Підручник Біологія 9 клас - В. І. Соболь - Абетка 2017

Тема 3. ПРИНЦИПИ ФУНКЦІОНУВАННЯ КЛІТИНИ

§ 18. РОЗЩЕПЛЕННЯ ОРГАНІЧНИХ РЕЧОВИН У ЖИВИХ ОРГАНІЗМАХ

Головна властивість живого - здатність вивільняти, перетворювати й використовувати енергію ззовні.

Н. Грін, У. Стаут, Д. Тейлор. Біологія

Основні поняття й ключові терміни: КАТАБОЛІЗМ. Гідроліз. Біологічне окиснення.

Пригадайте! Що таке живлення?

Поміркуйте!

Енергія не виникає ні з чого і нікуди не зникає, вона може тільки переходити з одного виду в інший (закон збереження енергії).

А як відбувається взаємоперетворення енергії у клітині?

ЗМІСТ

Яке значення має розщеплення органічних речовин?

Сукупність процесів, що здійснюють надходження в клітину необхідних для життєдіяльності речовин, називається клітинним живленням (іл. 46). У клітини рослин, ціанобактерій, фото- і хемосинтезуючих бактерій надходять неорганічні сполуки, з яких утворюються прості органічні сполуки, що визначає автотрофне живлення. Внаслідок гетеротрофного живлення клітини багатьох прокаріотів, тварин і грибів отримують прості (амінокислоти, жирні кислоти, моносахариди) або складні (білки, ліпіди й складні вуглеводи) органічні речовини. Є в живій природі ще група організмів, які на світлі живляться за допомогою хлоропластів, а в умовах недостатнього освітлення поглинають крізь пори клітинної стінки низькомолекулярні органічні речовини (наприклад, хламідомонада, діатомові водорості). У них змішане, або міксотрофне, живлення. Живлення клітин відбувається за участі клітинної мембрани, гіалоплазми, хлоропластів, лізосом.

Розщеплення простих або складних органічних речовин спрямоване на вивільнення хімічної енергії, що може перетворюватися в інші форми. Слід пам’ятати, що в біологічних системах енергія існує в різних формах: хімічній, електричній, механічній, тепловій і світловій, які здатні перетворюватися одна в одну.

Іл. 46. Одноклітинні організми з різним типом живлення: 1 - мікрастеріас (автотрофне); 2 - інфузорія трубач (гетеротрофне);

3 - хламідомонада (міксотрофне)

Так, хімічна енергія сполук, що розщепилися, використовується для біохімічних реакцій синтезу, перетворюється в механічну енергію руху, електричну енергію нервових імпульсів, теплову енергію для підтримання оптимальної для життя температури, світлову енергію біологічного світіння.

Отже, розщеплення органічних речовин забезпечує вивільнення хімічної енергії з поживних речовин, що надходять у клітини завдяки живленню.

Як відбувається розщеплення органічних сполук у клітинах?

КАТАБОЛІЗМ (від грец. катаболе - скидання донизу, руйнування) - це енергетичний обмін, або сукупність реакцій розщеплення складних сполук до простіших, що супроводжується виділенням енергії. Розділ біохімії, який займається вивченням перетворення і використання енергії у живих клітинах, називається біоенергетикою. Енергетика катаболічних процесів різниться з енергетичними реакціями неживої природи.

Першою особливістю є те, що реакції катаболізму відбуваються за участі ферментів, якими є оксидоредуктази і гідролази. Завдяки їхньому упорядкованому розташуванню на клітинних мембранах чи у відсіках, відокремлених мембранами, реакції катаболізму є високо ефективними. Через це перетворення хімічної енергії в інші форми здійснюється без значних теплових втрат. Так, коефіцієнт корисної дії (ККД) звичайного двигуна становить 20 - 25 %, а мітохондрій - 60 - 70 %.

Другою особливістю катаболізму є те, що вивільнення енергії у реакціях розщеплення відбувається поступово, аж до утворення кінцевих продуктів окиснення - води і вуглекислого газу. Наприклад, під час повного розщеплення 1 моль глюкози виділяється близько 2 800 кДж енергії. Вивільнення всієї цієї кількості енергії одразу для клітини означало б миттєву загибель.

Третьою особливістю катаболізму є те, що хімічна енергія, яка вивільняється під час руйнування хімічних зв’язків молекул вуглеводів, ліпідів, білків, акумулюється в молекулах особливої речовини живого - аденозинтрифосфатної кислоти (АТФ) (іл. 47). Акумульована енергія цієї універсальної сполуки є доступною для різних процесів життєдіяльності клітини.

Отже, розщеплення органічних речовин у клітинах відрізняється від хімічних реакцій розкладу і називається КАТАБОЛІЗМОМ.

Іл. 47. Структурна формула і масштабна модель молекули АТФ: 1 - залишки ортофосфатної кислоти; 2 - моносахарид рибоза;

3 - азотиста (нітратна) основа аденін

Які основні шляхи розщеплення органічних речовин?

Поживні органічні речовини, що надходять чи утворюються в клітинах, поділяються на малі біомолекули та макромолекули. Їхня молекулярна маса та просторова структура визначають особливості розщеплення.

Макромолекули розщеплюються в клітинах завдяки гідролізу (від грец. гідро - вода, лізис - розщеплення). Це реакції обмінної взаємодії молекул з водою за участі ферментів-гідролаз. Білки за допомогою протеаз розщеплюються до амінокислот, жири за участі ліпаз - до жирних кислот й гліцерину, вуглеводи за допомогою амілаз - до моносахаридів. При цьому виділяється близько 0,8 % енергії, тобто енергетичний ефект цього етапу незначний, і вся енергія розсіюється у вигляді теплоти. Цей шлях розщеплення відбувається в ділянках цитоплазми з високим вмістом води або в травних вакуолях.

Подальше розщеплення малих молекул поживних речовин відбувається шляхом ферментативних окисно-відновних реакцій, а уся їхня сукупність називається біологічним окисненням. Це реакції перенесення електронів з однієї молекули на інші, що каталізуються оксидоредуктазами. Більшість процесів окиснення в організмі супроводжується відщепленням Гідрогену від органічних речовин. Основними субстратами біологічного окиснення є вуглеводи та жири, саме їхній катаболізм дає найбільшу кількість хімічної енергії. Біологічне окиснення в клітинах може бути безкисневим і кисневим.

Безкисневе розщеплення (анаеробне розщеплення) відбувається в гіалоплазмі й приводить до вивільнення незначної кількості енергії. На цьому етапі органічні сполуки зазнають розщеплення без участі кисню. Відщеплений Гідроген приєднується цілою низкою молекул, внаслідок чого утворюються різноманітні продукти відновлення (наприклад, молочна кислота), які мають значний запас енергії. Безкисневе розщеплення є найпростішою формою утворення енергії в багатьох клітинах. Найважливішими на цьому етапі в клітинах є гліколіз (безкисневе розщеплення моносахаридів), ліполіз (розщеплення запасних жирів й жирних кислот), протеоліз (розщеплення білків й амінокислот), бродіння (розщеплення вуглеводів під дією мікроорганізмів або їх ферментів).

Другий, набагато ефективніший шлях розщеплення органічних речовин, - це кисневе розщеплення (аеробне розщеплення, клітинне дихання). Воно відбувається в матриксі й на кристах мітохондрій за участі кисню; при цьому вивільняється основна частка енергії (понад 90 %). Під час аеробного розщеплення електрони і протони Гідрогену через низку проміжних сполук передаються на молекулярний кисень з утворенням води. Крім того, виділяється СО2, а при розщепленні нітрогеновмісних сполук (амінокислоти, нуклеотиди) ще й амоніак, який у подальшому підлягає знешкодженню.

Отже, розщеплення органічних речовин у клітині здійснюється завдяки гідролізу й біологічному окисненню, що відбуваються шляхом безкисневого і кисневого розщеплення.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Завдання на застосування знань

Розпізнайте зображені на ілюстраціях клітини та порівняйте за допомогою таблиці їхні особливості живлення й розщеплення органічних речовин.

Ознака

Об'єкт 1

Об'єкт 2

Назва

Тип живлення

Які речовини надходять у процесі клітинного живлення?

Який вид мембранного транспорту забезпечує надходження?

Що з ними відбувається в клітині?

Які речовини розщеплюються в клітині?

Де відбувається розщеплення органічних сполук у клітині?

Біологія + Хімія

Горіння, за сучасними уявленнями, - складний фізико-хімічний процес на основі екзотермічних окисно-відновних реакцій, що характеризується значною швидкістю перебігу, виділенням великої кількості теплоти й світла, обміном речовин з навколишнім середовищем. Під час горіння, як правило, утворюється полум’я. Горіння може початися спонтанно внаслідок самозаймання або бути спричиненим запалюванням. Горіння виникає, якщо є горюча речовина, окисник і джерело запалювання. А чим біологічне окиснення відрізняється від горіння?

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Фізика

Найвідомішими з електричних скатів є представники роду Torpedo (від лат. torpere - паралізувати). Сила струму, що її генерують скати, різниться залежно від виду. Наприклад, атлантичний торпедо (Torpedo nobiliana) може давати розряди в 220 В, але для більшості видів ця цифра менша і становить 5 - 40 В. Сильні розряди використовують для оглушення жертв, тоді як слабкі - для електроехолокації й визначення об’єктів полювання, для комунікації. Оцініть значення клітинного дихання для забезпечення цих енергетичних потреб.

РЕЗУЛЬТАТ

Оцінка

Завдання для самоконтролю

1 - 6

1. Що таке клітинне живлення? 2. Які є типи живлення? 3. Що таке катаболізм? 4. Назвіть особливості катаболізму. 5. Назвіть основні шляхи розщеплення органічних сполук. 6. Що таке біологічне окиснення й гідроліз?

7 - 9

7. Яке значення мають живлення й розщеплення органічних сполук для клітин?

8. Як відбувається розщеплення органічних сполук у клітинах? 9. Які основні шляхи розщеплення органічних сполук у клітинах?

10 - 12

10. Як відбувається взаємоперетворення енергії у клітині?





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