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

Тема 3. ПРИНЦИПИ ФУНКЦІОНУВАННЯ КЛІТИНИ

§ 16. Енергетичний обмін, або розпад величезних молекул до найдрібніших сполук

Терміни й поняття: гліколіз, клітинне дихання, цикл трикарбонових кислот, окисне фосфорилювання, дихальний ланцюг.

Сутність біологічного «горіння». Хоча перетворення енергії у клітині відбувається за тими ж законами фізики та хімії, що й спалювання вугілля на теплоелектростанціях або бензину у двигуні автомобіля (процес окиснення карбоновмісних сполук Оксигеном повітря), його ефективність у живих організмів значно вища. Вважають, що близько 55 % енергії, що вивільнилась під час окиснення органічних речовин, клітина запасає у формі енергії макроергічних зв’язків.

До того ж, на відміну від теплових машин (двигун внутрішнього згорання, реактивний двигун, газова турбіна тощо), які також використовують для роботи потенційну енергію хімічних зв’язків, перенесення кінетичної енергії в клітині здійснюється не від гарячих частин до холодних. У клітині спрацьовують інші механізми (табл. 4).

Таблиця 4.

Порівняння процесів горіння та дихання

Горіння

Дихання

Відбувається за високих температур (наприклад, дрова горять за температури 500-600 °С)

Відбувається за температури 36-37 °С

Енергія виділяється у вигляді теплоти та світла

Перетворюється на енергію хімічних зв’язків

Енергія вивільняється одразу

Вивільняється маленькими порціями

Неможливе у водному середовищі

У водному середовищі цілком можливе

Наприклад, температура мітохондрії, незважаючи на те, що в ній постійно відбуваються хімічні реакції, супроводжувані виділенням значної кількості енергії, не відрізняється від температури інших частин клітини й температура у клітині залишається сталою та невисокою. Це вкрай необхідно, адже білки не витримують температури, вищої за 50 °С, понад яку відбувається денатурація. Невипадково в гомойотермних тварин температура в клітині зазвичай підтримується в діапазоні 36-40 °С, а в пойкілотермних — майже не відрізняється від температури довкілля. Наприклад, в антарктичних риб, що живуть під льодом, вона навіть трохи нижча за 0 °С.

Енергетичний обмін та його етапи. Енергетичний обмін складається з трьох етапів: підготовчого, безкисневого та кисневого.

Перший етап — підготовчий — це розщеплення полісахаридів на глюкозу та інші моносахариди; жирів — на гліцерин та жирні кислоти; білків — на амінокислоти; полінуклеотидів — на окремі нуклеотиди. Цей етап відбувається у тварин спочатку в травному тракті, а потім уже в клітинах; у рослин — безпосередньо в клітинах. Процес супроводжується виділенням незначної кількості енергії, що розсіюється у вигляді теплоти.

Другий етап — анаеробний (безкисневий), або неповний. Процес відбувається без участі Оксигену і завершується утворенням проміжних сполук. Усі речовини, що утворились на першому етапі енергетичного обміну, можуть стати матеріалом для отримання енергії, але тоді вони зазнають подальшого розпаду. Це складний багатоступеневий процес, який являє собою каскад послідовних перетворень складних речовин на більш прості сполуки й відбувається в цитоплазмі клітини. Безкисневе розщеплення каталізується ферментами, що послідовно розташовуються на внутрішніх мембранах клітин. Речовина, отримана в результаті першої ферментативної реакції, надходить до другого ферменту, потім — до третього й т. д., що забезпечує чітку послідовність і відповідну організацію цього процесу.

Універсальною послідовністю реакцій другого етапу енергетичного обміну, що властива всім живим істотам, є гліколіз (від грец. глікіс — солодкий, лізіс — розкладання) — безкисневе розщеплення молекул глюкози, яка є головною енергетичною речовиною майже усіх живих істот. Гліколіз включає 12 проміжних реакцій, що каталізуються тринадцятьма ферментами.

У процесі гліколізу, що відбувається в умовах доступу вільного кисню, молекула глюкози (С6Н126) розщеплюється на дві молекули піровиноградної кислоти (С3Н4О3) (1). Якщо клітині не вистачає кисню, або він взагалі до неї не надходить, то утворюються дві молекули молочної кислоти (С3Н6О3) (2). При цьому виділяється енергія, якої вистачає лише для перетворення двох молекул АДФ на дві молекули АТФ.

С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ -> 2С3Н4О3+ 2АТФ + 2Н2О (1)

С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ -> С3Н6О3, + 2АТФ + 2Н2О (2)

Гліколіз — малоефективний шлях отримання енергії. Адже значна частина енергії, що вивільняється під час розщеплення глюкози, просто не використовується і розсіюється у вигляді тепла. Підраховано, що на цьому етапі в молекулах АТФ концентрується лише менше половини потенційної енергії хімічних зв'язків, а тому в аеробних умовах гліколіз лише передує кисневому розщепленню речовин.

Сутність енергетичного обміну в організмах, що поглинають кисень, полягає в окисненні карбоновмісних органічних речовин Оксигеном. На перший погляд, цей процес подібний до горіння, адже кінцевими продуктами стають вода та вуглекислий газ. Однак існує декілька суттєвих деталей, що відрізняють розпад органічних сполук в клітині від простого горіння. Адже енергетичний обмін у клітині відбувається за допомогою ферментів і протікає у кілька етапів; при цьому теплова енергія вивільняється дуже малими порціями: процес може проходити у водному середовищі. Енергетичний обмін відбувається в три етапи: підготовчий, який передбачає розпад біологічних макромолекул, анаеробний (гліколіз) та аеробний (тканинне або клітинне дихання).

1. Що спільного між енергетичним обміном у людини та горінням дров? 2. Які суттєві деталі відрізняють розпад органічних сполук, що відбувається у клітині, від простого горіння? 3. Які процеси проходять на першому етапі енергетичного обміну? 4. Що таке гліколіз і з яких етапів він складається?

· Які істоти виникли раніше — автотрофні чи гетеротрофні? Чи є можливим їх одночасне виникнення?





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