Підручник з Біології і екології. 10 клас. Остапченко - Нова програма

§ 19. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ОБМІНУ РЕЧОВИН ТА ЕНЕРГІЇ

Пригадайте, що таке перетворення енергії. Які організми називають автотрофними, а які — гетеротрофними? Що таке гомеостаз? Що таке гліколіз, транскрипція та трансляція? Що таке ланцюги живлення та трофічний рівень?

Біологічні системи як відкриті системи. Ви вже знаєте, що окремі клітини, як і багатоклітинні організми, належать до відкритих систем. Це означає, що їхнє існування можливе лише завдяки надходженню в них з довкілля поживних речовин, їхніх перетворень і виведення назовні продуктів життєдіяльності (мал. 19.1). Сукупність цих процесів має назву обмін речовин, або метаболізм.

Мал. 19.1. Схема функціонування відкритої біологічної системи. Завдання: поясніть особливості функціонування такої системи на прикладі організму людини

Процеси обміну речовин нерозривно пов’язані з перетвореннями енергії. Організми поглинають з довкілля енергію у певних формах (світла, хімічних зв’язків сполук у складі їжі тощо), використовують частину цієї енергії для здійснення різноманітних процесів життєдіяльності, а решта енергії повертається у зовнішнє середовище у вигляді тепла.

В організмах одночасно відбувається синтез і розпад речовин. Надходження з довкілля, засвоєння і накопичення речовин, які використовуються для синтезу потрібних для клітин та всього організму сполук, — це процеси асиміляції, або анаболізм. Сукупність реакцій синтезу, які забезпечують розвиток клітин та організмів, поновлення їхнього хімічного складу, ще називають пластичним обміном. На здійснення цих процесів організм витрачає певну кількість енергії, потрібної для утворення хімічних зв’язків тощо. Прикладами реакцій анаболізму є темнова фаза фотосинтезу, процеси синтезу амінокислот, полісахаридів, білків, нуклеїнових кислот, АТФ тощо.

Процеси розпаду речовин супроводжуються виділенням енергії, потрібної для забезпечення пластичного обміну. Вони мають назву дисиміляція, або катаболізм. Сукупність реакцій розпаду складних сполук в організмі, що супроводжуються виділенням енергії, ще називають енергетичним обміном. У ході катаболічних реакцій складніші сполуки можуть розщеплюватись без участі кисню або ж окиснюватись. Енергія, що при цьому вивільняється, може переходити в різні форми: теплову, енергію світла (явище біолюмінесценції), механічну (забезпечує рухи тощо). Частина вивільненої енергії запасається у вигляді хімічних зв’язків, які виникають між залишками ортофосфатної кислоти в молекулах АТФ. Процеси катаболізму можуть відбуватися як без участі кисню (наприклад, процеси гліколізу, бродіння), так і за його участю (наприклад, цикл Кребса, або трикарбонових кислот). Детальніше ці процеси ми розглянемо далі.

Процеси катаболізму та анаболізму тісно пов’язані між собою (мал. 19.2). Так, на процеси катаболізму витрачається енергія, заощаджена під час перебігу анаболічних реакцій. Крім того, під час реакцій анаболізму продукти розщеплення різних сполук, утворених унаслідок реакцій катаболізму, можуть використовуватися для утворення нових, складніших сполук. Реакції катаболізму каталізують ферменти, синтезовані в ході реакцій анаболізму, а також у реакціях катаболізму розщеплюється частина сполук, синтезованих в організмі.

Мал. 19.2. Єдність процесів катаболізму (А) та анаболізму (Б). Завдання: яка роль органел, зображених на малюнку, у забезпеченні процесів метаболізму? Назвіть процеси, які описують наведені рівняння

Запам'ятаємо

Єдність та узгодженість процесів анаболізму й катаболізму забезпечує функціонування організмів як цілісних біологічних систем, здатних до саморегулювання та самовідтворення.

Завдяки процесам обміну речовин і перетворення енергії підтримується гомеостаз за змін умов навколишнього середовища. Це є важливою умовою нормального функціонування будь-якої біологічної системи: від клітинного до екосистемного рівнів організації.

Особливості обміну речовин в автотрофних і гетеротрофних організмів. Для організмів, які населяють нашу планету, основним джерелом енергії є сонячне світло, завдяки якому прямо чи опосередковано задовольняються їхні енергетичні потреби. Ви вже знаєте, що рослини та деякі інші фотосинтезуючі організми (деякі бактерії, одноклітинні тварини) завдяки хлорофілам (пурпурні та зелені бактерії — бактеріохлорофілам) здатні вловлювати світло, що надходить до нашої планети з космосу. Вони перетворюють енергію світла на енергію хімічних зв’язків синтезованих ними органічних сполук. «Сонячна енергія» ніби «консервується». Далі з їжею вона передається по ланцюгах живлення гетеротрофним організмам, що перебувають на різних трофічних рівнях.

Без рослин та інших фотосинтезуючих організмів життя на нашій планеті було б неможливим. Сонячна енергія, «законсервована» в таких корисних копалинах, як вугілля, нафта, торф, має важливе значення для функціонування промисловості, транспорту тощо.

Ви вже знаєте, що організми, здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних, називають автотрофами. До них належать фототрофи та хемотрофи. Фототрофи (мал. 19.3, б) використовують для цих процесів енергію світла (зелені рослини, ціанобактерії, деякі бактерії та одноклітинні тварини). Хемотрофи (нітрифікуючі, залізо- та сіркобактерії тощо) для синтезу органічних сполук з неорганічних використовують енергію, яка вивільняється під час окиснення неорганічних сполук.

Мал. 19.3. Приклад ланцюга живлення: а — сонце — основне джерело енергії для існування біосфери, та вода; б — рослини — організми, які здатні вловлювати світлову енергію сонця; в—ж — гетеротрофні організми, які отримують енергію з їжею

Гриби, багатоклітинні тварини, більшість одноклітинних тварин і прокаріотів належать до гетеротрофів (мал. 19.3, в—ж). Для них джерелом енергії є органічні сполуки, утворені іншими організмами. Міксотрофи — організми зі змішаним типом живлення (як-от, росичка, омела, хламідомонада, евглена зелена). Такі організми здатні не лише синтезувати органічні сполуки з неорганічних, а й поглинати готові органічні речовини.

Роль АТФ у забезпеченні процесів метаболізму. Аденозинтрифосфатна кислота (АТФ), або аденозинтрифосфат, — це нуклеотид, який складається із залишку нітрогеновмісної основи (аденіну), моносахариду (рибози) та трьох залишків ортофосфатної кислоти (мал. 19.4). У двох високоенергетичних (макроергічних) хімічних зв’язках між фосфатними залишками акумулюється значна кількість енергії. Якщо під дією ферменту відщеплюється один залишок ортофосфатної кислоти, то АТФ перетворюється на аденозиндифосфатну кислоту, або аденозиндифосфат (АДФ), два — на аденозинмонофосфатну кислоту, або аденозинмонофосфат (АМФ). При цьому під час відщеплення кожного ортофосфатного залишку вивільняється близько 40 кДж енергії (у розрахунку на моль ортофосфатних залишків; залежно від умов внутрішнього середовища клітини кількість енергії, що виділяється під час відщеплення одного ортофосфатного залишку, може коливатись від 33 до 50 кДж/моль). Отже, молекули АТФ є універсальним хімічним акумулятором енергії в клітинах.

Мал. 19.4. Будова молекули АТФ: 1 — аденозин (сполука аденіну та рибози); 2 — три залишки ортофосфатної кислоти

Процеси розщеплення поживних речовин, які супроводжуються вивільненням енергії, асоційовані із синтезом АТФ — енергія «запасається» в структурі цієї макроергічної сполуки. Усі процеси життєдіяльності, які потребують енергії (синтез макромолекул, різноманітні рухи, активний транспорт речовин тощо), супроводжуються розщепленням молекул АТФ з вивільненням відповідної кількості енергії. АТФ є також джерелом ортофосфатних залишків для фосфорилювання різноманітних молекул.

Фосфорилювання — процес приєднання фосфатної групи до якого-небудь субстрату. У живих клітинах фосфорилювання надзвичайно важливе для перебігу низки процесів і часто виконує роль регуляторного сигналу для багатьох з них. Зокрема фосфорилювання білка часто регулює його функціональну активність (активує або деактивує його). Протилежний процес — відщеплювання ортофосфатних залишків — має назву дефосфорилювання.

Ключові терміни та поняття

метаболізм, процеси асиміляції та дисиміляції, анаболізм, катаболізм, АТФ, фосфорилювання.

Перевірте здобуті знання

1 Чому біологічні системи завжди відкриті? 2. У чому полягає зв'язок між процесами асиміляції та дисиміляції? 3. Що спільного та відмінного між автотрофами, гетеротрофами та міксотрофами? 4. Чому молекули АТФ вважають універсальними акумуляторами енергії в клітині? 5. Що таке фосфорилювання? Яке його біологічне значення?

Поміркуйте

Що спільного та відмінного в будові нуклеотидів, які входять до складу молекул нуклеїнових кислот і молекул АТФ?