Підручник з Біології. 9 клас. Задорожний - Нова програма

Принципи функціонування клітини

14. Обмін речовин та енергії

Повторіть визначення системи, яке ви вивчали раніше. Пригадайте, чому живі організми можна вважати системами. Повторіть те, що ви вчили про обмін речовин в організмі людини.

Обмін речовин. Типи обміну

Клітина є одним цілим, біологічною системою, елементи якої об’єднано спільним обміном речовин і перетворенням енергії. Обмін речовин — це сукупність хімічних реакцій, які відбуваються в клітинах і потрібні для підтримання життя. Обмін речовин у клітині можна умовно поділити на два етапи — обмін із навколишнім середовищем і внутрішній обмін, або метаболізм (мал. 14.1). Під час обміну з навколишнім середовищем рослини, наприклад, поглинають воду, вуглекислий газ, мінеральні речовини тощо, а виділяють кисень, воду та інші речовини.

Метаболізм можна визначити як закономірний порядок перетворення речовин та енергії в клітині, спрямований на її ріст, життєдіяльність та самовідтворення. Метаболізм будь-якої клітини складається з двох типів обміну або взаємопов’язаних комплексів реакцій. Це реакції пластичного (анаболізм) та енергетичного (катаболізм) обміну.

Мал. 14.1. Схема обміну речовин та енергії в живих організмах

Особливості пластичного та енергетичного обміну

Тип обміну

Пластичний (анаболізм)

Енергетичний (катаболізм)

Що відбувається

За рахунок енергії макроергічних зв'язків відбувається синтез складних органічних сполук із більш простих попередників

Розщеплення складних органічних сполук на простіші

Які перетворення енергії відбуваються

АТФ —> АДФ + Ф + Енергія

Молекули АТФ, які містять макроергічні зв'язки, розпадаються на молекули АДФ і ортофосфатної кислоти (Ф). При цьому виділяється енергія, яка використовується для синтезу органічних сполук

АДФ + Ф + Енергія —> АТФ

Енергія, яка виробляється під час окиснення органічних речовин, використовується для утворення молекули АТФ з молекул АДФ і ортофосфатної кислоти

Результат

Утворення органічних молекул, потрібних для життєдіяльності клітини

Енергія, яка виділяється, запасається клітиною у формі макроергічних зв'язків низки сполук (наприклад, АТФ)

Основні етапи енергетичного обміну

Розщеплення органічних речовин у ході енергетичного обміну відбувається в кілька етапів. Воно може починатися ще за межами організму, як, наприклад, у павуків, для яких характерне зовнішнє травлення. Але основні процеси катаболізму відбуваються в клітинах.

Особливості перебігу окремих етапів енергетичного обміну

Етапи розщеплення органічних речовин

Що відбувається

Де відбувається

Підготовча стадія енергетичного обміну

Макромолекули розщеплюються до мономерів. Утворюються молекули глюкози

Навколишнє середовище, травний тракт (ротова порожнина, шлунок, кишечник)

Перший етап клітинного дихання (анаеробний). Гліколіз та бродіння

Безкисневий етап розщеплення. Молекули глюкози розщеплюються до проміжних сполук:

С6Н12O6 -> 2С3Н4O3 + 2Н2O + 2 АТФ

Цитозоль

Другий етап клітинного дихання (аеробний).

Кисневе розщеплення

Етап кисневого розщеплення. Проміжні сполуки окиснюються до низькомолекулярних речовин (вода, вуглекислий газ):

3Н403 + 02 -> 6СO2 + 4Н20 + 36 АТФ

Мітохондрії

Мал. 14.2. Схема гліколізу

Гліколіз та його значення

Гліколіз — це біохімічний процес, який зазвичай відбувається в усіх клітинах організму і є одним із джерел постачання АТФ для клітини. Крім того, у процесі гліколізу утворюються сполуки, які використовуються в наступних процесах клітинного дихання.

Процес гліколізу включає 10 біохімічних реакцій. У результаті цих реакцій утворюється дві молекули пірувату (піровиноградної кислоти). Крім того, у процесі гліколізу витрачається дві й синтезується чотири молекули АТФ. Відповідно, з кожної молекули глюкози клітина отримує дві молекули пірувату і дві молекули АТФ (мал. 14.2).

Гліколіз не є аж таким енергетично вигідним процесом: дві молекули АТФ — це не дуже багато. Однак цей процес простий, надійний і дуже швидкий! Він виник ще на ранніх стадіях життя і зараз є одним з основних метаболічних процесів усіх живих організмів.

Великою перевагою гліколізу є те, що він не потребує кисню. Саме тому м’язи людини можуть працювати навіть в умовах нестачі кисню під час великих фізичних навантажень. Потрібну енергію вони отримують завдяки процесу гліколізу.

Бродіння

Бродіння — це процес окиснення вуглеводів, який відбувається без участі кисню й дає змогу клітинам отримувати енергію у вигляді молекул АТФ. Першим етапом бродіння є гліколіз. А на наступному етапі, залежно від типу бродіння, з продукту гліколізу (пірувату) утворюються спирт, молочна та лимонна кислота або інші сполуки.

Мал. 14.3. Типи бродіння

Залежно від того, які речовини утворюються, виділяють кілька різновидів бродіння (мал. 14.3). Спиртове бродіння характеризується утворенням молекул етилового спирту, води й вуглекислого газу. Під час молочнокислого бродіння продуктом процесу є молочна кислота, а оцтового — оцтова кислота.

Значення процесів бродіння

Бродіння є надзвичайно важливим процесом як для природних процесів, так і для людини. У живій природі саме бродіння забезпечує енергією ті організми, які живуть у безкисневих умовах. І це не лише мікроби: для багатьох паразитів ця проблема також є актуальною. А виділення вуглекислого газу та метану в результаті процесів бродіння деякими організмами взагалі може мати наслідки для всієї планети. Вони належать до парникових газів, і підвищення їх концентрації в атмосфері може призвести до глобального потепління на планеті.

Людина використовує бродіння для отримання багатьох харчових продуктів: хліба, кефіру, ряжанки, йогурту тощо. Відбувається бродіння і в організмі людини. Під час великих навантажень унаслідок бродіння утворюється молочна кислота, яка призводить до болю у м’язах після фізичних вправ.

Обмін речовин є характерною рисою всіх живих організмів. Обмін речовин усередині організмів називають метаболізмом. Розрізняють два основні типи обміну — енергетичний (катаболізм) і пластичний (анаболізм). Шд час катаболізму складні органічні сполуки розщеплюються до простих. Енергія, яка при цьому виділяється, запасається у вигляді АТФ. Під час анаболізму з простих органічних речовин з витратами АТФ синтезуються складні органічні сполуки. Важливими складовими катаболізму є процеси гліколізу та бродіння.

Перевірте свої знання

1. Які існують типи обміну речовин? 2. Що таке метаболізм? 3. Де відбувається гліколіз? 4. У якій органелі відбувається процес клітинного дихання? 5. Яке значення для живих організмів має гліколіз? 6. Чи можуть процеси бродіння відбуватися в організмі людини? 7. Порівняйте процеси пластичного та енергетичного обміну. 8*. Як людина використовує процеси бродіння?