Підручник Біологія 9 клас - С. В. Межжерін - Підручники і посібники 2017

Тема 3. ПРИНЦИПИ ФУНКЦІОНУВАННЯ КЛІТИНИ

§ 15. Метаболізм (обмін речовин і трансформація енергії) - одна з головних ознак живого

Терміни й поняття: обмін речовин, або метаболізм; анаболізм (асиміляція) або пластичний обмін: катаболізм (дисиміляція), або енергетичний обмін: гомойотермні і пойкілотермні організми; трансформація енергії.

Обмін речовин та перетворення енергії в клітині. Основою будь-яких процесів, що відбуваються в організмі (рух, ріст, розвиток, розмноження) є відповідь на подразник — хімічні реакції перетворення одних хімічних речовин на інші, що супроводжуються накопиченням або виділенням енергії. Власне кажучи, вони є основою життєвих процесів і дозволяють організму рости, розмножуватися, підтримувати сталість своєї організації й відповідати на подразники зовнішнього середовища.

Навіть у найменшій за розмірами клітині щосекунди відбувається тисячі хімічних перетворень. Причому ці перетворення мають протилежну спрямованість: в одних частинах клітини відбувається синтез речовини, наприклад АТФ, а в інших — їх розпад. Проте всі реакції чітко узгоджені та здійснюються під контролем клітини й організму, а тому за обов'язковою участю ферментів. Це дозволяє не лише прискорювати реакції в мільйони разів, причому без підвищення температури та за дуже низьких концентрацій речовин, а й регулювати процеси хімічних перетворень, що відбуваються в клітині.

Сукупність реакцій, які відбуваються у клітинах живих істот, називають обміном речовин, або метаболізмом (від грец. метаболе — зміна, перетворення).

Слід зазначити, що ключові реакції обміну речовин є універсальними для всіх живих істот, однак не лише кожний біологічний вид, а й кожна особина, яка має індивідуальні особливості будови, мають свої власні особливості обміну речовин. Хімічні реакції в клітинах відбуваються послідовно, тобто продукт, що утворився внаслідок однієї реакції, стає матеріалом для іншої і т. д. Цю сукупність реакцій називають метаболічними шляхами які зазвичай розгалужуються та утворюють цілі сітки метаболічних шляхів.

Два напрямки метаболічних процесів. Перший метаболічний шлях — це сукупність реакцій розщеплення органічних речовин до найпростіших неорганічних сполук, таких як вода (Н2О), карбон(ІV) оксид (СО2), амоніак (NН3). Цей процес називають катаболізмом (від грец. катаболе — руйнування), або дисиміляцією (від лат. діссіміляціо — розподібнення), або енергетичним обміном. Усі реакції енергетичного обміну відбуваються з вивільненням енергії, частина якої резервується організмом головним чином у молекулах АТФ, а інша частина вивільняється у вигляді тепла.

Крім того, під час розпаду величезних біологічних молекул з'являються нові речовини, які клітина використовує для утворення потрібних їй речовин.

Другий метаболічний шлях — це хімічні реакції зворотного напрямку, коли з простих речовин утворюються більш складні. Це реакції біологічного синтезу, сукупність яких називають анаболізмом (від грец. анаболе — підняття), або асиміляцією (від лат. ассіміляціо — уподібнення), або пластичним обміном.

Іл. 15.1. Співвідношення між анаболізмом та катаболізмом

Реакції пластичного обміну завжди потребують витрат енергії, джерелом якої передусім є АТФ.

Межа між енергетичним та пластичним обміном інколи дуже невизначена, адже, з одного боку, ті ж самі речовини утворюються під час розщеплення величезних макромолекул, а з іншого — беруть участь у біологічному синтезі (іл. 15.1).

Обмін речовин забезпечує властиву живому організму як цілісній системі динамічну рівновагу: між реакціями синтезу й розпаду виникає баланс. Можна сформулювати й так: на певну кількість утворених організмом хімічних сполук припадає відповідна кількість тих, що розклалися.

Етапи метаболізму. Як і будь-який складний процес, обмін речовин краще поділити на кілька етапів. У людини виділяють три основні.

• Перший етап — травлення. Процес передбачає не лише розпад макромолекул за допомогою реакції гідролізу на дрібні складові, а ще й механічну обробку їжі. Кінцевим результатом цього етапу є перетворення їжі на відносно дрібні молекули, які всмоктуються кишечником.

• Другий етап — транспорт речовин кров'ю і подальше їх розкладання на компоненти, які вже здатні проникати всередину клітин, де відбуваються процеси пластичного й енергетичного обміну.

• Третій етап — виділення продуктів обміну із сечею, калом, потом і видихуваним повітрям.

Інтенсивність метаболізму Число хімічних перетворень за одиницю часу, що відбувається в клітинах організму, називають інтенсивністю метаболізму. Вона залежить від багатьох факторів: маси, віку, розмірів організму (у дрібних ссавців чи птахів швидкість обміну речовин значно вища, ніж у великих за розмірами тварин), температури, освітлення, сонячної радіації, вологості та інших фізичних і хімічних чинників середовища. У людини метаболізм регулюється гормонами, що виробляються залозами внутрішньої секреції, робота яких, у свою чергу, координується нервовою системою.

У різних живих істот процеси хімічних перетворень відбуваються з неоднаковою інтенсивністю. У ссавців та птахів, яким властиві найбільш досконалі системи органів, інтенсивність метаболізму досягає такого високого рівня, що температура їхнього тіла завжди висока та постійна і не залежить від температури навколишнього середовища. Таких тварин називають гомойотермними (від грец. гомос — рівний, однаковий і терме — тепло) (іл. 15.2).

У менш еволюційно просунутих тварин, наприклад риб, земноводних, плазунів температура тіла нестала й змінюється в широких межах залежно від температури навколишнього середовища (іл. 15.3). Таких тварин називають пойкілотермними (від грец. пойкілос — мінливий і терме).

Іл. 15.2. Миша лісова — типова гомойотермна істота

Іл. 15.3. Карась звичайний — пойкілотермна істота

Клітинний гомеостаз. У здоровому організмі існує чіткий баланс між хімічними реакціями, що відбуваються на рівні клітини. Цей стан називають клітинним гомеостазом (від грец. гомоіос — подібний і стасіс — стан). У його основі лежить урівноваженість й узгодженість різноманітних хімічних перетворень, що відбуваються в клітині. Важливою умовою клітинного гомеостазу є стале співвідношення між хімічними реакціями синтезу й розпаду. Ключова роль у перебігу цих реакцій, як і в реакціях обміну, відведена ферментам, які, власне, й визначають, що за речовини та в якій кількості в клітині будуть розкладатися або синтезуватися. Найважливішою особливістю дії ферментів є те, що реакції за їх участю точно вивірені, а тому під час їх перебігу побічні продукти, які могли б згодом накопичитися в клітині та отруїти її, не утворюються.

Практичне значення знань про метаболічні процеси. Кожний, хто вважає себе «людиною розумною», повинен мати хоча б елементарне уявлення про те, які процеси відбуваються в його організмі, особливо, якщо йдеться про такий важливий біологічний процес як метаболізм. Цілком очевидно: щоб бути здоровим і жити довго, потрібно знати, що основою життя є сукупність хімічних реакцій, які протікають за чітко визначеною програмою. Потрібно чітко усвідомлювати, що таке правильне харчування, навіщо й наскільки потрібні організму, наприклад вітаміни. Адже ці речовини є складниками ферментів, а саме ці біомолекули й визначають набір та швидкість хімічних реакцій, що відбуваються в клітині.

Потрібно добре розуміти призначення і склад лікарських засобів, спосіб їх застосування та їх вплив на перебіг хімічних реакцій в окремих органах чи в усьому тілі. Слід пам'ятати, що нормальний метаболізм неможливий без окремих груп корисних бактерій, які живуть в організмі. Загалом, добре налагоджений метаболізм — це і є життя, краса та здоров'я (іл. 15.4).

Іл. 15.4. Налагоджений метаболіт це життя, краса та здоров'я

Будь-яка хвороба неодмінно призводить до порушення обміну речовин. Інколи на цій особливості організму базуються методи діагностики різноманітних захворювань, які важко визначити іншими способами. Однак не лише хвороби впливають на метаболізм, а й порушення метаболізму впливає на здоров'я. Саме такі розлади в роботі організму викликає певна група спадкових хвороб, спричинених мутаціями, які зупиняють утворення певних ферментів. У результаті в клітинах не лише не відбуваються необхідні хімічні реакції, а навіть накопичуються непотрібні речовини, які згодом стають токсичними й призводять до хвороб.

Трансформація енергії в клітині. Організм — це відкрита система, а тому його функціонування можливе лише завдяки безперервному споживанню енергії. Саме тому будь-яка клітина здатна зберігати свою структуру й виконувати певну роботу лише за умови потрапляння енергії ззовні. Якщо потік енергії припиняється, а власні резерви вичерпуються, клітина втрачає здатність виконувати механічну, електричну та хімічну роботу, а її структура починає руйнуватися. Згодом настає смерть. Рослини як джерело енергії використовують сонячне світло, а тварини отримують енергію з їжею.

У клітині перетворення енергії пов'язані з перетворенням потенційної енергії в кінетичну і навпаки. Потенційна енергія клітини — це та частина енергії, що накопичується у вигляді зв'язків між атомами хімічних сполук: АТФ, вуглеводів, жирів. Кінетична енергія — вивільнення цих запасів у вигляді будь-якої механічної роботи клітини, тепла або енергії, яка необхідна для синтезу органічних речовин. Між надходженням та витратою енергії повинен бути певний баланс. Якщо енергії поступає забагато, то вона переходить у форму потенційної енергії хімічних сполук. Якщо енергії бракує, то організм починає розкладати речовини, призначені для інших функцій. Це може призвести до виснаження.

Сукупність керованих хімічних перетворень у кожній клітині організму називають обміном речовин, або метаболізмом. Реакції розпаду, що супроводжуються вивільненням енергії, називають енергетичним обміном, а реакції синтезу, що потребують енергії, — пластичним обміном. Процеси метаболізму, їх інтенсивність залежать від багатьох чинників: як зовнішніх, так і внутрішніх. Порушення обміну речовин можуть викликати спадкові фактори або нездоровий спосіб життя, а це призводить до розладів у роботі організму та до важких захворювань.

1. Що таке обмін речовин і де він відбувається? 2. Чим енергетичний обмін відрізняється від пластичного? 3. Що забезпечує клітинний гомеостаз? 4. Від чого залежить інтенсивність обміну речовин? 5. Чому ссавці та птахи мають постійну температуру тіла? 6. Як відбувається трансформація енергії в живому організмі?

· Чому в дрібніших організмів інтенсивність метаболізму вища, ніж у крупніших представників цього самого виду? Які це може мати наслідки?





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити