МХ-22 біологія і екологія 10.11.22
10.11.2022
Комбіноване заняття (2 год.)
Тема 2.4. Обмін речовин та енергії.
Опрацювати: Біологія 10 клас (за посиланням «Підручники»), §§18, 22-24, 27, с.71-74, 86-97, 105-108.
Виконати (письмово):
1. Записати у зошит етапи енергетичного обміну.
2. Створити біологічний словник із термінів, що зустрічаються по ходу лекції .
Біологічні системи є відкритими системами, які можуть існувати лише за умови постійного зовнішнього обміну речовинами, енергією та інформацією з навколишнім середовищем. Окрім того, всередині живих систем також відбувається інтенсивний внутрішній обмін речовин, енергії та інформації між окремими частинами біосистеми (органелами клітин, органами організму, організмами в екосистемі).
ОБМІН РЕЧОВИН І ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ – сукупність процесів, що забезпечують надходження речовин й енергії із середовища, їхнє перетворення у біологічних системах та видалення продуктів життєдіяльності й енергії у середовище. Обмін речовин і перетворення енергії характерні для всіх біосистем і відбуваються на усіх рівнях їхньої організації. Так, на молекулярному рівні в обміні речовин беруть участь біоелементи, біонеорганічні та біоорганічні речовини, у клітинах обмін речовин та енергії здійснюється за участі ферментів, в організмі відбуваються процеси взаємоперетворення речовин. У екосистемах. Обмін речовин і перетворення енергії – основа функціонування біосистем і біосфері обмін речовин й енергії називають біологічним кругообігом, тому що його здійснюють живі організми – продуценти, консументи й редуценти в харчових ланцюгах.
У загальному потоці речовин, енергії та інформації, що пронизує та об’єднує усі біологічні системи, можна виокремити три етапи: 1) надходження речовин та енергії у біосистеми; 2) внутрішньосистемні перетворення речовин та енергії; 3) видалення речовин та енергії із біосистеми. Наприклад, у клітинах рослин сонячне світло потрапляє на хлорофіл, перетворюється в енергію хімічних зв’язків АТФ і глюкози, а кисень, що утворюється як кінцевий продукт, виділяється в атмосферу.
Обмін речовин відбувається і в неживій природі, однак цей процес значно відрізняється від обміну в живих системах. Ця відмінність зумовлена насамперед тим, що обмін речовин у біосистемах забезпечує постійне самооновлення, саморегуляцію і самовідтворення та здійснюється завдяки злагодженій дії численних структур. У результаті обміну речовин енергія в біосистемах може накопичуватися, зберігатися й використовуватися для процесів життєдіяльності. Окрім того, ознаками біологічного обміну речовин й перетворення енергії є поетапність перебігу, біокаталітичний характер і регульованість процесів внутрішньосистемного перетворення.
Отже, функціонування біологічних систем можливе лише за умови надходження, перетворення й видалення певних речовин, енергії та інформації.
У чому полягає єдність процесів асиміляції й дисиміляції?
Асиміляція (від лат. assimilatio – уподібнення, засвоєння), або анаболізм, –частина загального обміну речовин й енергії, що полягає в поглинанні, нагромадженні та перетворенні речовин, що надходять в організм. Завдяки цим енерговитратним процесам організм засвоює поживні речовини, утворює власні речовини, будує з них свої структури, забезпечує ріст і розвиток, оновлення складників та накопичення запасів для використання їх як джерела енергії.
Дисиміляція (від лат. dissimilatio – несхожий), або катаболізм, – це частина загального обміну, під час якого відбуваються розщеплення, руйнування складних органічних сполук (білків, жирів, вуглеводів, нуклеїнових кислот) в організмі на простіші. Найпростішими кінцевими продуктами дисиміляції всіх організмів є вода, вуглекислий газ і амоніак. У процесі дисиміляції вивільняється енергія, яка перетворюється в інші форми та акумулюється в молекулах АТФ.
Процеси асиміляції не завжди перебувають у рівновазі з процесами дисиміляції. На процеси асиміляції й дисиміляції впливають такі чинники, як умови середовища, вік, стать, спосіб життя, вид діяльності, фізіологічний стан тощо.
Отже, асиміляція й дисиміляція є взаємно протилежними і нерозривно пов'язаними потоками речовин та енергії. Синтез речовин потребує енергії, що вивільняється під час розщеплення речовин.
Яке значення речовин, енергії та інформації для біосистем?
Речовина – це сукупність атомів, атомних частинок чи молекул, що перебувають у певному агрегатному стані. Хімічні речовини, що складаються з атомів одного виду, є простими (метали і неметали), з атомів різних видів – складними.
Складні хімічні речовини поділяються на органічні (наприклад, малі молекули, макромолекули) і неорганічні (оксиди, основи, кислоти й солі). Кожна речовина має свої специфічні властивості, тобто ознаки, за якими можна відрізнити її від інших речовин. Ознаки, за якими різні речовини подібні між собою або відрізняються одна від одної, називаються властивостями речовин. Розрізняють фізичні й хімічні властивості речовин, що визначають хімічні й фізичні процеси, які відбуваються в біосистемах. Речовини надходять до біосистем й беруть участь у пластичних й енергетичних перетвореннях. Пластична функція речовин полягає в утворенні власних речовин, тканин, органів живого. Енергетичні перетворення речовин пов’язані з утворенням або руйнуванням їхніх хімічних зв’язків.
Енергія (від грец. енергос – діяльний) – це загальна кількісна міра руху і взаємодії всіх видів матерії. Енергія не виникає ні з чого і нікуди не зникає, вона може тільки переходити з одного стану в інший (закон збереження енергії). Внаслідок існування закону збереження енергії поняття «енергія» об’єднує всі явища природи. Поняття енергії пов'язане зі здатністю фізичного тіла або системи виконувати роботу. При цьому тіло або система частково втрачає енергію, витрачаючи її на зміни в навколишніх тілах. Біологічні системи здатні отримувати світлову (енергія Сонця) або хімічну (енергія речовин) енергію ззовні, перетворювати її в різні види (механічну енергію руху, електричну енергію збудження, теплову енергію для терморегуляції тощо).
Інформація (від лат. іnformatio – пояснення, повідомлення) – це сукупність відомостей (даних), які сприймають із навколишнього середовища (вхідна інформація), видають у навколишнє середовище (вихідна інформація) або зберігають всередині певної системи. Для біологічних систем виокремлюють такі види інформації, як зовнішня й внутрішня, фізична (світлова, звукова, механічна, гравітаційна, теплова) й хімічна (нюхова, смакова). Так, зовнішня інформація про навколишнє середовище сприймається фото-, хемо-, термо-, механорецепторними молекулами чи клітинами, внутрішня генетична інформація записана на ДНК. Завдяки зовнішній інформації здійснюється подразливість живого, а генетична інформація забезпечує індивідуальний розвиток та зв'язок поколінь у часі.
Отже, триєдиний потік речовини, енергії та інформації виконує провідну інтегративну роль для самоорганізації та цілісності біологічних систем.
Як відбувається транспортування речовин крізь плазматичну мембрану?
Обмін речовин, енергії та інформації на рівні клітин відбувається внаслідок: 1) надходження речовин й енергії у клітину; 2) метаболізму; 3) видалення із клітин. Які структури клітин забезпечують ці процеси?
Мембранне транспортування (лат. transporto – переміщую) забезпечує перенесення різноманітних речовин, енергії та інформації крізь клітинні мембрани. Малі молекули та йони проходять крізь мембрани шляхом пасивного або активного транспортування, а перенесення макромолекул здійснюється завдяки ендо- й екзоцитозу.
Функції тих чи інших клітин обов’язково позначаються на будові їхніх клітинних мембран. Так, гепатоцити на одному зі своїх полюсів мають мікроворсинки або внутрішньоклітинні вип’ячування мембран для збільшення поверхні всмоктування шляхом дифузії речовин із крові. Розчинні у воді сполуки транспортуються в клітини шляхом осмосу, а гідрофобні неполярні речовини – шляхом полегшеної дифузії за участі білків-переносників. Мембрана гепатоцитів має високу ферментну активність для активного транспортування йонів й молекул як усередину клітини, так і з клітини. Активне транспортування речовин крізь мембрану здійснюється проти градієнта їх концентрації із затратою енергії АТФ та за участі спеціальних мембранних білків, які називаються йонними насосами. Наприклад, натрій-калієвий насос забезпечує переміщення низькомолекулярних сполук (амінокислот, глюкози) крізь мембрану за рахунок різної концентрації йонів Na+ і K+ всередині клітини і ззовні. За участі АТФ відбуваються ендоцитоз та екзоцитоз. При ендоцитозі плазматична мембрана утворює вирости, які потім перетворюються на внутрішньоклітинні пухирці, що містять захоплений клітиною матеріал. Розрізняють два види ендоцитозу: фагоцитоз і піноцитоз. Шляхом ендоцитозу відбувається всмоктування ліпопротеїнових частинок із крові після прийому жирної їжі, а шляхом екзоцитозу – вивільнення в кров жирових краплин, жовчі. У здійсненні транспортування речовин велике значення мають міжклітинні контакти. Так, біля жовчних канальців, у які секретується жовч, мембрани гепатоцитів зв’язані щільними контактами й десмосомами для запобігання дифузії. Для передачі сигнальних молекул чи поживних речовин між гепатоцитами існують щілинні контакти.
Отже, впорядкованість й регуляцію потоку речовин, енергії та інформації у клітину і з клітини забезпечує мембранне транспортування.
Які структури клітини забезпечують процеси метаболізму?
МЕТАБОЛІЗМ (від грец. метаболе – перетворення, зміна) – сукупність хімічних процесів, що забезпечують перетворення речовин, енергії та інформації в клітині. Ці зміни спрямовані на ВПОРЯДКОВАНІСТЬ клітини, тому в метаболічних процесах беруть участь усі структури клітини.
Значна частина метаболічних процесів відбувається в цитоплазмі клітини. Але в багатьох випадках для цього потрібні особливі структури. Ці структури є органелами клітини. Органели поділяють на дві великі групи — мембранні й немембранні. Мембранні органели відокремлені від інших частин клітини плазматичними мембранами, які їх укривають. Цих мембран може бути одна (у одномембранних органел) або дві (у двомембранних). Хоча тою чи іншою мірою в процесах метаболізму задіяні всі структури клітин, але за ступенем важливості їх можна розрізняти. До найбільш важливих відносять рибосоми (немембранні органели), ядро, мітохондрії і пластиди (двомембранні) та ендоплазматичну сітку і комплекс Гольджі (одномембранні).
Рибосоми синтезують білки з амінокислот. Вони мають складну форму і складаються з двох частин (субодиниць) — великої та малої, — які можуть розпадатися й об’єднуватися знову. До складу субодиниць входять молекули РНК і білків. Рибосоми розташовані в цитоплазмі клітин, на ендоплазматичній сітці, в мітохондріях і пластидах. Їх поділяють на два типи: прокаріотичні (менші за розміром) та еукаріотичні (більші). Рибосоми прокаріотичного типу містяться в клітинах прокаріотів, а також у мітохондріях і пластидах. А рибосоми еукаріотичного типу — у клітинах еукаріотів, у цитоплазмі та на ендоплазматичній сітці.
Ядро відповідає за збереження, відтворення й реалізацію спадкової інформації. Керує всіма процесами в клітині. Ядерна оболонка в багатьох місцях пронизана порами. Велика кількість таких пор у мембрані дозволяє легко здійснювати обмін інформацією між ядром і цитоплазмою. Усередині ядра розташовані каріоплазма, хроматин і ядерце. Каріоплазма є напівпрозорим внутрішнім середовищем, у якому відбуваються всі біохімічні реакції.
Мітохондрії виробляють енергію в результаті процесів біологічного окиснення. Внутрішня мембрана мітохондрій утворює вирости — кристи. Така будова мембрани дозволяє розмістити на ній багато білкових комплексів, які здійснюють процеси біологічного окиснення. Зовнішня мембрана гладенька. Внутрішнє середовище мітохондрій називається матриксом. Містять рибосоми прокаріотичного типу. У матриксі містяться кільцеві молекули мітохондріальної ДНК.
Пластиди здійснюють процес фотосинтезу. Вони синтезують необхідні для цього процесу білки. Можуть забезпечувати забарвлення органів рослин і накопичувати резервні речовини. Внутрішня мембрана пластид може утворювати відокремлені від неї структури у вигляді сплощених мішечків — тилакоїдів. Така будова мембрани дозволяє розмістити у них багато білкових комплексів, які здійснюють процеси фотосинтезу. Зовнішня мембрана гладенька. Внутрішнє середовище пластид називається стромою. У ній містяться кільцеві молекули ДНК. Пластиди містять рибосоми прокаріотичного типу. За забарвленням розрізняють зелені (хлоропласти), жовто-помаранчеві або червоні (хромопласти) і знебарвлені (лейкопласти). Ендоплазматична сітка. Розрізняють два основні типи ендоплазматичної сітки (ЕПС) — агранулярну (гладеньку) і гранулярну (шорстку). Агранулярна ендоплазматична сітка здійснює синтез ліпідів і деяких полісахаридів. Основна функція гранулярної ендоплазматичної сітки — синтез білків. Крім того, вона бере участь у транспорті білків у клітині. Ендоплазматична сітка складається із системи дрібних вакуолей і канальців, які з’єднані між собою. На мембранах гранулярної ендоплазматичної сітки розташовані рибосоми. Комплекс Гольджі. Ця структура відповідає за модифікацію білків, упаковування синтезованих продуктів у гранули, синтез деяких полісахаридів, формування клітинної мембрани, транспорт речовин, синтезованих у клітині, за її межі. Комплекс Гольджі утворено системою диктіосом. Вони мають вигляд стовпчиків із 5–20 пласких мембранних мішечків (цистерн), які розподілені в цитоплазмі окремо або з’єднуються в одну структуру.
Транспорт речовин між ЕПС, комплексом Гольджі та іншими органелами здійснюється переважно за допомогою везикул — невеликих пухирців, які відокремлені від цитозолю мембраною. Везикули можуть як зливатися з цистернами комплексу Гольджі, так і виокремлюватися від них.
Цитоплазма. Структури цитоплазми клітин також відіграють дуже важливу роль у процесах метаболізму. Особливе значення мають цитозоль та цитоскелет. Цитозоль (або гіалоплазма) є напіврідкою структурою, щільність якої може змінюватися в досить широких межах залежно від потреб клітини. Він є найбільшою за об’ємом складовою цитоплазми й утворює середовище, в якому відбуваються біохімічні реакції. Саме в цитозолі, наприклад, здійснюються реакції процесу гліколізу. Значну роль цитозоль відіграє і в процесах синтезу білків. Наприклад, у ссавців у цитозолі синтезується приблизно половина білків клітини. Ще одна важлива функція цієї структури — передача сигналів із зовнішнього середовища до ядра клітини і назад. Цитоскелет у процесах метаболізму виконує важливу транспортну функцію. За допомогою його мікротрубочок усередині клітини переміщуються, наприклад, продукти метаболізму. Для цього вони пакуються в невеличкі ліпідні пухирці (везикули) і за допомогою білків-переносників переміщуються вздовж мікротрубочок з використанням енергії АТФ.
Як відбувається знешкодження та виділення речовин із клітин?
У клітину разом з необхідними для її життя речовинами можуть потрапляти ззовні чужорідні або утворюватися всередині токсичні речовини (амоніак, гідроген пероксид, індол, скатол). Вони зазнають перетворень і видаляються. Біотрансформація (від грец. bios – життя, лат. transformatio – перетворення) – біохімічні процеси, в ході яких речовини зазнають змін під дією різних ферментів клітин. У ході першої фази біотрансформації молекула шкідливої речовини збагачується полярними функціональними групами, що робить її реакційноздатною і розчинною у воді. У другій фазі відбуваються синтетичні процеси поєднання з ендогенними молекулами (наприклад, з глюкуроновою кислотою, сульфатами, гліцином), у результаті чого утворюються полярні сполуки, які й виводяться з клітин.
Знешкодження токсичних сполук у клітинах забезпечується ферментами оксидоредуктазами, гідролазами, пероксидазами та відбувається в цитоплазмі, ЕПС, мікротільцях, мітохондріях, лізосомах. Так, за допомогою ферментів ЕПС відбувається детоксикація алкоголю, пероксидаза мікротілець розщеплює гідроген пероксид на воду й кисень. У гепатоцитах отруйний амоніак знешкоджується в процесі перетворення на сечовину.
Основними процесами клітинного виділення є: а) розчинення продуктів обміну речовин й видалення їх з клітин за участі вакуолей, залишкових тілець; б) ізолювання продуктів обміну у вигляді клітинних включень.
Отже, у клітинах відбуваються процеси, під час яких знешкоджуються, перетворюються й видаляються назовні шкідливі речовини та підтримується клітинний гомеостаз.
Які особливості живлення зелених рослин як автотрофних організмів?
АВТОТРОФНЕ ЖИВЛЕННЯ (від грец. аутос – сам і трофос – їжа) – це надходження в організм неорганічних речовин, необхідних для синтезу власних органічних сполук. Залежно від джерел енергії, що використовується при цьому, розрізняють фотоавтотрофне живлення (властиве ціанобактеріям і зеленим рослинам, у клітинах яких є зелені пігменти, що вбирають зовнішню світлову енергію) та хемоавтотрофне живлення (у деяких груп бактерій, які використовують внутрішню хімічну енергію неорганічних сполук).
Якими ж є особливості обміну речовин й енергії у зелених рослин як найдосконалішої групи автотрофів?
По-перше, у зелених рослин надходження неорганічних речовин забезпечують регульовані процеси повітряного і мінерального живлення. Повітряне живлення – це процес поглинання та засвоєння з повітря вуглекислого газу, який є вихідним продуктом для фотосинтезу. Надходження СО2 відбувається крізь продихи листка, тому саме цей вегетативний орган є органом повітряного живлення. Мінеральне живлення – це процес поглинання та засвоєння з ґрунту води та хімічних елементів, необхідних для життєдіяльності. Органом мінерального живлення в рослин є корінь.
По-друге, звичайним явищем для зелених рослин є поєднання автотрофного живлення з гетеротрофним й використання готових органічних речовин із зовнішнього середовища або із резервів у клітинах. В усіх рослин є період, коли організм використовує для життя раніше синтезовані та відкладені про запас органічні речовини. У темновий період живлення рослин також є гетеротрофним. За особливостями живлення серед рослин виокремлюють такі групи: рослини-сапрофіти (ялинник звичайний, гніздівка звичайна), рослини-напівпаразити (омела-біла, дзвінець, перестріч, очанка), рослини-паразити (вовчок, петрів хрест, повитиця), рослини-хижаки (венерина мухоловка, росичка круглолиста, жирянка, пухирник, непентес).
По-третє, зелені рослини із середовища отримують енергію Сонця. Утворення глюкози залежить передусім від якості й кількості світлової енергії, що поглинається хлорофілом і каротиноїдами листків. Найбільше значення для рослин мають сині, фіолетові й червоні промені видимого спектра. На початкових стадіях вегетації для росту й розвитку рослин важливими є сині промені, а в дорослому віці більш необхідними стають червоні промені.
Отже, особливостями живлення зелених рослин є повітряне й мінеральне живлення, використання готових органічних речовин і світлової енергії.
Які особливості внутрішньоклітинного метаболізму автотрофних організмів?
Визначальними процесами автотрофного метаболізму є анаболічні реакції. Це різні види фотосинтезу архей, фотобактерій та еукаріотичних рослин й хемосинтез залізо-, сірко- та нітрифікуючих бактерій. У деяких солелюбних (галофільних) архей спостерігається безхлорофільний фотосинтез, що здійснюється за участі бактеріородопсину. Принциповою відмінністю між кисневим фотосинтезом зелених рослин й ціанобактерій та бактеріальним фотосинтезом зелених і пурпурних сіркобактерій є те, що останній відбувається за участі бактеріохлорофілів у анаеробних умовах, кисень не виділяється, джерелом Гідрогену є сірководень. Кисневий фотосинтез відбувається з виділенням кисню за участі хлорофілів й каротиноїдів у зелених рослин та хлорофілів і фікобілінів – у ціанобактерій. Джерелом Гідрогену та молекулярного кисню для цього фотосинтезу слугує вода.
Ще однією особливістю автотрофів є їхня здатність перетворювати продукти фотосинтезу на амінокислоти, жирні кислоти, нуклеотиди, з яких далі утворюються складні біомолекули. Такий автотрофний анаболізм, що пов'язаний з фото- й хемосинтезом, називається первинним синтезом органічних речовин. І ось тут виявляється ще одна особливість, пов’язана з використанням мінерального Нітрогену у вигляді амоніаку й нітратів, а точніше їхніх йонів (NН4 + , NO3 – ). Зелені рослини можуть завдяки цьому синтезувати усі необхідні їм амінокислоти в процесах амінування й переамінування. Біосинтез білка в автотрофів відбувається так само, як і у тварин: на рибосомах за участі іРНК й тРНК. Однак у рослин існує додатковий шлях синтезу білка за допомогою ферментів-транспептидаз (транспептидази). Він полягає в тому, що ферменти переносять пептиди від однієї білкової молекули до іншої. При цьому відбувається рекомбінація ділянок різних білкових молекул із заданою амінокислотною послідовністю. В результаті нові білки утворюються без великих витрат енергії та речовин.
Для катаболізму автотрофів також характерні особливості, пов’язані з хемо- й фотосинтезом. Автотрофні організми в реакціях катаболізму розщеплюють синтезовані ними ж органічні речовини (найчастіше глюкозу або крохмаль). Окрім того, АТФ синтезується не лише в процесі дихання після окиснення глюкози, а й під час світлової фази фотосинтезу завдяки фотофосфорилюванню.
Отже, метаболізм автотрофних організмів має особливості, що визначаються їхньою здатністю до первинного синтезу органічних сполук з неорганічних речовин.
Які особливості виділення речовин у автотрофів?
Екскреція – сукупність процесів, спрямованих на виведення невикористаних продуктів обміну речовин й енергії, а також чужорідних і шкідливих для клітини сполук. Особливостями екскреції у автотрофів є те, що вони – первинні продуценти і синтезують в необхідній кількості усі потрібні органічні речовини. Наприклад, у рослин синтезується лише стільки білків, скільки необхідно на даний час.
Вони ніколи не утворюють білків у надлишку і тому виділяють дуже мало нітрогеновмісних відходів – продуктів розщеплення білків. Окрім того, кінцеві продукти обміну речовин у автотрофних організмів (О2, СО2, вода) слугують вихідними сполуками для інших реакцій. Наприклад, у рослин СО2 використовується в темновій фазі фотосинтезу, а вода – в світловій. Спеціалізованих органів екскреції у автотрофів немає, однак продукти виділення в них можуть накопичуватися та видалятися в середовище з тканинами й органами, що відмирають. Так, у зелених рослин відходи метаболізму відкладаються у відмерлих тканинах, у листках чи корі, що періодично видаляються. Виділення води у вигляді пари відбувається під час транспірації через продихи, сочевички, видалення надлишку води (гутація – від лат. gutta – крапля) – через водяні продихи (гідатоди) тощо. Вода випаровується через усі частини рослини та найінтенсивніше це здійснюють листки.
Своєрідним способом виділення є внутрішньоклітинне виділення та ізоляція переведених у важкорозчинну форму продуктів обміну. Наприклад, органічні
кислоти, що можуть спричинити шкоду клітині, зв’язуються з катіонами і відкладаються у вигляді кристалів у цитоплазмі (наприклад, включення з кальцій оксалату в щавлю).
Отже, виділення речовин у процесі життєдіяльності є важливим компонентом обміну речовин і гомеостазу рослинного організму.
ОБМІН РЕЧОВИН У АВТОТРОФНИХ ОРГАНІЗМІВ – це обмін, що характеризується надходженням неорганічних речовин, які є джерелом Карбону, Гідрогену й Нітрогену, переважанням у клітинах анаболічних реакцій, первинним синтезом власних органічних сполук і використанням кінцевих продуктів обміну для реакцій.
Чому розрізняють різні типи й види гетеротрофного живлення?
ГЕТЕРОТРОФНЕ ЖИВЛЕННЯ (від грец. гетерос – різний і трофос – їжа) – це процес надходження в організм готових органічних речовин, що слугують джерелом Карбону. Залежно від джерел енергії розрізняють фотогетеротрофне живлення (пурпурні несірчані бактерії, геліобактерії мають бактеріохлорофіли, що використовують зовнішню світлову енергію) та хемогетеротрофне живлення (археї, більшість бактерій, тварини, гриби, що використовують внутрішню хімічну енергію органічних сполук). У живій природі виокремлюють ще один тип живлення – міксотрофний. Мікстотрофне живлення (від грец. міксо – змішаний і їжа) – це процес надходження в організм за одних умов середовища неорганічних речовин для фотоавтотрофного живлення, а за інших умов – готових органічних речовин для хемогетеротрофного живлення. Іншими словами, це змішане живлення, що спостерігається в комахоїдних рослин, рослин-паразитів, евглени зеленої, діатомових водоростей, певних груп бактерій.
Найбільш поширеними є організми з хемогетеротрофним типом живлення – хемогетеротрофи. Саме вони демонструють різноманітність видів гетеротрофного живлення. За джерелом готових органічних речовин їх класифікують на хижаків (хижі тварини, хижі гриби, хижі рослини отримують готові органічні речовини з тіла своєї жертви), фітофагів (рослиноїдні тварини використовують органічні речовини зеленої маси), сапрофагів (жук-гнойовик, річкові раки, гієни, грифи споживають органічні речовини відмерлих організмів), паразитів (черви-гельмінти, блохи, воші живляться поживними речовинами живих організмів, чим завдають їм шкоди) та симбіотрофів (актинії, губани-чистильники, мікоризні гриби живляться поживними речовинами живих організмів, не завдаючи їм шкоди).
Способи здобування їжі в гетеротрофних організмів є дуже різноманітними, але шлях засвоєння поживних речовин у більшості з них подібний і складається з таких етапів: поглинання їжі – перетравлювання складних поживних речовин – всмоктування малих біомолекул – метаболізм – виділення.
Отже, типи й види гетеротрофного живлення розрізняють за джерелом енергії та джерелами отримання готових органічних речовин.
Які особливості метаболізму гетеротрофів?
Визначальними й переважаючими процесами метаболізму гетеротрофів є катаболічні реакції розщеплення складних органічних речовин. Завдяки їм відбуваються вивільнення хімічної енергії, перетворення її в енергію АТФ і використання для життєдіяльності та реакцій анаболізму. Катаболізм більшості гетеротрофів можна поділити на три етапи.
• Підготовчий етап – це специфічний для гетеротрофів етап перетравлювання й розщеплення біополімерів до малих молекул: білки – до амінокислот, жири – до жирних кислот і гліцеролу, полісахариди – до моносахаридів. Цей етап відбувається у травній системі, а також внутрішньоклітинно в лізосомах.
У цих процесах не виділяється достатньої кількості енергії для синтезу АТФ, вся вона втрачається в тепловій формі.
• Безкисневий (анаеробний) етап – розщеплення мономерів до ще менших молекул, переважно ацетил-КоА; на цьому етапі в реакціях синтезується незначна кількість АТФ. За неповного розщеплення 1 моль глюкози вивільняється 200 кДж енергії. Одним із основних шляхів цього етапу є гліколіз.
• Кисневий (аеробний) етап включає цикл Кребса та окиснювальне фосфорилювання, що відбуваються в мітохондріях. На цьому етапі органічні речовини окиснюються до вуглекислого газу, а всі відщеплені від них електрони та протони переносяться на кисень, внаслідок чого утворюється вода. На цьому етапі синтезується найбільша кількість АТФ. Так, з 1 моль глюкози вивільняється 2600 кДж енергії.
Вивільнена енергія й малі молекули беруть участь в анаболічних процесах утворення власних органічних речовин. Таку сукупність перетворень називають вторинним синтезом органічних речовин. Цей синтез здійснюється завдяки внутрішньоклітинній енергії окиснення речовин, а не зовнішній світловій енергії, як у автотрофів. Ще однією особливістю анаболізму гетеротрофів є потреба в незамінних амінокислотах й жирних кислотах, що не синтезуються в їхніх організмах і мають надходити з їжею. На відміну від автотрофів, здатних засвоювати Нітроген мінеральних сполук, гетеротрофні організми потребують Нітроген в органічній формі (амінокислоти, білки).
Отже, метаболізм гетеротрофних організмів має особливості, що визначаються використанням готових органічних речовин та їхньою здатністю до вторинного синтезу органічних речовин.
Як відбувається екскреція у гетеротрофних організмів?
У зв’язку з різноманіттям видів живлення й переважанням катаболічних реакцій розщеплення в організмі гетеротрофів утворюються й видаляються дуже різні речовини. Такими сполуками можуть бути: 1) кінцеві продукти окиснення (вуглекислий газ, вода); 2) надлишок води й солей; 3) отруйні сполуки, що надійшли до організму з їжею або утворилися під час реакцій (наприклад, токсини); 4) кінцеві продукти обміну білків (амоніак, сечовина); 5) чужорідні речовини (наприклад, отрутохімікати, радіонукліди).
Виділення з організму може здійснюватись шляхом дифузії (у грибів, твариноподібних організмів, бактерій) або за участі спеціальних видільних органів (протонефридії, метанефридії, зелені залози, видільні трубочки, нирки).
Своєрідним способом виділення є відкладання переведених у важкорозчинну форму продуктів обміну в клітинах тіла (наприклад, у клітинах жирового тіла комах).
Для гетеротрофів важливим видом обміну речовин є обмін білків. У ньому кінцевими продуктами є нітрогеновмісні сполуки – амоніак, сечовина, сечова кислота, що швидко видаляються з організму. Досить часто у зв’язку з потребами економії води легкорозчинні амоніак і сечовина замінюються на важкорозчинні речовини, якими є гуанін (наприклад, у павуків) або сечова кислота (наприклад, у комах, плазунів, птахів).
Отже, завершальний етап обміну речовин й енергії у гетеротрофів також має свої особливості, якими є наявність нітрогеновмісних кінцевих продуктів і спеціалізованих органів виділення.
ОБМІН РЕЧОВИН У ГЕТЕРОТРОФНИХ ОРГАНІЗМІВ – це обмін, що характеризується надходженням готових органічних речовин, які є джерелом вільної хімічної енергії, Карбону, Гідрогену й Нітрогену, переважанням у клітинах катаболічних реакцій розщеплення цих речовин, вторинним синтезом власних органічних сполук і видаленням із клітин кінцевих продуктів обміну, зокрема амоніаку.
Яка роль АТФ у забезпеченні процесів метаболізму?
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 й 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: а) основою є окисно-відновні реакції, що відбуваються за участі ферментів; б) мають поступовий (поетапний) характер; в) здійснюються за участі високоспеціалізованих структур – фотомембран, мезосом, мітохондрій та хлоропластів; г) для акумулювання, збереження й внутрішнього перенесення енергії слугує АТФ.
Аденозинтрифосфатна кислота (АТФ) – органічна сполука, що належить до вільних нуклеотидів і є універсальним хімічним акумулятором енергії у клі-
тині. Пригадаємо, що 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 ж від молекули АТФ відщеплюються два фосфат-йони, то утворюється АМФ (аденозинмонофосфатна кислота) і звільняється близько 84 кДж енергії. Процеси розщеплення й утворення АТФ відбуваються постійно. Енергія макроергічних зв’язків 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).
Отже, основна функція АТФ – це енергетична, оскільки сполука бере участь в енергетичному обміні, запасаючи в своїх макроергічних зв’язках значну кількість енергії.
Які є способи отримання енергії живими організмами?
У живій природі розрізняють три основні способи отримання енергії. Перший із них властивий автотрофним організмам, другий – гетеротрофним, а третій властивий авто- й гетеротрофам:
1. У автотрофних організмів зовнішня енергія поглинається хлорофілом (бактеріохлорофілом) й перетворюється в хімічну енергію АТФ. Далі з вуглекислого газу й води в темновій фазі синтезується глюкоза. Як ви вже знаєте, в живій природі цей спосіб властивий фотоавтотрофам, у яких спостерігається кисневий фотосинтез (ціанобактерії, рослини) й 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 нітрифікуючі 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.
3. У автотрофних й гетеротрофних організмів внутрішньоклітинні перетворення енергії АТФ в різні форми енергії (електричну, світлову, теплову, механічну) сприяють виконанню клітиною процесів життєдіяльності. Частина цієї енергії втрачається у вигляді теплоти.
Отже, за способом отримання енергії живі організми поділяють на автотрофів і гетеротрофів.
Яка роль процесів дихання в забезпеченні організмів енергією?
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 й Гідрогену, розщеплення до кінцевих продуктів Н2О і СО2, 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 органічних речовин.
ЕТАПИ ЕНЕРГЕТИЧНОГО ОБМІНУ
І. Підготовчий (у травних вакуолях, лізосомах чи травному каналі; вивільняється 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.
ІІ. Безкисневий (анаеробний) (у гіалоплазмі клітин; вивільняється лише 5 – 7 % енергії).
Прості органічні сполуки розщеплюються без участі кисню: розщеплення глюкози – гліколіз, жирних кислот – ліполіз, амінокислот – протеоліз. Енергетичний ефект гліколізу – 200 кДж (116 кДж – на теплоту, 84 кДж – на АТФ):
С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 → 2 С3Н4О3 + 2Н2О + 2АТФ
ІІІ. Кисневий (аеробний) (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):
2С3Н4О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ → 6СО2 + 42Н2О + 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:
С6Н12О6 + 6О2 + 38АДФ + 38Н3РО4 → 6СО2 + 44Н2О + 38АТФ
Отже, клітинне дихання є сукупністю процесів, під час яких розщеплюються поживні речовини, вивільняється хімічна енергія та акумулююється в макроергічних зв’язках АТФ.
Комментарии
Отправить комментарий