Тема: обмен веществ и энергии в клетке – энергетический и пластический обмен. Современная клеточная теория

Существование живых организмов возможно только благодаря поступлению из окружающей среды питательных веществ, их превращению и выведению из организма продуктов жизнедеятельности. Совокупность этих процессов называется обмен веществ, или метаболизм.

В организмах одновременно происходят процессы двух типов. Процессы поглощения из окружающей среды, усвоения и накопления веществ, использующихся для синтеза необходимых для организма соединений, называют ассимиляцией. Совокупность реакций синтеза, обеспечивающих развитие клеток и организмов, восстановление их химического состава, называют пластическим обменом. На осуществление этих процессов затрачивается определенное количество энергии.

Одновременно с образованием соединений в организме происходят и расщепление определенных веществ – процессы диссимиляции. Итак, процессы ассимиляции и диссимиляции – это разные стороны единого процесса обмена веществ и превращения энергии в живых организмах. Благодаря процессам обмена веществ поддерживается гомеостаз.

Процессы ассимиляции не всегда уравновешены процессами диссимиляции. Так, в развивающихся организмах преобладают процессы ассимиляции, благодаря чему обеспечивается накопление необходимых соединений и рост организмов. Во время интенсивной физической работы при недостатке питательных веществ или при старении преобладают процессы диссимиляции. Если в первом случае потери массы и энергии не будут компенсироваться усиленным питанием, организм постепенно истощается, что в конце концов приводит к его гибели.

Превращение веществ в организме невозможно без соответствующих превращений энергии. В процессе жизнедеятельности организмы поглощают из окружающей среды энергии в определенных формах, а возвращают ее туда уже в другой форме. Совокупность реакций расщепления сложных соединений в организме, сопровождающихся выделением энергии, называется энергетическим обменом.

Для живых организмов Земли основным источником энергии является солнечный свет, благодаря которому прямо или опосредовано удовлетворяются их энергетические потребности. Организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических, называют автотрофами. Одни из них используют для этих процессов энергию света – это фототрофы (зеленые растения, цианобактерии, некоторые одноклеточные животные и бактерии). Энергию света эти организмы используют для обеспечения собственных процессов жизнедеятельности, или накапливают ее в виде энергии химических связей синтезированных соединений. Другие автотрофы для синтеза органических веществ из неорганических используют энергию, освобождающуюся во время химических реакций. Это хемотрофы.

Грибы, большинство животных и бактерий относятся к гетеротрофам. Для них источником энергии являются органические соединения, синтезированные другими организмами, которые они получают вместе с едой (живые организмы, их остатки или продукты жизнедеятельности).

В биологических системах энергия существует в разных формах, которые могут превращаться друг в друга. Живые организмы используют энергию для обеспечения разных процессов: химических (например, синтез органических соединений), механических (сокращение мышц, движение одноклеточных организмов), электрических (прохождение нервного импульса по нервному волокну), тепловых (поддержание температуры тела), световых (превращение энергии химических связей органических соединений в энергию свечения некоторых микроорганизмов, насекомых, глубоководных рыб и т.д.).

При энергетическом обмене часть энергии, выделяющаяся во время расщепления органических соединений, запасается в виде высокоэнергетических химических связей определенных органических соединений (АТФ, и т.д.).

Функционирование биологической системы возможно только при условии, когда затраченная энергия постоянно восстанавливается в ходе энергетического обмена. Выделяют три этапа энергетического обмена: подготовительный, бескислородный и кислородный.

Начальный этап энергетического обмена – подготовительный. У большинства многоклеточных животных, в том числе и человека, этот этап происходит в желудочно-кишечном тракте, а также в цитоплазме клеток. На подготовительном этапе сложные органические молекулы под действием ферментов расщепляются: белки – до аминокислот, жиры – до глицерина и жирных кислот, полисахариды – до моносахаридов, нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов. Эти процессы происходят с освобождением энергии, но ее количество незначительно и она рассеивается в виде тепла. Но это тепло может использоваться организмами для поддержания температуры собственного тела.

Вследствие последовательного действия определенных ферментов сложные белки сначала расщепляются до простых, а простые – на полипептидные цепи. Последние, в свою очередь, распадаются до аминокислот. Внутриклеточное переваривание белков обеспечивает комплекс ферментов, содержащихся в лизосомах, а также в цитоплазме и на клеточных мембранах. Полисахариды, тоже под действием соответствующих ферментов, расщепляются до дисахаридов и моносахаридов.

Расщеплению липидов под действием соответствующих ферментов предшествует их измельчение – эмульгация. Эмульгаторами жиров являются желчные кислоты, вырабатывающиеся в печени и входящие в состав желчи. Нуклеиновые кислоты под действием ферментов сначала расщепляются до нуклеотидов, а те – до свободных нитратных основ, моносахарида и фосфорной кислоты.

За подготовительным этапом наступает бескислородный. Он происходит в клетках. Его еще называют анаэробным, поскольку мономеры, образовавшиеся на предварительном этапе, претерпевают дальнейшее многоступенчатое расщепление без участия кислорода.

Анаэробное расщепление, или анаэробное дыхание - это простейшая форма образования и запаса энергии в высокоэнергетических связях молекулы АТФ. Некоторые микроорганизмы и беспозвоночные не могут использовать кислород в процессах энергетического обмена. Потому необходимую энергию они могут получать только в результате анаэробного расщепления органических соединений (анаэробное дыхание). Большинство организмов в процессе энергетического обмена способны использовать кислород. Но и у них кислородному (аэробному) этапу энергетического обмена всегда предшествует бескислородный (анаэробный).

Важнейшим на бескислородном этапе энергетического обмена в клетках является расщепление молекул глюкозы с помощью гликолиза. Во время гликолиза молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной (в клетках мышц) или молочной кислот. Суммарное уравнение гликолиза имеет вид: