ОБМІН РЕЧОВИН І ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ

З історії відкриттів

Людство поступово розкриває таємниці життєдіяльності клітини, процесів перетворення в ній речовин, енергетичного забезпечення процесів обміну речовин.

Уперше синтезував з неорганічної речовини органічну сполуку німецький хімік, лікар Фрідріх Велер (1800-1882). Після робіт Велера з часом почали з’ясовуватися механізми таких процесів, як дихання, бродіння, ферментація, фотосинтез. Вивчення хімічного складу та властивостей сполук, виділених із тварин і рослин, стало предметом органічної хімії (хімії органічних сполук). Початок біохімії ознаменувався відкриттям першого ферменту діастази (нині відомого як амілаза) 1833 р. Ансельмом Паєном. Труднощі, пов’язані з виділенням ферментів із тканин і клітин, наводили на думку про неможливість вивчення клітинних ферментів поза живими істотами. Проте 1896 р. можливість спостерігати спиртове бродіння в екстрактах розтертих (тобто позбавлених структурної цілісності) дріжджів було підтверджено німецьким ученим Едуардом Бухнером, який зумів експериментально спостерігати цей процес.

Сам термін біохімія вперше запропонований 1882 р., проте широко використовувати його почали після робіт німецького хіміка Карла Нойберга 1903 р. Відтоді біохімія швидко розвивалася, особливо починаючи з середини XX ст., перш за все завдяки розробці нових методів (хроматографія, рентгеноструктурний аналіз, метод мічених атомів тощо).

Наукові праці Климента Тімірязєва присвячено вивченню фотосинтезу. Учений установив, що фотосинтез відбувається за законом збереження енергії; інтенсивність фотосинтезу тісно пов’язана з інтенсивністю світла. Тімірязєв висловив думку, що хлорофіл хімічно бере участь у фотосинтезі, передбачивши тим самим розвиток сучасної фізіології рослин.

Перебіг гліколізу в клітинах дріжджів описали Отто Варбург, Ганс фон Ейлер-Хельпін та Артур Гарден (два останні вчені отримали Нобелівську премію з хімії (1929 р.). Гліколіз у м’язах дослідили Густав Ембден та Отто Меєргоф (Нобелівська премія в галузі фізіології або медицини 1922 р.).

За свої дослідження в галузі біохімії отримали Нобелівську премію з фізіології або медицини 1953 р. два біохіміки німецького походження - англійський Ханс Адольф Кребс та американський Фріц Альберт Ліпман за відкриття циклу біохімічних реакцій під час кисневого етапу енергетичного обміну (названий циклом Кребса). Американський хімік Мелвін Кальвін вивчав процеси темнової фази фотосинтезу (цикл Кальвіна). За ці дослідження він був удостоєний Нобелівської премії 1961 р. Пізніше Пітер Денніс Мітчелл розкрив механізм синтезу мітохондріями головної енергетичної молекули - АТФ (Нобелівська премія 1978 р.)

Климент Аркадійович Тімірязєв (1843-1920)

Ханс Адольф Кребс (1900-1981)

§ 15. Обмін речовин та енергії — основа функціонування біологічних систем

Дайте означення поняття обмін речовин.

Що таке пластичний та енергетичний обмін?

Біологічні системи - це відкриті системи, тобто вони перебувають у стані постійного обміну речовин і енергії з навколишнім середовищем. Для забезпечення власних енергетичних потреб організми використовують енергію, що надходить з навколишнього середовища. Вони акумулюють енергію у формі хімічних зв’язків органічних молекул, отже, перетворення енергії взаємопов’язане з обміном речовин. Для біологічних систем обмін з навколишнім середовищем є умовою збереження й підтримки їхньої структурної організації шляхом самооновлення всіх речовин і компонентів, з яких вони складаються. Є відкриті системи і в неживій природі, але їх існування якісно відрізняється від існування живих систем (рис. 68).

Обмін речовин та перетворення енергії. Біологічні системи потребують надходження речовин з навколишнього середовища та їх перетворення.

Сукупність усіх хімічних перетворень речовин в організмі з моменту надходження їх з навколишнього середовища до моменту виведення продуктів розпаду називають обміном речовин, або метаболізмом.

В організмі одночасно відбувається перебіг процесів двох типів. З навколишнього середовища надходять певні речовини, поглинається енергія, необхідна для утворення хімічних зв’язків, і відбуваються реакції синтезу складних речовин із простих, що забезпечують поновлення їхнього хімічного складу - асиміляція (від латинського слова assimulo - роблю подібним).

Рис. 68. Приклади відкритих систем Амеба протей. Живлення

Опишіть процес живлення амеби протей.

Поясніть значення живлення для підтримання гомеостазу зображеного організму.

Самородна сірка. Горіння

Ознайомтеся з прикладом відкритої системи:

«Палаючий шматок самородної сірки перебуває в стані обміну з навколишнім середовищем: горіння відбувається за участі O₂; унаслідок процесу виділяється SO₂ та енергія у вигляді тепла.»

Дайте відповідь на запитання:

«Чи зберігає шматок сірки свою первинну структуру?»

Асиміляція, або пластичний обмін, - сукупність реакцій синтезу високомолекулярних органічних речовин, що супроводжуються поглинанням енергії.

Водночас у біологічній системі відбувається протилежний процес - розщеплення складних речовин на простіші з вивільненням енергії - дисиміляція (від латинського слова dissimulo - роблю неподібним). Енергія, яка вивільняється, може накопичуватися в синтезованих молекулах АТФ, перетворюватися на теплову енергію тощо.

Дисиміляція, або енергетичний обмін, - сукупність реакцій розщеплення й окиснення органічних речовин, що супроводжуються вивільненням енергії.

Взаємозв’язок асиміляції та дисиміляції. Асиміляція та дисиміляція є протилежними складовими процесу обміну речовин і перетворення енергії. Однак вони нерозривно пов’язані між собою, що зумовлено значним запасом потенційної енергії саме в органічних молекулах. Реакції біосинтезу потребують поглинання енергії, що вивільняється в результаті реакцій енергетичного обміну. Для перебігу реакцій енергетичного обміну необхідний постійний біосинтез органічних речовин, які надалі будуть розщеплюватися. У процесі енергетичного обміну молекули АТФ утворюються, а в процесі пластичного обміну вони витрачаються, розщеплюються з виділенням енергії (рис. 69). Взаємозв’язок асиміляції і дисиміляції доводять дослідження, які показали, що під час розмноження організму значно переважають реакції розщеплення. Це зумовлено різким збільшенням витрат енергії на процеси подальшого росту та розвитку. У будь-якому організмі реакції обміну речовин і перетворення енергії тісно взаємозв’язані між собою, що становить основу життєдіяльності та забезпечує цілісність організму.

Рис. 69. Єдність процесів синтезу та розщеплення речовин