевими продуктами розщеплення вуглеводів, жирних кислот та амінокислот зазвичай є вуглекислий газ та вода, які виводяться з організму. Для амінокислот додатковим продуктом розщеплення є сечовина - сполука, що містить Нітроген.

У § 8 ми вже згадували, що сукупність реакцій синтезу, які забезпечують розвиток клітин та організмів, поновлення їхнього хімічного складу, називають пластичним обміном (від грец. пластос - створений). Ці процеси ще називають процесами асиміляції. На їх здійснення витрачається певна кількість енергії. Джерелом цієї енергії є сонячне світло (для більшості автотрофів) або енергія хімічних зв’язків сполук, що містяться у поживних речовинах, які поглинаються з довкілля (для гетеротрофів). Прикладами реакцій асиміляції є процеси синтезу амінокислот, моносахаридів, жирних кислот, нуклеотидів, полісахаридів, білків, нуклеїнових кислот, АТФ тощо.

Сукупність реакцій розщеплення складних сполук в організмі до простіших, що супроводжуються виділенням енергії, називають енергетичним обміном, або процесами дисиміляції. Вони ґрунтуються на реакції безкисневого розщеплення складних сполук до простіших або на реакції окиснення.

Обмін речовин в окремих клітинах і всьому організмі неможливий без відповідних перетворень енергії. Енергія, що вивільняється внаслідок процесів дисиміляції, може переходити в різні форми: теплову, енергію світла (явище біолюмінесценції: пригадайте жуків-світляків, яких ви неодноразово спостерігали літніми вечорами), механічну (забезпечує рухи тощо). Частина вивільненої енергії запасається у вигляді хімічних зв’язків, що виникають між залишками ортофосфатної кислоти в молекулах АТФ (пригадайте їхні будову та функції).

Процес видалення з організму продуктів обміну має назву екскреція.

Запам’ятаємо: єдність та узгодженість процесів пластичного та енергетичного обмінів забезпечує функціонування організмів як цілісних біологічних систем, здатних до саморегуляції та самовідтворення.

Цікаво знати

Під час газообміну з організму людини, крім вуглекислого газу, у навколишнє середовище з видихуваним повітрям виводяться вода (у вигляді пари) та близько 400 інших летких сполук.

Процеси розщеплення сполук не завжди врівноважені процесами їхнього синтезу. Так, в організмах, які розвиваються, процеси синтезу переважають над процесами розщеплення. Завдяки цьому накопичуються необхідні сполуки і забезпечується ріст організмів.

Для більшості організмів, які населяють нашу планету, основним джерелом енергії є сонячне світло, завдяки якому прямо чи опосередковано задовольняються їхні енергетичні потреби. Але різні групи організмів можуть безпосередньо отримувати енергію ззовні різними шляхами.

Активізуйте свої знання

Автотрофи здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних. Фототрофи використовують для цих процесів енергію світла. Хемотрофи для синтезу органічних сполук з неорганічних використовують енергію, яка вивільняється під час здійснення хімічних реакцій окиснення неорганічних. Для гетеротрофів джерелом енергії є органічні сполуки, утворені іншими організмами. Міксотрофи здатні не лише синтезувати органічні сполуки з неорганічних, а й вбирати готові органічні речовини.

У чому полягають процеси клітинного дихання? Пригадайте: дихання - це сукупність процесів, які забезпечують надходження в організм кисню, використання його для окиснення органічних речовин у клітинах (білків, жирів, вуглеводів), а також видалення з організму вуглекислого газу, що утворився під час реакцій окиснення. Так здійснюється газообмін між організмом та навколишнім середовищем.

Минулого року на прикладі організму людини ви дізналися, що дихання об’єднує три групи різних фізіологічних процесів: легеневу вентиляцію (обмін газів, який відбувається в легенях між повітрям і кров’ю), транспорт газів кровоносною системою (у зв’язаному з гемоглобіном стані або розчинених у плазмі крові) від легень до всіх тканин тіла та клітинне дихання - використання кисню клітинами для реакцій вивільнення енергії. У результаті цих процесів утворюється в углекислий газ, що виводиться з організму.

Фізіологічне значення клітинного дихання полягає у тому, що багаті на хімічну енергію сполуки за участю кисню окиснюються до простих, бідних на енергію (СО2, Н2О), у результаті цього вивільняється енергія для забезпечення різноманітних процесів життєдіяльності. З процесами дихання нерозривно пов’язані процеси дисиміляції.

У більшості багатоклітинних тварин процеси дихання забезпечує спеціалізована дихальна система, завдяки якій кисень надходить в організм або з атмосферного повітря (пригадайте: трахеї комах, повітроносні шляхи та легені амфібій, рептилій, птахів і ссавців), або з води (зябра кільчастих червів, ракоподібних, молюсків, риб тощо) (мал. 85). У рослин процесам дихання сприяють різні утвори: продихи у листків, сочевички на стовбурах (мал. 86). Кисень може надходити за допомогою дифузії через покриви багатоклітинних організмів (рослин, грибів, губок, жалких, плоских червів, нематод та ін.) або оболонки окремих клітин (у бактерій, рослин, одноклітинних тварин тощо).

Мал. 85. Органи дихання тварин: 1 - трахеї комах; 2 - дихальна система птахів; 3 - зябра річкового рака; 4 - зябра риби; 5 - зябра личинки бабки. Завдання. Використовуючи знання, одержані на уроках біології у 7 класі, пригадайте будову органів дихання наведених організмів

З курсу біології 6 класу ви знаєте, що в процесі фотосинтезу рослини вбирають вуглекислий газ, а виділяють у довкілля кисень. Але одночасно з фотосинтезом вони й дихають, поглинаючи кисень та виділяючи вуглекислий газ. Процеси дихання, які відбуваються одночасно з фотосинтезом, називають фотодиханням.

Молекулярні механізми клітинного дихання в рослин і тварин загалом подібні.

Етапи енергетичного обміну. Пригадайте: у біологічних системах енергія існує в різних формах, здатних перетворюватись одна в іншу, забезпечуючи нормальний перебіг процесів життєдіяльності. Вам також відомо, що частина енергії, яка виділяється під час розщеплення органічних речовин, розсіюється у вигляді тепла, підтримуючи певну температуру клітини або цілісного організму, а частина - запасається у вигляді високоенергетичних хімічних зв’язків певних сполук. Як ви пам’ятаєте, такою універсальною сполукою - накопичувачем енергії в клітинах - є аденозинтрифосфатна кислота (АТФ).

Енергетичний обмін відбувається в три послідовних етапи: підготовчий, безкисневий і кисневий. Початковий етап енергетичного обміну - підготовчий - перебігає в цитоплазмі клітин усіх організмів, а в більшості багатоклітинних тварин і людини - також і в порожнині органів травної системи. На підготовчому етапі складні органічні сполуки під дією ферментів розщеплюються на простіші: білки - до амінокислот, жири - до гліцеролу і жирних кислот, полісахариди - до моносахаридів, нуклеїнові кислоти - до нуклеотидів. Ці процеси супроводжуються вивільненням енергії, але її кількість незначна і вона розсіюється у вигляді тепла. Це тепло організми можуть використовувати для підтримання температури власного тіла.

Мал. 86. Структури, які забезпечують дихання у рослин: 1 - продихи листків; 2 - сочевички

За підготовчим етапом настає безкисневий, який відбувається в клітинах. Його ще називають анаеробним (від грец. ан - частинка, що означає заперечення, та аер - повітря), оскільки сполуки, які утворилися на попередньому етапі, зазнають подальшого багатоступеневого розщеплення, але без участі кисню. Анаеробне розщеплення (або анаеробне дихання) - найпростіша форма утворення та накопичення енергії в хімічних зв’язках молекул АТФ. Цей етап енергетичного обміну обов’язковий для всіх організмів - як анаеробів, так і аеробів.

Деякі мікроорганізми і безхребетні тварини (здебільшого паразити) не можуть використовувати кисень у процесах енергетичного обміну. Необхідну енергію вони отримують лише завдяки анаеробному розщепленню органічних сполук (тобто анаеробному диханню). Більшість організмів у процесах енергетичного обміну здатні використовувати кисень. Але в таких організмів кисневому етапу енергетичного обміну завжди передує безкисневий.

Найважливішим на безкисневому етапі енергетичного обміну в клітинах є розщеплення молекул глюкози на дві молекули піровиноградної (С3Н4О3) або молочної (С3Н6О3) кислоти.

Процеси безкисневого розщеплення вуглеводів, або анаеробне дихання, узагальнено називають гліколізом (від грец. глікіс - солодкий та лізіс - розщеплення) (мал. 87).

Мал. 87. Схема, що ілюструє процеси анаеробного (безкисневого) етапу клітинного дихання: з молекули глюкози C6H12O6 без участі кисню утворюються дві молекули піровиноградної кислоти C3H4O3.

Під час гліколізу виділяється приблизно 200 кДж енергії. Частина її (майже 84 кДж) витрачається на синтез двох молекул АТФ, а решта - розсіюється у вигляді тепла. Таким чином, процес гліколізу енергетично малоефективний: лише приблизно 35-40 % енергії, що виділяється, запасається в макроергічних зв’язках молекул АТФ. Це пояснюється тим, що кінцеві продукти гліколізу все ще містять у собі багато зв’язаної енергії.

Незважаючи на відносно низьку ефективність, гліколіз має важливе фізіологічне значення. Завдяки цьому процесові організми можуть отримувати енергію за умов нестачі кисню, а його кінцеві продукти (піровиноградна і молочна кислоти) зазнають подальших ферментативних перетворень за наявності кисню. Проміжні продукти гліколізу використовуються для синтезу різних сполук.

Цікаво знати

Аналогічними до гліколізу є процеси бродіння: молочнокисле (яке здійснюють молочнокислі бактерії) та спиртове (яке забезпечують дріжджі та певні групи бактерій). У першому випадку кінцевим продуктом бродіння є молочна кислота, у другому - етиловий спирт. Ці процеси людина використовує в господарстві: молочнокисле - для консервування продуктів харчування (квашення овочів, сироваріння) з метою їхнього тривалого зберігання (молочна кислота пригнічує ріст і розмноження шкідливих мікроорганізмів), отримання кисломолочних продуктів (ряжанки, сметани), силосування рослинної маси для годування свійських тварин, промислового отримання молочної кислоти або спиртів.

Завершальним етапом енергетичного обміну є кисневий, який ми розглянемо у наступному параграфі.

Коротко про головне

Сукупність реакцій синтезу, які забезпечують розвиток клітин та організмів, поновлення їхнього хімічного складу, називають «пластичним обміном». Процеси розщеплення органічних речовин, що супроводжуються виділенням енергії, називають «енергетичним» обміном. Вони забезпечують енергією реакції синтезу складніших сполук з простих.

Завдяки процесам обміну речовин і перетворення енергії підтримується гомеостаз у разі змін умов навколишнього середовища.

Важливою ланкою енергетичного обміну є процеси дихання: надходження в організм кисню, розщеплення за його участю різних органічних сполук з виділенням енергії та виведення з організму вуглекислого газу.

Організми, які здійснюють розщеплення органічних сполук за участю кисню, називають «аеробними», а ті, що розщеплюють їх без участі кисню, - «анаеробними».

На підготовчому етапі енергетичного обміну складні органічні сполуки під дією ферментів розщеплюються на простіші. Ці процеси супроводжуються вивільненням енергії, що розсіюється у вигляді тепла.

Безкисневий, або анаеробний, етап енергетичного обміну відбувається в клітинах. Найважливішими процесами безкисневого етапу енергетичного обміну є процеси гліколізу. Під час цього етапу енергетичного обміну виділяється приблизно 200 кДж енергії, 35-40 % якої запасається в макроергічних зв’язках молекул АТФ.

Ключові терміни та поняття: пластичний та енергетичний обмін, клітинне дихання, гліколіз.

Перевірте здобуті знання

1. Що таке пластичний та енергетичний обмін? 2. Яке значення АТФ у процесах енергетичного обміну? 3. Який зв’язок існує між процесами асиміляції та дисиміляції? 4. Які процеси називають «клітинним диханням»? 5. Схарактеризуйте підготовчий етап енергетичного обміну. 6. Які процеси відбуваються під час безкисневого етапу енергетичного обміну? 7. Яке значення процесів безкисневого етапу енергетичного обміну для забезпечення організму енергією?

Поміркуйте

1. Чи всі автотрофні організми для синтезу органічних сполук з неорганічних використовують енергію світла? 2. Чому життя неможливе без перетворень енергії?