Лекція 4(5) (БіЕ)_Обмін речовин і перетворення енергії

Тема 2: Обмін речовин і перетворення енергії
План
1. Особливості обміну речовин в автотрофних та гетеротрофних організмів.
2. Енергетичне забезпечення процесів метаболізму.
3. Способи отримання енергії в різних груп автотрофних та гетеротрофних організмів.
4. Роль процесів дихання в забезпеченні організмів енергією.
5. Структури клітин, які забезпечують процеси метаболізму.

І. Перевірка домашнього завдання (Контроль знань):
1. АТФ означає :
А-аденозинтрифосфорна кислота; Б - аденозиндифосфорна кислота ;
В - аденозинмонофосфорна кислота .
2. До складу РНК входять вуглеводи :
А - галактоза; Б - глюкоза; В - дезоксирибоза; Г – рибоза.
3. До складу одного нуклеотида входять такі речовини :
А - аміногрупа, пентоза, фосфорна кислота ; Б - азотиста сполука, гексоза і фосфорна кислота ; В - азотиста сполука, пентоза, фосфорна кислота ;
4. Який нуклеотид є у ДНК але відсутній у РНК :
А - аденін; Б - гуанін ; В - тимін; Г - урацил; Д – цитозин.
5. Процес подвоєння молекули ДНК :
А - дисоціація ;Б - денатурація; В - реплікація ; Г - коагуляція .
6. Дати визначення:
Білки це-……….
Вуглеводи - ………..
Ліпіди це- ………..
Нуклеїнові кислоти це -…….
7. Що таке обмін речовин (метаболізм) і з яких двох протилежних процесів він складається?

Особливості обміну речовин в автотрофних та гетеротрофних організмів.

Автотрофні організми не отримують органічних речовин із зовнішнього середовища і повинні виробляти їх самостійно. Тому немає сенсу говорити про незамінні амінокислоти і вітаміни для рослин.
Автотрофи отримують необхідні їм органічні речовини з неорганічних, використовуючи енергію, яка може надходити з фізичних або хімічних джерел. Фізичним джерелом енергії є випромінення Сонця. Ті організми, які використовують Сонце для синтезу органічних речовин, називають фотоавтотрофами (фототрофами). А процес утворення органічних речовин з використанням енергії Сонця називають фотосинтезом.
Хімічні джерела енергії — це окисно-відновні хімічні реакції, які відбуваються у клітинах організму. Організми, які використовують хімічні джерела енергії, називають хемоавтотрофами (хемотрофами), а сам процес — хемосинтезом.

Гетеротрофні організми не можуть утворювати органічні речовини з неорганічних. Вони отримують їх від інших живих організмів у формі їжі, яку споживають.
Малі органічні молекули (амінокислоти, моносахариди, жирні кислоти, нуклеотиди) гетеротрофні організми просто доправляють у свої клітини і там використовують, а великі молекули (білки, полісахариди, нуклеїнові кислоти) спочатку розщеплюють на малі, а потім «збирають» з них ті великі молекули, які потрібні саме їм.
Наприклад, тварини й гриби розщеплюють білки (які є біополімерами) до амінокислот (їхніх мономерів). Потім вони з цих амінокислот збирають уже свої власні білки.
Деякі з амінокислот гетеротрофні організми можуть синтезувати й самостійно, використовуючи енергію, отриману під час окиснення спожитих органічних сполук. Але деякі амінокислоти надходять у їхні організми тільки з їжею. Такі амінокислоти називають незамінними. Крім амінокислот, для гетеротрофних організмів незамінними є і вітаміни - сполуки, які в дуже невеликих кількостях потрібні для здійснення процесів обміну речовин.

Хемосинтезуючі організми (хемотрофи) для синтезу органічних сполук використовують енергію, яка вивільнюється під час перетворення неорганічних сполук. До цих організмів належать деякі групи бактерій: нітрифікуючі, безбарвні сіркобактерії, залізобактерії тощо.
Нітрифікуючі бактерії послідовно окиснюють аміак (NH3) до нітритів (солі HNO2), а потім — до нітратів (солі HNO3). Залізобактерії одержують енергію за рахунок окиснення сполук двовалентного заліза до тривалентного. Вони беруть участь в утворенні покладів залізних руд. Безбарвні сіркобактерії окиснюють сірководень та інші сполуки сірки до сірчаної кислоти (H2SO4).

Енергетичне забезпечення процесів метаболізму
Обмін енергії - це сукупність процесів, що забезпечують надходження, перетворення та видалення енергії у біосистемах.
Як зазначають науковці, «хоча енергія існує у багатьох формах, для анаболізму живих істот придатними є лише дві із них - світлова й хімічна енергія».
Основним джерелом світлової енергії є Сонце, а хімічної енергії - хімічні зв'язки готових органічних речовин.

Енергетичні перетворення світлової чи хімічної енергії у клітинах відрізняються від енергетичних процесів неживої природи тим, що:
а) основою є окисно-відновні реакції, що відбуваються за участі ферментів;
б) мають поступовий (поетапний) характер;
в) здійснюються за участі високоспеціалізованих структур — фотомембран, мезосом, мітохондрій та хлоропластів;
г) для акумулювання, збереження й внутрішнього перенесення енергії слугує АТФ.

Енергія макроергічних зв'язків АТФ вивільняється в реакціях гідролізу і використовується для виконання будь-якої роботи клітини. Синтез АТФ відбувається завдяки реакціям фосфорилювання, що можуть здійснюватися в цитоплазмі (субстратне фосфорилювання), в мітохондріях (окиснювальне фосфорилювання) або в хлоропластах (фотофосфорилювання). Основна функція АТФ — це енергетична, оскільки сполука бере участь в енергетичному обміні, запасаючи в своїх макроергічних зв'язках значну кількість енергії.
Схема будови молекули АТФ

Способи отримання енергії в різних груп автотрофних та гетеротрофних організмів.
Джерелом енергії на планеті Земля є сонячне світло.
Енергія сонячного світла, досягаючи поверхні Землі, вловлюється зеленими рослинами, які запасають її у формі хімічних зв’язків між атомами певних сполук, що синтезуються рослинами (наприклад, глюкози).
Це перший етап перетворення енергії - фотосинтез. Зелені рослини здійснюють його за допомогою фотосинтетичних ферментів (зокрема, хлорофілу).
Фотосинтетичні системи рослин ступінчасто (порціями) поглинають кінетичну енергію електронів.
Ця хімічна енергія використовується потім для синтезу вуглеводів та інших речовин з карбон оксиду та води.

Передача енергії на наступний рівень відбувається під час поїдання рослин тваринами або розкладання їх бактеріями.
При цьому енергія, що містилась у хімічних зв’язках вуглеводів та інших молекул, під час окиснення цих молекул перетворюється на енергію, що можуть використовувати живі організми.
Кількість вивільненої енергії дорівнює кількості енергії, що витратилася на синтез цих речовин (перший закон термодинаміки). Однак частина цієї енергії перетворюється на тепло, що розсіюється, і таким чином не може бути використана у подальшому (другий закон термодинаміки). Інша частина енергії запасається у формі макроергічних зв’язків аденозинтрифосфатної кислоти (АТФ).
Тварини отримують енергію з їжі. Частина їжі є рослинною (горох, картопля, яблука, груші та ін.). М’ясо (свинина, яловичина, риба та ін.) є їжею тваринного походження. Однак тварини, що є джерелом м’яса, у свою чергу, отримали енергію, поїдаючи рослини.
Таким чином, рослини отримують енергію у вигляді електромагнітного випромінювання Сонця, а тварини використовують енергію, що міститься у хімічних зв’язках органічних молекул, що надходять з їжею.

У живій природі розрізняють три основні способи отримання енергії.
Перший спосіб властивий автотрофним організмам.
У автотрофних організмів зовнішня енергія поглинається хлорофілом (бактеріохлорофілом) й перетворюється в хімічну енергію АТФ. Далі з вуглекислого газу й води в темновій фазі синтезується глюкоза. Як ви вже знаєте, в живій природі цей спосіб властивий фотоавтотрофам, у яких спостерігається кисневий фотосинтез (ціанобактерії, рослини) й бактеріальний фотосинтез, що на відміну від кисневого фотосинтезу відбувається в анаеробних умовах без виділення кисню (пурпурні й зелені сіркобактерії). Поряд з фотосинтезом зв'язування вуглекислого газу в природі здійснюється в процесі хемосинтезу з використанням хімічної енергії окиснення неорганічних сполук (сіркобактерії, залізобактерії та нітрифікуючі бактерії).

Другий спосіб властивий гетеротрофним організмам.
У гетеротрофних організмів хімічна енергія поживних речовин перетворюється в процесах клітинного дихання в енергію макроергічних зв'язків АТФ. Ці енергетичні перетворення відбуваються в мітохондріях як процеси гліколізу, бродіння, субстратного та окиснювального фосфорилювання.

Третій спосіб властивий автотрофам і гетеротрофам.
У автотрофних й гетеротрофних організмів внутрішньоклітинні перетворення енергії АТФ в різні форми енергії (електричну, світлову, теплову, механічну) сприяють виконанню клітиною процесів життєдіяльності.
Частина цієї енергії втрачається у вигляді теплоти.

Роль процесів дихання в забезпеченні організмів енергією.
Клітинне дихання - це сукупність процесів біологічного окиснення поживних речовин з вивільненням хімічної енергії, що акумулюється в АТФ.
Процеси дихання в клітинах організмів різних царств живої природи подібні за багатьма ознаками.
Ознаками подібності є утворення таких універсальних речовин, як піровиноградна кислота й АТФ, використання кисню як акцептора електронів й Гідрогену, розщеплення до кінцевих продуктів Н2О і СО2, використання подібних ферментів тощо.
Виокремлюють два основні типи клітинного дихання: анаеробний та аеробний.
Клітинне дихання є частиною енергетичних перетворень, завдяки яким поетапно вивільняється енергія власних органічних речовин.

ЕТАПИ ЕНЕРГЕТИЧНОГО ОБМІНУ

Структури клітин, які забезпечують процеси метаболізму.

Контроль знань