Розв’язок задач на обмін речовин та енергії в клітині та організмі

Основні теоретичні відомості

Живий організм може існувати завдяки обміну речовин.

Обмін речовин – це сукупність процесів надходження з довкілля поживних речовин, їхнього перетворення та виведення з організму продуктів життєдіяльності.

Обмін речовин або метаболізм складається з двох типів процесів: асиміляції та дисиміляції, які відбуваються одночасно, але не є врівноваженими.

Асиміляція – це процес поглинання з довкілля, засвоєння і накопичення речовин, які використовуються для синтезу необхідних для організму речовин.

Дисиміляція – це розщеплення певних речовин.

Однією з основних властивостей відкритих біологічних систем є обмін речовинами, енергією та інформацією з навколишнім середовищем. Клітина, як відкрита система, перебуває в активному стані – різні речовини постійно надходять у клітину і виходять з неї. У клітині, як і в організмі відбувається пластичний та енергетичний обмін.

Пластичний обмін (асиміляція), або анаболізм – це сукупність реакцій біологічного синтезу. Він відбувається з використанням енергії самої клітини або енергії навколишнього середовища.

Енергетичний обмін (дисиміляція), або катаболізм – це сукупність реакцій розщеплення великих органічних молекул з виділенням енергії. Анаболізм і катаболізм – два взаємопов’язаних процеси обміну речовин, тобто метаболізму.

Пластичний обмін у автотрофних організмів відбувається з використанням енергії світла (фотосинтез) або енергії окисно-відновних реакцій неорганічних речовин (хемосинтез). При внутрішньоклітинному диханні ці організми розщеплюють власні органічні сполуки для одержання енергії у вигляді макроенергетичних зв’язків АТФ. Під час гідролізу макроенергетичних зв’язків АТФ виділяється енергія:

АТФ + Н₂О → АДФ + Н₃РО₄ + 40 кДж/моль

Енергію АТФ клітини використовують у різноманітних процесах: у біосинтезі, під час виконання механічної роботи, проведення нервового імпульсу, забезпечення вибіркової проникності мембран. АТФ є універсальним носієм і акумулятором енергії в живих організмах.

Процес енергетичного обміну поділяється на три послідовні етапи.

Підготовчий етап. На цьому етапі макромолекули білків, вуглеводів, жирів, нуклеїнових кислот під дією ферментів розщеплюються на дрібні молекули: з крохмалю і глікогену утворюється глюкоза; з жиру – гліцерин і жирні кислоти, з білків – амінокислоти,з полісахаридів – моносахариди, з нуклеїнових кислот – нуклеотиди. Розпад речовин на цьому етапі супроводжується зовсім незначним енергетичним ефектом, енергія розсіюється у вигляді тепла. Це тепло може використовуватись організмами для підтримання температури власного тіла. У більшості багатоклітинних тварин, а також у людей, цей етап відбувається в шлунково-кишковому тракті та в цитоплазмі клітин.

Розглянемо приклади – внаслідок послідовної дії певних ферментів складні білки спочатку розщеплюються до простих, а прості – на окремі складові поліпептидні ланцюги. Останні, в свою чергу, розпадаються до амінокислот. Внутрішньоклітинне перетравлення білків забезпечує комплекс ферментів, які містяться в лізосомах, а також у цитоплазмі та на клітинних мембранах.

Полісахарид целюлоза має певні особливості розщеплення. Та целюлоза, яка міститься в харчових продуктах рослинного походження, розщеплює фермент целюлоза, який не синтезується в організмі людини і більшості тварин. Але в їхньому шлунково-кишковому тракті мешкають мікроорганізми (бактерії або одноклітинні організми), здатні утворювати цей фермент і цим забезпечують процеси перетравлення рослинної їжі.

Розщепленню ліпідів під дією відповідних ферментів часто передує їх подрібнення – емульгація. Емульгаторами жирів є жовчі кислоти, які виробляються у печінці та входять до складу жовчі. Нуклеїнові кислоти під дією ферментів спочатку розщеплюються до нуклеотидів, а ті до вільних нітратних основ, моносахариду та фосфатної кислоти.

Другий етап енергетичного обміну називають неповним (безкисневим, анаеробним), або гліколізом, відбувається в клітинах.

Речовини, які утворилися на підготовчому етапі продовжують розпадатися далі. Це тривалий багатоступеневий процес без участі кисню.

Анаеробне розщеплення, або анаеробне дихання, - це найпростіша форма утворення та запасання енергії у високоенергетичних зв’язках молекул АТФ. Деякі мікроорганізми і безхребетні тварини не можуть використовувати кисень у процесах енергетичного обміну. Тому необхідну енергію вони можуть одержати лише у результаті анаеробного розщеплення органічних сполук.

Найважливішим на безкисневому етапі енергетичного обміну в клітинах є розщеплення молекул глюкози за допомогою гліколізу. Під час гліколізу молекула глюкози С₆Н₁₂О₆ розщеплюється на дві молекули піровиноградної кислоти С₃Н₄О₃ або молочної кислоти С₃Н₆О₃. Анаеробне розщеплення складається з ряду ферментативних реакцій, що відбуваються одна за одною. Кожна реакція каталізується особливим ферментом, оскільки дія ферментів строго специфічна. Ферменти, як беруть участь у цьому процесі, розміщуються на внутрішньоклітинних мембранах правильними рядами. Речовина, потрапивши на перший фермент цього ряду, пересувається, як на конвеєрі, на другий фермент, потім на третій і т.д. Сумарне рівняння має такий вигляд:

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ → 2С₃Н₆О₃ + 2АТФ + 2Н₂О + 200кДж

80 кДж 120 кДж

акумулюються у 2 моль АТФ розсіюється

у вигляді тепла

Як видно з рівняння, у процесі гліколізу в АТФ акумулюються близько 40% енергії (80 кДж із 200 кДж). Процес гліколізу відбувається у клітинах тварин, молочнокислих бактерій і деяких грибів. У більшості рослин безкисневий розклад відбувається шляхом спиртового бродіння. Багато стадій цього процесу аналогічні гліколізу, але кінцевими продуктами його замість молочної кислоти є вуглекислий газ і етиловий спирт.

У процесі гліколізу вивільняється приблизно 1/14 (7%) усієї енергії, що міститься в глюкозі.

Гліколіз має важливе фізіологічне значення. Організми можуть діставати енергію в умовах дефіциту кисню, а його кінцеві продукти зазнають подальшого ферментативного перетворення за наявності кисню.

Глюкоза також розщеплюється у результаті спиртового бродіння, до якого здатні деякі види дріжджів і бактерій. У наслідок цього процесу молекула глюкози розпадається на дві молекули етилового спирту та на дві молекули вуглекислого газу:

С₁₂Н₂₂О₁₁ 2С₂Н₅ОН + 2СО₂

Третій етап енергетичного називають повним, або кисневим розщепленням (цикл Кребса).

Під час цього етапу органічні сполуки, які утворилися на попередньому, без кисневому, окислюються до кінцевих продуктів – СО₂ і Н₂О. Процеси відбуваються у клітинах, сукупність реакцій окиснення, які відбуваються в живих клітинах називають біологічним окисненням. Завдяки йому організм дістає значну кількість енергії, необхідної для забезпечення процесів життєдіяльності. Частина цієї енергії запасається в високоенергетичних зв’язках молекул АТФ.

Під час хімічних окислювально - відновних реакцій електрони переносяться від відновника до окисника, процес біологічного окиснення органічних сполук пов'язаний з відщепленням від них гідрогену і приєднанням його до молекулярного кисню за допомогою особливих біологічно активних речовин – переносників при утворюванні води. Реакції біологічного окиснення, як і будь які біологічні процеси, каналізують певні ферменти.

Аеробне дихання відбувається в мітохондріях. Піровиноградна кислота, яка утворюється в результаті анаеробного розщеплення вуглеводів, жирів і білків, окислюється до СО₂ і Н₂О. Аеробне розщеплення, як і анаеробний етап, є рядом послідовних ферментативних реакцій. Кожна реакція каталізується особливим ферментом. Їх сукупність зазвичай називають циклом Кребса. Аеробний процес Кребса – це справжній коловий процес. Цикл Кребса починається реакцією піровиноградної кислоти з щавлевооцтовою кислотою, а закінчується утворенням щавлевооцтової кислоти, тобто утворенням продукту, з якого процес почався.