25.2.Особливості обміну речовин гетеротрофних організмів. Енергетичний обмін

Гетеротрофні організми - не можуть синтезувати органічні речовини з неорганічних, тому вони потребують надходження органічних речовин зовні з їжею. З утворених при їх перетравленні простих органічних у клітинах за рахунок енергії АТФ синтезуються складні органічні речовини, які йдуть на побудову тіла гетеротрофних організмів.

Для будь-якої роботи, яка виконується у клітині, використовується енергія у єдиній формі - у формі енергії фосфатних зв’язків АТФ, яка є легко рухомою сполукою. Синтез АТФ відбувається на внутрішній мембрані мітохондрій, розщеплення - на зовнішній. Синтез АТФ відбувається у всіх клітинах при диханні за рахунок окислення вуглеводів, жирів, і інших органічних речовин. У клітинах зелених рослин основна кількість АТФ синтезується у хлоропластах за рахунок сонячної енергії. У них при фотосинтезі АТФ утворюється в багато разів більше, ніж у мітохондріях. Розкладається АТФ з розривом фосфорно-кисневих зв’язків і виділеної енергії. Це відбувається під впливом ферменту АТФ - ази у процесі гідролізу АТФ - приєднання води з відщепленням молекули фосфорної кислоти.

Унаслідок молекули АТФ перетворюється в АДФ, а якщо відщеплюються дві молекули фосфорної кислоти, то в АМФ. Реакція відщеплення кожної грам-молекули супроводжується вивільненням 40 кДж. Це великий вихід енергії, тому фосфорно-кислі зв’язки АТФ називають макроенергетичними.

Використання АТФ у реакціях пластичного обміну відбувається шляхом їх сполучення з гідролізом АТФ. Молекули різних речовин заряджаються енергією шляхом приєднання вивільненої при гідролізу фосфатної групи від молекули АТФ, тобто шляхом фосфорилювання.

Зворотній процес перетворення АДФ в АТФ відбувається шляхом приєднання молекули фосфорної кислоти до АДФ з виділенням води і поглинанням великої кількості енергії. Система забезпечує у живій клітині постійний обмін енергії.

АТФ + Н2О= АДФ +Н3РО4

АТФ - універсальне і безпосереднє джерело енергії для діяльності клітини. Це створює єдиний клітинний фонд енергії і дає можливим її перерозподіл і транспорт з одних ділянок клітини в інші.

Перенесення фосфатної групи відіграє важливе значення у хімічних реакціях типу зборки макромолекул з мономерів. Амінокислоти можуть з’єднуватись у пептиди лише будучи попередньо профосфорилізованими. АТФ пов’язана з механічними процесами скорочення або руху (м’язи), з перенесенням розчинної речовини проти градієнта концентрації (активний переніс Na⁺ у нервових волокнах), і АТФ ази - ферменту, що каналізує гідроліз АТФ.

Процес енергетичного обміну може бути представлений таким чином. Високомолекулярні органічні речовини у цитоплазмі ферментативно, шляхом гідролізу, перетворюються у більш прості, з яких вони складаються: білки - в амінокислоти, вуглеводи - в моносахариди (глюкозу), жири - у гліцерин і жирні кислоти. Окислювальні процеси відсутні, вивільнюється мало енергії, яка не використовується, а переходить у теплову. На внутрішніх мембранах мітохондрій під дією ферментів відбувається безкисневе окислення синтезованих речовин (спиртове бродіння). При гліколізі, який відбувається у клітинах тварин, шестивуглецева молекула глюкози розпадається на дві молекули молочної кислоти. Цей процес багатоступінчастий, його послідовно каналізують 13 ферментів. За рахунок виділеної енергії утворюється тільки дві молекули АТФ, інша частина енергії ( 60%) розсіюється у вигляді тепла.

Процес безкисневого окислення, при якому виділяється і використовується лише частина енергії метаболітів, для анаеробних є кінцевим. У аеробних організмів подальший кінцевий розпад органічних речовин відбувається шляхом окислення їх киснем повітря до простих неорганічних: вуглекислого газу і води і протікає він на кистах мітохондрій. При цьому виділяється максимальна кількість вільної енергії, значна частина якої резервується у молекулах АТФ. Аеробне окислення однієї молекули глюкози вуглекислого газу і води дає енергію для утворення 38 молекул АТФ, яке забезпечує клітину вільною енергією.

Унаслідок дисиміляції у клітині накопичуються збагачені енергією молекули АТФ, а у зовнішнє середовище виводиться вуглекислий газ і вода. (Сх.25.1).

Рис. 25.1.Перетворення речовин у процесі дисиміляції.

I етап - підготовчий: складні органічні речовини під впливом травних ферментів розпадаються на прості, при цьому виділяється теплова енергія. Цей процес відбувається у органах травлення, де під дією ферментів білки розщеплюються до амінокислот, жири - до гліцерину і жирних кислот, вуглеводи до - простих цукрів.

II етап - гліколіз (безкисневий, анаеробний): відбувається в гіалоплазмі, з мембранами не пов’язаний, приймають участь ферменти, розщепленню піддається глюкоза:

C₆H₁₂O₆ - 2С₃Н₆О₃ + кДж = 60% тепло + 40% на синтез 2 АДФ + 2Ф+ 2 АТФ

Глюкоза молочна кислота

III етап - гідроліз (кисневий, аеробний): відбувається у мітохондріях, пов’язаний з матриксом мітохондрій і внутрішньою мембраною, у ньому приймають участь ферменти, розщепленню піддається молочна кислота:

2СзНбОз + ЗН2О =3CO2 + 12Н

СО2 ( діоксид вуглецю) виділяється з мітохондрій у навколишнє середовище. Атом водню включається у ланцюг реакцій, кінцевий результат яких - синтез АТФ. Ці реакції йдуть у такій послідовності:

1. Атом водню Н з допомогою ферментів - перенощиків надходить на внутрішню мембрану мітохондрій, утворюючи кристи, де окислюється:

Н - е - Н ⁺

2.

3. Електрони водню є переносяться на внутрішню поверхню мембрани крист і тут же приєднуються до кисню за допомогою ферменту оксидази, утворюючи негативно заряджений активний кисень (аніон):

О2 + е — О2-

4. Катіони і аніони по обидва боки мембрани створюють різнойменно заряджене поле, і коли різниця потенціалів досягає 200 мВ, починає діяти протонний канал. Він виникає у молекулах ферментів АТФ - синтез, створюючи високий рівень енергії, велика частина якої йде на синтез АТФ з АДФ і Ф (АДФ +Ф =АТФ), а протони Н⁺ взаємодіють з активним киснем, утворюючи воду і молекулярний О2 :

4Н⁺ +2 О² = 2СО2 + О2 :

Тому О2 який надходить у мітохондрії у процесі дихання організму, необхідний для приєднання протонів водню Н⁺. За його відсутності весь процес у мітохондріях припиняється, тому що електронно-транспортний ланцюг перестає функціонувати. Загальна формула ІІІ етапу:

2С 2Н бО 3+6О2 + 36 АДФ + 36 Ф = 6 СО2 + 36 АТФ + 42 Н2 О

Унаслідок розщеплення однієї молекули глюкози утворюється 38 молекул АТФ: на другому етапі - 2 АТФ і на ІІІ -36 АТФ. Утворені молекули АТФ виходять за межі мітохондрій і приймають участь у всіх процесах клітини, де потрібна енергія (один фосфатний зв’язок має 40 кДж) і у вигляді АДФ і Ф (фосфату) повертається у мітохондрії. (рис.25.1).

25.3.