Обмен веществ и превращение энергии в клетке
Обмен веществ и энергии (метаболизм) осуществляется на всех уровнях
организма: клеточном, тканевом и организменном. Он обеспечивает постоянство
внутренней среды организма — гомеостаз — в непрерывно меняющихся условиях
существования. В клетке протекают одновременно два процесса — это пластический
обмен (анаболизм или ассимиляция) и энергетический обмен (фатаболизм
или диссимиляция).
Пластический обмен — это совокупность реакций биосинтеза,
или создание сложных молекул из простых. В клетке постоянно синтезируются
белки из аминокислот, жиры из глицерина и жирных кислот, углеводы из
моносахаридов, нуклеотиды из азотистых оснований и сахаров. Эти реакции
идут с затратами энергии. Используемая энергия освобождается в ходе
энергитического обмена. Энергетический обмен — это совокупность реакций
расщепления сложных органических соединений до более простых молекул.
Часть энергии, высвобождаемой при этом, идет на синтез богатых энергетическими
связями молекул АТФ (аденозин-трифосфорной кислоты). Расщепление органических
веществ осуществляется в цитоплазме и митохондриях с участием кислорода.
Реакции ассимиляции и диссимиляции тесно связаны между собой и внешней
средой. Из внешней среды организм получает питательные вещества. Во
внешнюю среду выделяются отработанные вещества.
Ферменты (энзимы) — это специфические белки, биологические катализаторы,
ускоряющие реакции обмена в клетке. Все процессы в живом организме прямо
или косвенно осуществляются с участием ферментов. Фермент катализирует
только одну реакцию или действует только на один тип связи. Этим обеспечивается
тонкая регуляция всех жизненно важных процессов (дыхание, пищеварение,
фотосинтез и т.д.), протекающих в клетке или организме. В молекуле каждого
фермента имеется участок, осуществляющий контакт между молекулами фермента
и специфического вещества (субстрата). Активным центром фермента выступает
функциональная группа (например, ОН — группа серина) или отдельная аминокислота.
Скорость ферментативных реакций зависит от многих факторов: температуры,
давления, кислотности среды, наличия ингибиторов и т.д.
Этапы энергетического обмена:
Подготовительный — происходит в цитоплазме клеток. Под действием ферментов
полисахариды расщепляются на моносахариды (глюкоза, фруктоза и Др.),
жиры расщепляются до глицерина и жирных кислот, белки — до аминокислот,
нуклеиновые кислоты до нуклеотидов. При этом выделяется небольшое количество
энергии, которое рассеивается в виде тепла.
Бескислородный (анаэробное дыхание или гликолиз) —
многоступенчатое расщепление глюкозы без участия кислорода. Его называют
брожением. В мышцах в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы
распадается на две молекулы лировиноградной кислоты (С3Н4О3), которые
затем восстанавливаются в молочную кислоту (С3Н6О3). В реакциях расщепления
глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ.
Суммарное уравнение этого этапа:
С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АDФ -> 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О
У дрожжевых грибков молекула глюкозы без участия кислорода превращается
в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение). У других микроорганизмов
гликолиз может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и
др. При распаде одной молекулы глюкозы образуется две молекулы АТФ,
в связях которой сохраняется 40% энергии, остальная энергия рассеивается
в виде тепла.
Кислородное дыхание — этап аэробного дыхания или кислородного, расщепления,
который проходит на складках внутренней мембраны митоходрий — кристах.
На этом этапе вещества предыдущего этапа расщепляются до конечных продуктов
распада — воды и углекислого газа. В результате расщепления двух молекул
молочной кислоты образуются 36 молекул АТФ. Основное условие нормального
течения кислородного расщепления — целостность митохондриальных мембран.
Кислородное дыхание — основной этап в обеспечении клетки кислородом.
Он в 20 раз эффективнее бескислородного этапа.
Суммарное уравнение кислородного расщепления:
2С3Н603 + 602 + 36H3PО4 + 36АДФ -> 6CO2 + 38Н2О + 36АТФ
По способу получения энергии все организмы делятся на две группу — автотрофные
и гетеротрофные.
Энергетический обмен в аэробных клетках растений, грибов и животных
протекает одинаково. Это свидетельствует об их родстве. Количество митохондрий
в клетках тканей различно, оно зависит от функциональной активности
кйеток. Например, много митохондрий в клетках мышц.