Обмін речовин і енергії в клітині. Енергетичний обмін

Загальна характеристика обміну речовин і енергії. Обмін речовин і енергії, або метаболізм (від грец. Metabole – зміна), – процес, який лежить в основі всіх явищ життя.
Всі відомі науці живі організми являють собою відкриті системи, постійно обмінюються речовиною і енергією з навколишнім середовищем. Енергія потрібна для біосинтезу складних органічних речовин, властивих кожній клітині (амінокислоти, цукру, нуклеотиди, ліпіди, білки, нуклеїнові кислоти), які використовуються для побудови різних клітинних структур і забезпечення процесів життєдіяльності. Для отримання енергії багато живі організми розщеплюють і окислюють складні органічні сполуки.
Клітка, так само як і організм, – відкрита жива система, тому вона може функціонувати тільки в умовах постійного обміну речовиною та енергією з навколишнім середовищем.

Обмін речовин здійснюється в три етапи:

надходження речовин у клітину;
використання цих речовин кліткою;
виділення кінцевих продуктів обміну в навколишнє середовище.

Процес використання надійшли в клітку речовин являє собою сукупність всіх хімічних реакцій, що протікають в клітині. Розрізняють дві сторони обмінних процесів: пластичний і енергетичний обміни.
Пластичний обмін, або анаболізм (від грец. Anabole – підйом), являє собою сукупність реакцій біосинтезу (фотосинтез, біосинтез білка, хемосинтез), що протікають з витратами енергії і забезпечують клітину структурним матеріалом.
Енергетичний обмін, або катаболізм (від грец. Katbole – скидання, руйнування), – це сукупність біохімічних реакцій розщеплення і окислення складних органічних речовин, що забезпечують клітину енергією.
Пластичний та енергетичний обміни нерозривно пов’язані між собою: всі реакції пластичного обміну потребують витрат енергії, накопиченої в процесі енергетичного обміну, а для протікання реакцій енергетичного обміну необхідні органічні речовини і ферменти (утворювані в процесі пластичного обміну).
Енергетичний обмін. Всі організми отримують енергію в результаті окислення органічних сполук. Окисленням називають втрату електронів яким-небудь атомом або втрату атомів водню молекулою, а також приєднання до молекули атомів кисню. Реакції окислення супроводжуються виділенням енергії. Особливо багато енергії виділяється при окисленні органічних сполук, так як в їх молекулах електрони перебувають на високих енергетичних рівнях, а значить, володіють великим запасом енергії.
Одним з основних джерел енергії для всіх клітин є глюкоза. У клітинах рослин глюкоза утворюється в процесі фотосинтезу (докладніше про фотосинтезі буде розказано в § 14). У клітинах тварин і грибів глюкоза утворюється при розщепленні органічних речовин, що надходять в організм разом з їжею. Оскільки запасним живильною речовиною, що утворюється в ході полімеризації молекул глюкози в рослинних клітинах, є крохмаль, а в клітинах тварин і грибів – глікоген, то ці речовини і являють собою енергетичний запас клітин. При нестачі вуглеводів в клітці з метою отримання енергії можуть використовуватися жири і навіть білки.
Енергетичний обмін у клітині здійснюється поетапно.
Етапи енергетичного обміну. Енергетичний обмін в клітинах більшості аеробних організмів у присутності кисню складається з трьох послідовних етапів: підготовчого, безкисневого і кисневого. На цих етапах органічні речовини поступово розщеплюються до простих, бідних енергією неорганічних сполук, наприклад до вуглекислого газу і води.
Перший етап – підготовчий. На цьому етапі складні органічні речовини, що надійшли в організм з їжею, за допомогою ферментів розщеплюються на більш прості. При цьому звільняється незначна кількість енергії, яка розсіюється у вигляді тепла. Білки розщеплюються до амінокислот, жири – до гліцерину і жирних кислот, нуклеїнові кислоти – до нуклеотидів, полісахариди – до моносахаридів. Розщеплення складних полісахаридів до глюкози відбувається за допомогою ферментів в шлунково-кишковому тракті і в лізосомах клітин.
Другий етап – безкисневий, або гліколіз (від грец. Glykys – солодкий, lysis – розчинення, розкладання). Безкисневий етап здійснюється в цитоплазмі клітин і протікає в декількох послідовних реакціях.
Кінцеві продукти гліколізу однієї молекули глюкози – дві молекули піровиноградної кислоти (C3H4O3), дві молекули АТФ і атоми водню:
C6H12O6 ? C3H4O3 + 4H + 2АТФ
Процес відбувається в кілька стадій і супроводжується виділенням енергії, частина якої (40%) використовується для синтезу двох молекул АТФ, а інша енергія (60%) розсіюється у вигляді тепла.
Енергія виділяється поступово, порціями. Моментальне звільнення енергії призвело б клітку до загибелі в результаті перегрівання.
У ссавців гліколіз найбільш інтенсивно протікає в клітинах скелетних м’язів, печінки, серцевого м’яза, еритроцитах, а також у клітинах ракових пухлин.
Подальше перетворення піровиноградної кислоти залежить від того, присутній або відсутній кисень в клітці.
По механізму, аналогічного гликолизу, в клітинах деяких організмів протікає процес бродіння. Наприклад, за відсутності кисню в рослинних клітинах і в клітинах дріжджів відбувається спиртове бродіння з утворенням етилового спирту (C2H5OH) і вуглекислого газу. У тваринних клітинах і в клітинах деяких бактерій при недоліку кисню відбувається молочнокисле бродіння, в результаті якого пировиноградная кислота перетворюється в молочну (C3H6O3).
Бродіння не дає додаткового енергетичного ефекту. Значна частина енергії, укладеної в молекулі глюкози, в процесі бродіння так і не витягується, а залишається в кінцевих продуктах бродіння – етиловому спирті або молочній кислоті. Саме тому бродіння (його ще називають анаеробним процесом окислення, так як воно йде без участі кисню) вважається малоефективним процесом. Для організмів, що мешкають в умовах пониженого вмісту кисню або його повної відсутності, бродіння – єдине джерело отримання енергії.
Бродіння відіграє важливу роль у круговороті речовин у природі. Процеси бродіння широко застосовуються в практичній діяльності людей. Протягом багатьох століть спиртове бродіння використовується у виноробстві, пивоварінні, хлібопеченні, для виробництва розчинників і т. Д.
Якщо в клітинах присутня кисень, то пировиноградная кислота надходить в мітохондрії для повного окислення в ході аеробного дихання.
Третій етап – кисневий – протікає в мітохондріях. Він починається в матриксі мітохондрій у вигляді складних циклічних реакцій, що одержали назву циклу Кребса на ім’я вченого, який відкрив дану послідовність ферментативних реакцій.
На Кріста мітохондрій протікають реакції окисного фосфорилювання. Відкриття окисного фосфорилювання належить російському вченому В. А. Енгельгардта.
Загальна реакція кисневого розщеплення (у розрахунку на одну молекулу глюкози) виглядає наступним чином:
3C3H4O3 + 6O2 + 3АДФ + 36H3PO4 ? 6CO2 + 3АТФ + 42H2O
У 36 молекулах АТФ запасається 55% енергії, звільненої в процесах аеробного (кисневого) дихання, а 45% енергії розсіюється у вигляді тепла.
Кисневий етап окислення органічних сполук є клітинним диханням, або біологічним окисленням, в результаті якого складні органічні речовини окислюються киснем до кінцевих продуктів – вуглекислого газу і води з визволенням енергії, що запасається клітинами у вигляді АТФ.
Таким чином, в ході всього енергетичного обміну глюкоза окислюється з утворенням води і вуглекислого газу, а енергія, спочатку запасена в молекулах глюкози, використовується на синтез АТФ:
C6H12O6 + 6O2 ? 6CO2 + 6H2O + енергія
Значення дихання полягає в запасанні енергії, а точніше, в освіті молекул АТФ, що забезпечує всі життєві процеси клітини.

Посилання на основну публікацію