Тема 3. Принципи функціонування клітин

У цій темі ви дізнаєтесь про:

особливості обміну речовин та енергії в клітинах автотрофних і гетеротрофних організмів;
особливості процесів пластичного обміну та перетворень енергії в живих істотах та їхнє значення для забезпечення життєдіяльності організмів;
значення процесів дихання для забезпечення процесів обміну речовин;
значення фотосинтезу для існування життя на нашій планеті.

§ 17. Обмін речовин та перетворення енергії в клітині. Клітинне дихання

Пригадайте, що таке метаболізм і гомеостаз. Яка кількість енергії виділяється під час розщеплення білків, ліпідів і вуглеводів? Що таке енергія з точки зору фізики? Які функції ферментів? Які процеси називають окисними, а які - відновними? Яка будова і функції АТФ і мітохондрій? Як відбуваються процеси дихання у рослин, тварин і людини? Які організми належать до анаеробних, а які - до аеробних?

Ви вже знаєте, що процеси метаболізму - це складний ланцюг перетворень різноманітних сполук, починаючи від моменту надходження їх в організм або окрему клітину й закінчуючи видаленням кінцевих продуктів обміну речовин у зовнішнє середовище. Кінцевими продуктами окиснення вуглеводів, жирних кислот та амінокислот зазвичай є вуглекислий газ та вода, які виводяться з організму. Для амінокислот додатковим продуктом розщеплення є сечовина - сполука, що містить Нітроген.

Процес видалення з організму продуктів обміну речовин має назву екскреція.

Ми вже згадували, що сукупність реакцій синтезу, які забезпечують ріст і розвиток як окремих клітин, так і цілісних організмів, поновлення їхнього хімічного складу, має назву пластичний обмін (від грец. пластос - створений). Ці процеси ще називають анаболізмом, або процесами асиміляції. На їхнє здійснення витрачається певна кількість енергії. Прикладами процесів асиміляції є синтез амінокислот, моносахаридів, жирних кислот, нуклеотидів, полісахаридів, білків, нуклеїнових кислот, АТФ тощо.

Пригадаймо: автотрофами (від грец. аутос - сам і трофе - споживати) називають організми, здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних (мал. 17.1, А). При цьому одні з них здатні до фотосинтезу, їх називають фототрофними (від грец. фотос - світло і трофе). До них належать зелені рослини, деякі бактерії (наприклад, ціанобактерії). Енергію світла, яку вони вбирають з довкілля, ці організми використовують для забезпечення власних процесів життєдіяльності або ж накопичують її у вигляді енергії хімічних зв’язків синтезованих ними сполук.

Мал. 17.1. А. Автотрофні організми: 1 - ціанобактерії; 2 - зелені водорості; 3 - квіткові рослини. Б. Гетеротрофні організми: 1 - гетеротрофні бактерії; 2 - гриби; 3 - тварини. В. Міксотрофні організми: 1 - евглена зелена; 2 - омела; 3 - росичка

Інші автотрофні організми для синтезу органічних сполук з неорганічних використовують енергію, яка вивільняється під час здійснення хімічних реакцій (деякі бактерії: нітрифікуючі, залізо- та сіркобактерії). Їх називають хемотрофними (від грец. хемо - хімічний і трофе).

Усі гриби, багатоклітинні тварини і більшість бактерій належать до гетеротрофів (від грец. гетерос - різний і трофе) (мал. 17.1, Б). Для них джерелом енергії є органічні сполуки, утворені іншими організмами. Ці органічні сполуки вони отримують з їжею (інші організми, їхні рештки або продукти життєдіяльності).

Існують і міксотрофи (від грец. місіс - змішування і трофе) - організми зі змішаним типом живлення (росичка, омела, хламідомонада, евглена зелена; мал. 17.1, В). Такі організми здатні не лише синтезувати органічні сполуки з неорганічних, а й поглинати готові органічні речовини. Як ви пам’ятаєте, росичка, що здійснює фотосинтез, здатна також «полювати» на дрібних тварин - комах і ракоподібних.

Сукупність реакцій розщеплення складних сполук у клітині або цілісному організмі до простіших, що супроводжуються виділенням енергії, називають енергетичним обміном, катаболізмом, або процесами дисиміляції. Вони ґрунтуються на реакції безкисневого розщеплення складних сполук до простіших або на реакції окиснення.

Процеси пластичного та енергетичного обмінів тісно взаємопов’язані (мал. 17.2).

Мал. 17.2. Схема, що ілюструє зв’язок між процесами асиміляції та дисиміляції

Єдність та узгодженість процесів пластичного та енергетичного обмінів забезпечує функціонування організмів як цілісних біологічних систем, здатних до саморегуляції та самовідтворення.

Одним з прикладів процесів енергетичного обміну (дисиміляції) є процеси дихання організмів. Пригадаймо: дихання - це сукупність процесів, які забезпечують надходження в організм кисню, використання його для окиснення органічних речовин у клітинах (білків, жирів, вуглеводів), а також видалення з організму вуглекислого газу, що утворився під час реакцій окиснення. Отже, дихання є однією з ланок газообміну між організмом та навколишнім середовищем.

Процеси клітинного дихання. Минулого року на прикладі організму людини ви дізналися, що дихання об’єднує три групи різних фізіологічних процесів: легеневу вентиляцію (обмін газів, який відбувається в легенях між повітрям, яке туди надходить, і кров’ю), транспорт газів кровоносною системою (у зв’язаному з гемоглобіном стані або розчинених у плазмі крові) від легень до всіх тканин тіла та клітинне дихання - використання кисню клітинами для реакцій вивільнення енергії. У результаті цих процесів утворюється вуглекислий газ, що виводиться з організму.

Фізіологічне значення клітинного дихання полягає у тому, що багаті на хімічну енергію сполуки за участю кисню окиснюються до простих, бідних на енергію (СО₂, Н₂О). У результаті цього вивільняється енергія, потрібна для забезпечення різноманітних процесів життєдіяльності.

У більшості багатоклітинних тварин процеси дихання забезпечує спеціалізована дихальна система, завдяки якій кисень надходить в організм або з атмосферного повітря (пригадаймо: трахеї комах, повітроносні шляхи та легені амфібій, рептилій, птахів і ссавців), або з води (зябра кільчастих червів, ракоподібних, молюсків, риб тощо). У рослин процесам дихання сприяють різні утвори: продихи у листків, сочевички на стовбурах (мал. 17.3). Кисень може надходити і за допомогою дифузії через покриви багатоклітинних організмів (рослин, грибів, губок, жалких, плоских червів, нематод та ін.) або оболонки окремих клітин (у бактерій, рослин, одноклітинних тварин тощо).

Мал. 17.3. Структури, які забезпечують дихання у рослин: 1 - продихи листків; 2 - сочевички

З курсу біології 6 класу ви знаєте, що в процесі фотосинтезу рослини вбирають вуглекислий газ, а виділяють у довкілля кисень. Але одночасно з фотосинтезом вони й дихають, поглинаючи кисень та виділяючи вуглекислий газ. Процеси дихання, які відбуваються одночасно з фотосинтезом, називають фотодиханням.

Молекулярні механізми клітинного дихання в рослин і тварин загалом подібні.

Етапи енергетичного обміну. Пригадаймо: у біологічних системах енергія існує в різних формах, здатних перетворюватись одна в іншу, забезпечуючи нормальний перебіг процесів життєдіяльності. Частина енергії, яка виділяється під час розщеплення органічних речовин, розсіюється у вигляді тепла, підтримуючи певну температуру клітини або цілісного організму, а частина - запасається у вигляді високоенергетичних хімічних зв’язків певних сполук. Як ви пам’ятаєте, універсальною сполукою - накопичувачем енергії в клітинах - є аденозинтрифосфатна кислота (АТФ).

Енергетичний обмін відбувається в три послідовних етапи: підготовчий, безкисневий і кисневий. Початковий етап енергетичного обміну - підготовчий - перебігає в цитоплазмі клітин усіх організмів, а в більшості багатоклітинних тварин і людини - також і в порожнині органів травної системи. На підготовчому етапі складні органічні сполуки під дією ферментів розщеплюються на простіші (пригадайте, на які сполуки розщеплюються білки, жири, полісахариди, нуклеїнові кислоти). Ці процеси супроводжуються вивільненням енергії, але її кількість незначна і вона розсіюється у вигляді тепла. Це тепло організми можуть використовувати для підтримання температури власного тіла.

На підготовчому етапі енергетичного обміну молекули АТФ не синтезуються.

За підготовчим етапом настає безкисневий, який відбувається в клітинах. Його ще називають анаеробним (від грец. ан - частинка, що означає заперечення, та аер - повітря), оскільки сполуки, які утворилися на попередньому етапі, зазнають подальшого багатоступеневого розщеплення, але без участі кисню. Цей етап енергетичного обміну обов’язковий для всіх організмів - як анаеробів, так і аеробів.

Деякі мікроорганізми і безхребетні тварини (здебільшого паразити) не можуть використовувати кисень у процесах енергетичного обміну. Необхідну енергію вони отримують завдяки анаеробному розщепленню органічних сполук (тобто анаеробному диханню). Більшість організмів у процесах енергетичного обміну здатні використовувати кисень. Але в таких організмів кисневому етапу енергетичного обміну завжди передує безкисневий.

Процеси безкисневого розщеплення вуглеводів, або анаеробне дихання, узагальнено називають гліколізом (від грец. глікіс — солодкий та лізіс — розщеплення).

Під час гліколізу виділяється приблизно 200 кДж енергії. Частина її (майже 84 кДж) витрачається на синтез двох молекул АТФ, а решта - розсіюється у вигляді тепла. Отже, процес гліколізу енергетично малоефективний: лише приблизно 35-40 % енергії, що виділяється, запасається в макроергічних зв’язках синтезованих молекул АТФ.

Незважаючи на відносно низьку ефективність, гліколіз має важливе фізіологічне значення. Завдяки цьому процесові організми можуть отримувати енергію за умов нестачі кисню, а його кінцеві продукти зазнають подальших ферментативних перетворень за наявності кисню. Проміжні продукти гліколізу використовуються для синтезу різних сполук.

Цікаво знати

Аналогічними до гліколізу є процеси бродіння: молочнокисле (яке здійснюють молочнокислі бактерії), спиртове (яке забезпечують дріжджі та певні групи бактерій) тощо. У першому випадку кінцевим продуктом бродіння є молочна кислота, у другому - етиловий спирт. Ці процеси людина використовує в господарстві: молочнокисле - для консервування продуктів харчування (квашення овочів, сироваріння) з метою їхнього тривалого зберігання (молочна кислота пригнічує ріст і розмноження шкідливих мікроорганізмів), отримання кисломолочних продуктів (ряжанки, сметани), силосування рослинної маси для годування свійських тварин, промислового отримання молочної кислоти або спиртів.

Завершальним етапом енергетичного обміну є кисневий, який ми розглянемо у наступному параграфі.

Ключові терміни та поняття: процеси асиміляції та дисиміляції, клітинне дихання, гліколіз.

Перевірте здобуті знання

1. Що таке процеси асиміляції та дисиміляції? Який зв’язок існує між ними? 2. Які процеси називають клітинним диханням? 3. Схарактеризуйте підготовчий етап енергетичного обміну. 4. Які процеси відбуваються під час безкисневого етапу енергетичного обміну? 5. Яке значення процесів безкисневого етапу енергетичного обміну для забезпечення організму енергією?

Поміркуйте. 1. Що спільного та відмінного між фототрофними та хемотрофними організмами? 2. Чому життя неможливе без перетворень енергії?