ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ

В клетке постоянно происходит обмен веществ и энергии с окружающей средой. Обмен веществ (метаболизм) - основное свой- ство живых организмов. На клеточном уровне метаболизм включает два процесса: ассимиляцию (анаболизм) и диссимиляцию (катаболизм). Эти процессы происходят в клетке одновременно.

Ассимиляция (пластический обмен) - совокупность реакций био- логического синтеза. Из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества, характерные для данной клетки. Синтез веществ в клетке происходит с использованием энергии, заключенной в молекулах АТФ.

Диссимиляция (энергетический обмен) - совокупность реакций расщепления веществ. При расщеплении высокомолекулярных соединений выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза.

По типу ассимиляции организмы могут быть автотрофными, гетеротрофными и миксотрофными.

Автотрофная ассимиляция

Автотрофные организмы способны синтезировать органические вещества из неорганических (СО₂ и Н₂О). К ним относят зеленые растения и микроорганизмы. В зависимости от того, какой источник энергии используется автотрофными организмами для синтеза органических веществ, их делят на две группы: фототрофы и хемотрофы.

Фотосинтез

Зеленые растения - фототрофы. Для ассимиляции они используют энергию, выделяемую при окислении неорганических веществ. Зеленые растения имеют в хлоропластах хлорофилл. При участии хлорофилла происходит фотосинтез. Фотосинтез - процесс преобразования солнечной энергии в потенциальную энергию химических связей в органических веществах. Фотосинтез состоит из двух фаз: световой и темновой.

Световая фаза. Под действием света молекула хлорофилла, находящаяся в гранах хлоропласта, получает избыток энергии. Часть этой энергии идет на расщепление (фотолиз) молекулы воды.

Ионы водорода присоединяют к себе электрон, превращаются в свободный атом водорода.

Водород Н идет на восстановление переносчика НАДФ⁺ (никотинамидадениндинуклеотид фосфат).

НАДФ ? Н переходит в строму хлоропласта, где участвует в синтезе углеводов.

Ионы ОН^-, отдав электрон, превращаются в свободные радикалы, которые взаимодействуют друг с другом, образуют воду и свободный кислород.

Другая часть энергии используется для синтеза АТФ из АДФ.

В световую фазу фотосинтеза образуются: 1) богатое энергетическими связями вещество - АТФ; 2) свободный кислород - О₂; 3) происходит присоединение Н (водорода) к переносчику, образуется НАДФ ? Н.

Реакции световой фазы идут без участия ферментов.

Темновая фаза. В темновой фазе происходит связывание СО₂. В реакциях темновой фазы участвуют молекулы АТФ и атомы водорода, образовавшиеся в процессе фотолиза и связанные с молекулами-переносчиками. Реакции этой фазы происходят в строме хлоропластов при участии ферментов.

Полученные в результате темновой фазы фотосинтеза молекулы моносахарида - глюкозы через ряд ферментативных реак- ций превращаются в полисахариды. Так энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей сложных органических веществ.

Суммарная реакция фотосинтеза:

В результате фотосинтеза образуются органические вещества и кислород атмосферы.

Хемосинтез

Синтез органических веществ у автотрофных бактерий идет с использованием энергии, выделяющейся при химических реакциях окисления неорганических соединений: сероводорода, серы, аммиака, азотистой кислоты. Этот процесс называется хемосинтезом.

К группе автотрофов-хемосинтетиков относят нитрифицирующие бактерии. Одна группа бактерий получает энергию, необ- ходимую для синтеза органических веществ, в результате реакции окисления аммиака в азотистую кислоту.

Хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в круговороте веществ в природе.

Гетеротрофная ассимиляция

Гетеротрофные организмы строят органические вещества своего тела из уже имеющихся готовых органических веществ. К гетеротрофам относят животных, грибы, некоторых бактерий.

Гетеротрофные организмы способны строить свои специфические белки, жиры, углеводы только из белков, жиров, углево-

дов, которые они получают с пищей. В процессе пищеварения эти вещества распадаются до мономеров. Из мономеров в клетках синтезируются вещества, характерные для данного организма. Все эти реакции идут при участии ферментов и с использованием энергии АТФ.

Схема превращения веществ в гетеротрофном организме

Миксотрофная ассимиляция

Миксотрофные организмы (например эвглена зеленая) содержат пигмент хлорофилл и поэтому на свету могут быть автотрофами. При отсутствии света они становятся гетеротрофами.

Диссимиляция

По типу диссимиляции организмы делят на аэробные и анаэробные.

В организме человека, животных и большинства микроорганизмов энергия образуется в результате реакций катаболизма при дыхании или брожении. Эта энергия переходит в особую форму - энергию макроэргических связей молекул АТФ. С использованием энергии АТФ происходит биосинтез, деление клетки, сокращение мышц и другие процессы. Синтез АТФ осуществляется в митохондриях.

Аэробная диссимиляция

Энергетический обмен проходит в 3 этапа. 1-й этап - подготовительный.

На этом этапе молекулы сложных веществ (белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот) распадаются до мономеров. Выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде тепла. Синтез АТФ не происходит.

2-й этап - бескислородный (анаэробный).

Бескислородный распад протекает в цитоплазме клеток. Мономеры, образовавшиеся на первом этапе, расщепляются без участия кислорода, в несколько стадий. Расщепление происходит под действием ферментов с образованием энергии АТФ. Например, в мышцах (в цитоплазме клеток) молекула глюкозы распадается на две молекулы молочной кислоты и две молекулы АТФ.

3-й этап - кислородное расщепление (аэробное дыхание).

Все реакции этой стадии катализируются ферментами и проходят при участии кислорода в митохондриях. Вещества, образо- вавшиеся в предыдущем этапе, окисляются до конечных продуктов - СО₂ и Н₂О.

При этом выделяется большое количество энергии.

Данный процесс называют клеточным дыханием. При окислении двух молекул молочной кислоты образуется 36 молекул АТФ. В результате второго и третьего этапов при расщеплении одной молекулы С₆Н₁₂О₆ выделяется 38 молекул АТФ.

Суммарное уравнение:

Анаэробная диссимиляция

Распад глюкозы у анаэробных бактерий может идти в бескислородных условиях. Этот процесс называется брожением. При брожении выделяется не вся энергия, заключенная в веществе, а лишь часть ее. Остальная энергия остается в химических связях в образовавшемся веществе.

При спиртовом брожении образуется спирт и две молекулы

АТФ.

Таким образом, при расщеплении глюкозы в аэробных условиях выделяется вся энергия и распад идет до конечных про- дуктов (СО₂ и Н₂О), а при брожении выделяется часть энергии и распад идет до промежуточных продуктов реакций.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое обмен веществ?

2. Какие процессы включает метаболизм?

3. Что такое ассимиляция?

4. Что такое диссимиляция?

5. Какими могут быть организмы по типу ассимиляции?

6. Какие организмы относят к автотрофным?

7. Что такое фотосинтез?

8. Какие источники энергии могут использовать автотрофные организмы?

9. Из каких фаз состоит фотосинтез?

10.Что происходит в световой стадии фотосинтеза? 11.Что происходит в темновой стадии фотосинтеза? 12.Что образуется в результате фотосинтеза? 13.Что такое хемосинтез?

14.Какую энергию для синтеза используют автотрофные нитрифицирующие бактерии?

15. Какие организмы относят к гетеротрофным? 16.Какие вещества для синтеза используют гетеротрофные организмы?

17.Какие организмы относят к миксотрофным? 18.Какими могут быть организмы по типу диссимиляции? 19.Как происходит распад глюкозы в аэробном организме? 20. Из каких этапов состоит энергетический обмен? 21.Что происходит на подготовительном этапе энергетического обмена?

22.Что происходит на бескислородном этапе энергетического обмена?

23.Что происходит на 3-м этапе энергетического обмена? 24.Как происходит распад глюкозы в анаэробном организме? 25.Как называется процесс распада глюкозы в анаэробном организме?

Ключевые слова темы «Обмен веществ и энергии в клетке»

автотрофы

азотистая кислота

азотная кислота

аминокислоты

аммиак

анаболизм

анаэробы

ассимиляция

атмосфера

атом

аэробы