Енергетичне забезпечення процесів метаболізму.

Опрацюйте теорію

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 і 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:

• основою є окисно-відновні реакції, що відбуваються за участі ферментів;

• мають поступовий (поетапний) характер;

• здійснюються за участі високоспеціалізованих структур — фотомембран, мезосом, мітохондрій та хлоропластів;

• для акумулювання, збереження і внутрішнього перенесення енергії слугує АТФ.

Аденозинтрифосфатна кислота (АТФ) — органічна сполука, що належить до вільних нуклеотидів і є універсальним хімічним акумулятором енергії у клітині.

Молекула АТФ є 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 від молекули АТФ відщеплюються два фосфат-йони, то утворюється АМФ (аденозинмонофосфатна кислота) і вивільняється близько 84 кДж енергії. Процеси розщеплення й утворення АТФ вдбуваються постійно відповідно до схеми:

≈42 кДж ≈42 кДж

АМФ⇄АДФ⇄АТФ

Енергія макроергічних звязків 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).

Основна функція АТФ — енергетична, оскільки сполука бере участь в енергетичному обміні, запасаючи в своїх макроергічних зв'язках значну кількість енергії.

У живій природі розрізняють три основні способи отримання енергії. Перший із них властивий автотрофним організмам, другий — гетеротрофним, а третій властивий і авто- і гетеротрофам:

1. У автотрофних організмів зовнішня енергія поглинається хлорофілом (бактеріохлорофілом) і перетворюється в хімічну енергію АТФ. Далі з вуглекислого газу і води в темновій фазі синтезується глюкоза. У живій природі цей спосіб властивий фотоавтотрофам, у яких спостерігається кисневий фотосинтез (ціанобактерії, рослини) і 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 нітрифікуючи бактерії).

2. У гетеротрофних організмів хімічна енергія поживних речовин перетворюється в процесах клітинного дихання в енергію макроергічних зв'язків АТФ. Ці енергетичні перетворення відбуваються в мітохондріях як процеси гліколізу, бродіння, субстратного та окиснювального фосфорилювання.

3. У автотрофних і гетеротрофних організмів внутрішньо клітинні перетворення енергії АТФ в різні форми енергії (електричну, світлову, теплову, механічну) сприяють виконанню клітиною процесів життєдіяльності. Частина цієї енергії втрачається у вигляді теплоти.

За способом отримання енергії живі організми поділяють на автотрофів і гетеротрофів.

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 і Гідрогену, розщеплення до кінцевих продуктів H2O і CO2, 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 речовин.

Етапи енергетичного обміну:

• І підготовчий етап — відбувається у травних вакуолях, лізосомах чи травному каналі, вивільняться 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.

• II безкисневий (анаеробний) етап — відбувається у гіалоплазмі клітин, вивільняється лише 5 — 7 % енергії. Прості органічні сполуки розщеплюються без участі кисню: розщеплення глюкози — гліколіз, жирних кислот — ліполіз, амінокислот — протеоліз. Енергетичних ефект гліколізу — 200 кДж (116 кДж — на теплоту, 84 кДж — на АТФ): C6H12O6+2АДФ+2H3PO4→2C3H4O3+2H2O+2АТФ.. А

• III кисневий (аеробний) етап — відбувається 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): 2C3H4O3+6O2+36H3PO4+36АДФ→CO2+42H2O+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 × 38 = 1596 кДж), а 45 % (1204 кДж) — розсіюється у вигляді теплоти. Рівняння повного розщеплення глюкози: C6H12O6+6O2+38АДФ+38H3PO4→6CO2+44H2O+38АТФ.

Клітинне дихання є сукупністю процесів, під час яких розщеплюються поживні речовини, вивільняється хімічна енергія та акумулюється в макроергічних зв'язках АТФ.

Дайте відповіді на запитання:

1. Що таке обмін енергії?

2. Що таке АТФ?

3. Що таке клітинне дихання?

4. Назвіть етапи енергетичного обміну.

Розгляньте схему фотосинтезу та дайте визначення основних складових процесів. У робочому зошиті заповніть таблицю.