Аутотрофные и гетеротрофные организмы. Запасание и использование энергии в клетке

Итак, материальная, физико-химическая сущность жизни проявля­ется, прежде всего, в непрерывном обмене веществ и энергии, который происходит между живой системой (клеткой, организмом, биоценозом) и окружающей его внешней средой. В этом смысле биологические сис­темы являются открытыми. Разные организмы потребляют разные ви­ды энергии, в связи с чем их делят на аутотрофы и гетеротрофы.

Аутотрофные организмы (дословно – самопитающиеся; от греч. autos – сам и trope – пища ) способны поглощать вещество и энергию неживой природы и использовать их для синтеза сложных органических веществ. Прежде всего, это – зеленые растения, а также бурые и красные водоросли, некоторые бактерии, использующие солнечный свет для процесса фотосинтеза:

6H₂O + 6СО₂ + энергия света = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂.

Суть реакции фотосинтеза в том, что с помощью энергии солнечного света из 6 молекул воды и 6 молекул углекислого газа синтезируется 6-углеродное органическое вещество – глюкоза (один из простых сахаров) и в качестве “лишнего” продукта образуется кислород, который уходит в атмосферу. Эти сложные фотохимические процессы происходят у растительных клеток в специальных органоидах – хлоропластах с участием зеленого пигмента хлорофилла (отчего все растения имеют зеленый цвет).

Заметим, что к аутотрофам относятся также многие бактерии, способные к реакциям хемосинтеза – синтеза органи­ческих веществ за счет энергии простых химических реакций с участием неорганических веществ. Например, серобактерии окисляют сероводород, выделяемый из земных недр, и полученная в результате энергия преобразуется в энергию химических связей сложных орга­нических молекул. Таким образом, аутотрофы, осуществляя фото- или хемосинтез, сами создают себе пищу.

Аутотрофная жизнь существует везде: в лесах и степях (наземные растения), в реках, озерах, морях и океанах (водоросли, морские травы, фотобактерии), в почве и на океаническом дне, где в отсутствие солнечного света живут хемотрофные бактерии.

Гетеротрофные организмы (питающиеся за счет других; heteros – другой и trope – пища ) – человек, все животные, грибы, а также многие бактерии; они поглощают пищу в виде готовых органических веществ, произведенных другими организмами. В составе растительной или животной пищи – в молекулах углеводов (сахаров), жиров, белков и других органических веществ – гетеротрофы поглощают и энергию, заклю­ченную в химических связях. Если органическое вещество, например глюкозу, расще­пить на воду и углекислый газ, освобождается энергия, которую можно использовать для жизнедеятельности.

Глюкоза как вторичный источник энергии используется и растениями, и животными. Полное расщепление глюкозы происходит с участием кислорода и поэтому называется окислением или дыханием:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O + энергия.

По сути, данная реакция противоположна фотосинтезу (прочтите ее в обратном направлении и сравните с приведенной выше реакцией фотосинтеза). По химичес­кому механизму она представляет окисление (горение!) глюкозы. Но в живой клетке это “горение” протекает замедленно, поэтапно, так что энергия выделяется малыми порциями и большая ее часть (около 55%) успевает запасаться в химических связях специального вещества аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) (рис. 3.2), остальная энергия рассеивается в виде тепла.

Рис.3.2. Структура моле­кулы АТФ и ее циклические изменения в реакциях энергетичес­кого обмена

В составе АТФ крайняя химическая связь (между 2-м и 3-м остатками фосфорной кислоты) содержит около 40 кДж запасенной и готовой к работе энергии; другая связь (между 1-м и 2-м остатками) заключает около 30 кДж (в расчете на 1 моль АТФ). Ввиду большого количества заключенной энергии, эти связи называют макроэргическими. Молекула АТФ образуется из аденозин ди фосфорной кислоты (АДФ) и свободной молекулы фосфорной кислоты, но с непременным поглощением внешней энергии, освобождаемой при окислении глюкозы. Иными словами, происходит энергоза­висимый синтез АТФ. В составе АТФ энергию удобно хранить и транспортировать в пределах клетки. В местах потребления энергии АТФ распадается на АДФ и фосфат (при крайней необходимости – на АМФ и 2 фосфата), а освобожденная энергия расходуется на ту или иную клеточную работу. Это может быть транспорт веществ из клетки и в клетку, мышечное движение, синтез белков и другие процессы жизнедеятельности. В дальнейшем АДФ (АМФ) и фосфат снова соединяются, захватив очередную порцию внешней энергии. Циклические преобразования АТФ – синтез и распад – повторяются многократно (см. рис. 3.2). Таким образом, АТФ выступает в качестве универсального накопителя и переносчика энергии внутри клетки, своеобразной разменной монеты в энергетических платежах за процессы роста и жизнедеятельности.

Процессы дыхания (окисления глюкозы и других органических веществ) и связанный с ними синтез АТФ происходят в специальных клеточных органоидах – митохондриях. Митохондрии имеются у всех клеток – растительных и животных, они служат “энергетическими станциями” клетки. При достаточном поступлении кислорода в митохондриях полное окисление одной молекулы глюкозы обеспечивает синтез 38 молекул АТФ.

Таким образом, глюкоза, образующаяся у растений в ходе фотосинтеза и переходящая к животным в процессе питания, служит, прежде всего, для извлечения из нее энергии. Но уже у растений глюкоза вместе с минеральными веществами, поступающими из почвы (азот, фосфор, сера, железо, магний и др.), становится ос­новой для более сложных синтезов (рис. 3.3). Образуются полиса­хариды, липиды (жиры), белки, нуклеиновые кислоты, из которых строятся рабочие структуры клеток. Все эти синтезы требу­ют энергетических затрат, они обязательно связаны с распадом АТФ.

Рис. 3.3. Основные пути энергетического и пластического обмена в клетке:

Обычные стрелки – потоки вещества; широкие стрелки – потоки энергии

Такие же сложные вещества строятся из малых молекул и у животных, грибов и бактерий. В этом случае глюкоза (а также другие углеводы, продукты распада жиров и белков) поступает в клетку извне в готовом виде как пищевой про­дукт. Часть этих материалов идет на дыхание (в “топку”, для извле­чения энергии через синтез АТФ), а часть, после некоторой переделки, на синтез новых макромолекул как строительный материал (см. рис. 3.3). Таким образом, пища у гетеротрофов (в том числе у нас с вами) имеет двойное назначение – энергетическое и пластическое (строительное).

С точки зрения обсуждаемой проблемы материальной (физико-химической) сущности жизни, все рассмотренные процессы обмена веществ и энергии в клетке представляют собой физические и химические реакции. Мы не углублялись в механизмы преобразования энер­гии в хлоропластах и митохондриях, но если бы сделали это, то убедились бы в их изначально физической сущности. Наряду с другими процессами здесь происходит распад активированных атомов водорода на элементарные заряженные частицы – протоны (Н⁺) и электроны (е^-) и их перенос по разные стороны мембраны внутри хлоропластов и митохондрий. В этих органоидах, как в электрических батарейках, создается разность электрических потенциалов порядка 0,2 вольта, которая при необходимости реализуется в электрический (протонный) ток, а этот ток, в свою очередь, активирует ферменты син­теза АТФ. Аналогичные физико-химические преобразования происходят и в других клеточных структурах при исполнении ими специальных функций.