Біологія. 9 клас. Шаламов

Розділ 3. Принципи функціонування клітини

§ 15. Обмін речовин та енергії

Обмін речовин — сукупність хімічних реакцій в організмі

У живих організмах міститься величезна кількість різних хімічних речовин, що реагують одна з одною. Організми споживають одні речовини та виділяють інші. Ми з вами вдихаємо кисень, який використовуємо для окиснення органічних речовин, та видихаємо вуглекислий газ, що утворюється при цьому. Рослини здатні з вуглекислого газу та води утворювати органічні речовини, а побічним продуктом цього процесу є кисень, що виділяється в атмосферу. Також рослини здатні поглинати нітрати (солі нітратної кислоти), які потім відновлюються до аміногруп амінокислот, що ввійдуть до складу білків. В організмах тварин рослинні білки знову розщеплюються до амінокислот, а з цих амінокислот тварини «будують» власні білки. Сахароза, яку ми вживаємо разом із вранішнім чаєм, розщеплюється до фруктози та глюкози. Остання може бути безпосередньо спрямована до мозку для «спалювання» чи може потрапити до печінки, де ввійде до складу полімеру — глікогену, який буде запасений на майбутнє. Сукупність усіх цих та інших хімічних реакцій, що відбуваються в організмі, називають метаболізмом1.

Метаболічні шляхи — розгалужена мережа реакцій

Реакції, що відбуваються в організмі, доволі різноманітні. На рисунку 15.1 зображено схему метаболізму людини, докладніше дивіться за посиланням.

Вивчивши схему всіх хімічних процесів, що відбуваються в організмі, можна помітити, що дуже часто реакції об’єднуються в послідовності двох типів: лінійні та циклічні (рис. 15.2). Такі послідовності хімічних реакцій називають метаболічними шляхами. У них субстрат (початковий компонент метаболічного шляху, S) перетворюється на продукт метаболічного шляху (P) через проміжні речовини (І). Зазвичай проміжні речовини не виконують жодних біологічних функцій і їхні концентрації в організмі зовсім незначні. Тут варто згадати важливу особливість метаболізму: перетворення субстрату на біологічно активний продукт майже ніколи не відбувається в один етап, а лише через ланцюжок проміжних речовин.

Метаболічні шляхи можна класифікувати в різні способи, наприклад, їх зручно розподіляти за функціями. Розглянемо основні функції метаболічних шляхів у тваринному організмі.

А. Розщеплення молекул їжі з утворенням малих молекул — універсальних мономерів.

Рис. 15.1. Мережа метаболічних шляхів клітини

1, 5. Вуглеводи. 2. Знешкодження чужорідних речовин. 3, 7. Ліпіди. 4. Нуклеотиди. 6, 8. Амінокислоти. 9. Вітаміни. 10. Енергетичний метаболізм. 11. Специфічні речовини.

1 Від грецького metabole — перетворення.

Рис. 15.2. Два типи метаболічних шляхів

А. Лінійна послідовність реакцій (наприклад, гліколіз). Б. Циклічний метаболічний шлях (наприклад, темнова фаза фотосинтезу).

Б. Синтез великих і складних молекул з універсальних мономерів та мономерів з неорганічних речовин.

В. Розщеплення універсальних мономерів до неорганічних речовин із метою отримання енергії.

Г. Формування малотоксичних продуктів обміну та нейтралізація отрут.

Метаболічні шляхи, що належать до групи Б, часто називають анаболізмом, а ті, що належать до групи В, — катаболізмом. Чіткого поділу на анаболізм та катаболізм немає, тому ці терміни можна вважати застарілими, хоча їх часто використовують у науковій літературі.

За загальною організацією метаболізму живі організми дуже різняться, тому далі ми розглянемо основні типи метаболізму живих організмів.

Авто- і гетеротрофи — два типи живлення в природі

Усі живі організми побудовані з органічних речовин. Ба більше, нам відомо, що більшість органічних сполук у біосфері Землі та за межами біосфери (нафта, природний газ і глибоководні газові гідрати) має органічне походження. Інакше кажучи, живі організми — основні виробники органічних речовин у біосфері. Проте не всі організми здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних. Деяким організмам доводиться поглинати інші органічні речовини для забезпечення своєї потреби в субстратах для синтезу. Організми, здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних (із вуглекислого газу), називають автотрофами, а ті, що змушені поглинати вже готові органічні речовини, — гетеротрофами. До автотрофів належать, наприклад, багато представників ціанобактерій і зелених рослин, а до гетеротрофів — гриби й тварини.

Фото- і хемотрофи відрізняються за джерелом енергії

Усім організмам для забезпечення життєдіяльності потрібна енергія. Проте джерела цієї енергії різні. Джерелом енергії можуть бути хімічні реакції речовин, що їх поглинають організми. Такі організми називають хемотрофами. А інші організми здатні використовувати як джерело енергії сонячне світло. Такі організми називають фототрофами.

Залежно від джерела енергії й органічних речовин можна виокремити різні типи метаболізму, представлені у таблиці 15.1 і на рисунку 15.3. Тварини, гриби, частина найпростіших (наприклад, амеба, малярійний плазмодій) і бактерій, деякі рослини-паразити не здатні самостійно синтезувати органічні речовини з вуглекислого газу. В якості джерела енергії вони використовують хімічні реакції молекул, що поглинаються (наприклад, «спалювання» молекул їжі киснем). Такі організми називають хемогетеротрофами. Зелені рослини, водорості, ціанобактерії здатні поглинати енергію Сонця та синтезувати органічні речовини з вуглекислого газу та води. Такі організми є фотоавтотрофами.

Рис. 15.3. Різноманіття організмів із різними типами живлення

A. Типовий хемогетеротроф у природному середовищ існування. Б. Петрів хрест — рослина паразит, хемогетеротроф. В. Типовий фотоавтотроф. Г. Бактерія нітромонас, хемоавтотроф. Д. Бактерія хлорофлексус, фотогетеротроф. Е. Евглена зелена, міксотроф.

Фотоавтотрофи та хемогетеротрофи — дві найпоширеніші серед живих істот метаболічні стратегії. Проте трапляються й більш незвичні поєднання. Так, деякі ґрунтові бактерії здатні отримувати енергію в процесі окиснення амонійних сполук киснем до нітритів та нітратів і при цьому синтезувати органічні речовини з вуглекислого газу. Таким чином, ці бактерії є хемоавтотрофами. Ще дивніший метаболізм у бактерій роду хлорофлексус: вони використовують енергію сонячного світла, проте змушені поглинати органіку з довкілля. Таким чином, вони є прикладом фотогетеротрофних бактерій.

Таблиця 15.1. Класифікація організмів за джерелом енергії та речовин

Автотрофи

Гетеротрофи

Фототрофи

Фотоавтотрофи

(більшість рослин і водоростей)

Фотогетеротрофи

(бактерії роду хлорофлексус)

Хемотрофи

Хемоавтотрофи

(деякі ґрунтові бактерії)

Хемогетеротрофи (тварини та гриби)

Треба зауважити, що ця класифікація не є абсолютною: залежно від умов середовища деякі організми здатні змінювати свою метаболічну стратегію. Так, евглена зелена на світлі здатна синтезувати органічні речовини з вуглекислого газу, поводячись як фотоавтотроф, але в темряві змушена поглинати органічні речовини із середовища як хемогетеротроф. Такі живі організми називають міксотрофами.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. До процесів фотосинтезу й дихання залучені гази

1) O2, 2) N2, 3) CO, 4) NO2, 5) CO2.

  • А 1 та 2
  • Б 2 та 3
  • В 3 та 4
  • Г 4 та 5
  • Д 1 та 5

2. Метаболічні шляхи, що зазвичай відносять до анаболізму, пов’язані з

  • А розщепленням молекул їжі
  • Б синтезом великих і складних молекул з універсальних мономерів
  • В реакціями, що сприяють накопиченню енергії в клітині
  • Г утворенням малотоксичних продуктів обміну речовин
  • Д утворенням неорганічних речовин із універсальних мономерів

3. До гетеротрофів із наведених нижче організмів належать

  • А 1 та 2
  • Б 2 та 3
  • В 3 та 4
  • Г 4 та 5
  • Д 1 та 5

4. Деякі ґрунтові бактерії здатні отримувати енергію в процесі окиснення сполук амонію киснем до нітритів та нітратів і при цьому синтезувати органічні речовини з вуглекислого газу. Вони є

  • А фототрофами
  • Б фотогетеротрофами
  • В хемогетеротрофами
  • Г хемоавтотрофами
  • Д міксотрофами

5. Хламідомонада здатна фотосинтезувати на світлі і, крім того, всмоктувати органічні речовини поверхнею тіла. На підставі цього можна дійти висновку, що хламідомонада — це

  • А фотоавтотроф
  • Б фотогетеротроф
  • В хемогетеротроф
  • Г хемоавтотроф
  • Д міксотроф

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6. Чому без обміну речовин життя неможливе?

7. На які групи можна розподілити метаболічні шляхи, що відбуваються в організмі? Який принцип взято за основу наведеної вами системи? Як ще можна класифікувати метаболічні шляхи?

8. У чому принципова відмінність автотрофів від гетеротрофів? Наведіть приклади організмів, що належать до цих груп. Визначте характерні риси їхньої будови, зумовлені типом харчування.

9. Схарактеризуйте різноманітність типів харчування організмів. На якій підставі виокремлюють ці типи? Наведіть приклади організмів, що належать до кожної з названих вами груп.

10. Деякі організми харчуються міксотрофно. Що це означає? Яким вимогам мають відповідати такі організми?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11. У чому переваги та недоліки лінійних і циклічних метаболічних шляхів? У яких випадках організму вигідніше використовувати одні, а в яких — інші?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

12. Рослини та тварини ніби втілюють два світи: автотрофний і гетеротрофний. Проте, як і завжди в живій природі, є винятки. Наведи приклади і опиши їхню біологію.

13. Бути міксотрофами вигідно: за наявності світла — вони ситі, за наявності готових органічних речовин — вони забезпечені їжею. Чому ж так мало організмів живляться міксотрофно?