Тема: Енергетичне забезпечення процесів метаболізму. Способи отримання енергії в різних груп автотрофних та гетеротрофних організмів. Роль процесів дихання в забезпеченні організмів енергією
Для організмів нашої планети основним джерелом енергії є сонячне світло. Незначною мірою в процесах метаболізму може використовуватися теплота вулканічного походження, енергія з надр земної кори та ін. Енергія потрібна організмам для синтезу власних органічних речовин з неорганічних (автотрофи) або з готових органічних (гетеротрофи). А що відбувається з енергією після її надходження в клітину?
ОБМІН ЕНЕРГІЇ - це сукупність процесів, що забезпечують надходження, перетворення та видалення енергії у біосистемах. Як зазначають науковці, «хоча енергія існує у багатьох формах, для анаболізму живих істот придатними є лише дві із них - світлова й хімічна енергія». Основним джерелом світлової енергії є Сонце, а хімічної - хімічні зв'язки готових органічних речовин.
Енергетичні перетворення світлової чи хімічної енергії у клітинах відрізняються від енергетичних процесів неживої природи тим, що: а) основою є окисно-відновні реакції, що відбуваються за участі ферментів; б) мають поступовий (поетапний) характер; в) здійснюються за участі високоспеціалізованих структур - фотомембран, мезосом, мітохондрій та хлоропластів; г) для акумулювання, збереження й внутрішнього перенесення енергії слугує АТФ.
Аденозинтрифосфатна кислота (АТФ) - органічна сполука, що належить до вільних нуклеотидів і є універсальним хімічним акумулятором енергії у клітині. Пригадаємо, що молекула АТФ нуклеотидом, який складається із аденіну, рибози і трьох залишків ортофосфатної кислоти. Під час відщеплення фосфатної групи від АТФ вивільняється близько 42 кДж енергії та утворюється АДФ (аденозиндифосфатна кислота). Коли ж від молекули АТФ відщеплюються два фосфат-йони, то утворюється АМФ
(аденозинмонофосфатна кислота) і звільняється близько 84 кДж енергії. Процеси розщеплення й утворення АТФ відбуваються постійно відповідно до схеми:
АМФ АДФ АТФ
≈ 42 кДж ≈ 42 кДж
Енергія макроергічних зв’язків АТФ вивільняється в реакціях гідролізу і використовується для виконання будь-якої роботи клітини. Синтез АТФ відбувається завдяки реакціям фосфорилювання, що можуть здійснюватися в цитоплазмі (субстратне фосфорилювання), в мітохондріях (окиснювальне фосфорилювання) або в хлоропластах (фотофосфорилювання).
Отже, основна функція АТФ – це енергетична, оскільки сполука бере участь в енергетичному обміні, запасаючи в своїх макроергічних зв’язках значну кількість енергії.
Які є способи отримання енергії живими організмами?
У живій природі розрізняють три основні способи отримання енергії. Перший із них властивий автотрофним організмам, другий – гетеротрофним, а третій властивий авто- й гетеротрофам:
1. У автотрофних організмів зовнішня енергія поглинається хлорофілом
(бактеріохлорофілом) й перетворюється в хімічну енергію АТФ. Далі з вуглекислого газу й води в темновій фазі синтезується глюкоза. Як ви вже знаєте, в живій природі цей спосіб властивий фотоавтотрофам, у яких спостерігається кисневий фотосинтез (ціанобактерії, рослини) й бактеріальний фотосинтез, що на відміну від кисневого фотосинтезу відбувається в анаеробних умовах без виділення кисню (пурпурні й зелені сіркобактерії). Поряд з фотосинтезом зв’язування вуглекислого газу в природі здійснюється в процесі хемосинтезу з використанням хімічної енергії окиснення неорганічних сполук (сірко, залізо- та нітрифікуючі бактерії).
2. У гетеротрофних організмів хімічна енергія поживних речовин перетворюється в процесах клітинного дихання в енергію макроергічних зв’язків АТФ (іл. 72). Ці енергетичні перетворення відбуваються в мітохондріях як процеси гліколізу, бродіння, субстратного та окиснювального фосфорилювання.
3. У автотрофних й гетеротрофних організмів внутрішньоклітинні перетворення енергії АТФ в різні форми енергії (електричну, світлову, теплову, механічну) сприяють виконанню клітиною процесів життєдіяльності. Частина цієї енергії втрачається у вигляді теплоти.
Отже, за способом отримання енергії живі організми поділяють на автотрофів і гетеротрофів.
Яка роль процесів дихання в забезпеченні організмів енергією?
Клітинне дихання – це сукупність процесів біологічного окиснення поживних речовин з вивільненням хімічної енергії, що акумулюється в АТФ. Процеси дихання в клітинах організмів різних царств живої природи подібні за багатьма ознаками. Ознаками подібності є утворення таких універсальних речовин, як піровиноградна кислота й АТФ, використання кисню як акцептора електронів й Гідрогену, розщеплення до кінцевих продуктів Н2О і СО2, використання подібних ферментів тощо. Виокремлюють два основні типи клітинного дихання: анаеробний та аеробний. Клітинне дихання є частиною енергетичних перетворень, завдяки яким поетапно вивільняється енергія власних органічних речовин.
ЕТАПИ ЕНЕРГЕТИЧНОГО ОБМІНУ
Назва етапу |
Характеристика |
І. Підготовчий (у травних вакуолях, лізосомах чи травному каналі; вивільняється всього 0,2 - 0,8 % енергії) |
Під дією травних ферментів складні органічні сполуки розщеплюються до сполук, що їх може засвоювати організм. Енергетичний ефект цього етапу незначний, і вся енергія розсіюється у вигляді теплоти |
ІІ. Безкисневий (анаеробний) (у гіалоплазмі клітин; вивільняється лише 5 - 7 % енергії) |
Прості органічні сполуки розщеплюються без участі кисню: розщеплення глюкози - гліколіз, жирних кислот - ліполіз, амінокислот - протеоліз. Енергетичний ефект гліколізу - 200 кДж (116 кДж - на теплоту, 84 кДж - на АТФ): С6Н2О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 → 2С3Н4О3 + 2Н2О + 2АТФ |
ІІІ. Кисневий (аеробний) (у матриксі й на кристах мітохондрій за участі кисню; вивільняється основна кількість енергії (понад 90 %) |
Аеробне перетворення вуглеводів продовжується завдяки розщепленню піровиноградної кислоти до води і вуглекислого газу. Енергетичний ефект: 2600 кДж (1088 кДж - на теплоту, 1512 кДж - на АТФ): 2С3Н4О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ → 6СО2 + 42Н2О + 36АТФ |
Сумарним енергетичним результатом розщеплення 1 моль глюкози є 2800 кДж енергії (200 кДж + 2600 кДж), з якої в 38 молекулах АТФ акумулюється 55 % (42 кДж х 38 = 1596 кДж), а 45 % (1204 кДж) - розсіюється у вигляді теплоти. Рівняння повного розщеплення глюкози: С6Н2О6 + 6О2 + 38АДФ + 38Н3РО4 → 6СО2 + 44Н2О + 38АТФ |
Отже, клітинне дихання є сукупністю процесів, під час яких розщеплюються поживні речовини, вивільняється хімічна енергія та акумулюється в макроергічних зв’язках АТФ.