Основой жизнедеятельности клетки является обмен веществ и превращение энергии. Обмен веществ — совокупность всех реакций синтеза и распада, протекающих в организме, связанных с выделением или поглощением энергии. Обмен веществ и энергии состоит из двух взаимосвязанных и противоположных процессов: ассимиляции и диссимиляции.
Ассимиляция, или пластический обмен, — совокупность реакций синтеза высокомолекулярных органических веществ, сопровождающихся поглощением энергии за счет распада молекул АТФ.
Диссимиляция, или энергетический обмен, — совокупность реакций распада и окисления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии и запасанием ее в синтезируемых молекулах АТФ.
Все реакции обмена веществ идут в присутствии ферментов. АТФ является основным веществом, которое обеспечивает все энергетические процессы в клетке, запасает энергию в процессе энергетического обмена и отдает в процессе пластического обмена.
Единственным источником энергии на земле является солнце. Клетки растений с помощью хлоропластов улавливают энергию солнца, превращая ее в энергию химических связей молекул синтезированных органических веществ. В растениях идет первичный синтез органических веществ из неорганических: углекислого газа и воды за счет энергии солнца. Все остальные организмы используют готовые органические вещества, расщепляют их, а выделяющаяся энергия запасается в молекулах АТФ. Запасенная энергия расходуется в процессе пластического обмена на синтез органических веществ, специфичных для каждого организма. Часть энергии в процессе обмена веществ постоянно теряется в виде тепла, поэтому в системы живых организмов необходим постоянный приток энергии. Таким образом, солнечная энергия аккумулируется в органических веществах, а затем используется в процессе жизнедеятельности организма.
По способу питания, источнику получения органических веществ и энергии организмы делятся на автотрофные и гетеротрофные.
Автотрофные организмы синтезируют органические вещества в процессе фотосинтеза из неорганических (углекислого газа, воды, минеральных солей), используя энергию солнечного света. К ним относятся все растительные организмы, синезеленые водоросли (цианобактерии). К автотрофному питанию способны и хемо-синтезирующие бактерии, использующие энергию, которая выделяется при окислении неорганических веществ: серы, железа, азота.
Гетеротрофные организмы получают готовые органические вещества от автотрофов. Источником энергии являются органические вещества, которые распадаются и окисляются в процессе диссимиляции. К ним относятся животные, грибы, многие бактерии.
Автотрофы способны усваивать неорганический углерод и другие элементы. Гетеротрофы усваивают только органические вещества, получая энергию при их расщеплении. Автотрофные и гетеротрофные организмы связаны между собой процессами обмена веществ и энергии.
Энергетический обмен
Энергетический обмен состоит из трех этапов.
I этап — подготовительный. На первом этапе происходит расщепление высокомолекулярных органических веществ до низкомолекулярных в процессе реакций гидролиза, идущих при участии воды. Он протекает в пищеварительном тракте, а на клеточном уровне — в лизосомах. Вся энергия, выделяющаяся на подготовительном этапе, рассеивается в виде тепла.
Реакции подготовительного этапа:
белки + Н20—» аминокислоты + С; углеводы + Н20 —»глюкоза + ф; жиры + Н20 —> глицерин + высшие жирные + кислоты
II этап — гликолиз, бескислородное окисление. Глюкоза является ключевым веществом обмена в организме. Все остальные вещества на разных стадиях втягиваются в процессы ее превращения. Дальнейшее расщепление органических веществ рассматривается на примере обмена глюкозы.
Процесс гликолиза протекает в цитоплазме. Глюкоза расщепляется до 2 молекул пировиноградной кислоты (ПВК), которые в зависимости от типа клеток и организмов могут превращаться в молочную кислоту, спирт или другие органические вещества. При этом выделяющаяся энергия частично запасается в 2 молекулах АТФ, а частично расходуется в виде тепла. Бескислородные процессы называются брожением.
Реакции гликолиза:
С6Н1206-+>2С3Н403+4Н-глюкоза
ПВК2АТФ
2С3Н603 (молочная кислота) молочнокислое брожение
2С2Н5ОН + 2С02 (этиловый спирт) спиртовое брожение
В результате ступенчатого расщепления глюкозы образуются 2 молекулы ПВК — С3Н403. При этом освобождаются еще 4 атома Н, которые соединяются с переносчиком НАД+, и образуются 2НАД • Н + Н+. Дальнейшая судьба ПВК зависит от наличия кислорода. В анаэробных условиях ПВК превращается в молочную кислоту или этанол с участием тех же двух молекул НАД • Н + Н+, которые возвращают водород. Если же процесс идет в аэробных условиях, то ПВК и 2НАД • Н + Н+ вступают в реакции биологического окисления.
III этап — кислородный. Биологическое окисление протекает в митохондриях. Пировиноградная кислота поступает в митохондрии, где преобразуется в уксусную кислоту, соединяется с ферментом-переносчиком и входит в серию циклических реакций — цикл Кребса. В результате этих реакций при участии кислорода образуются углекислый газ и вода, а на кристах митохондрий за счет выделяющейся энергии синтезируется 36 молекул АТФ.
Реакции кислородного этапа:
2С3Н403 + 602 + 4Н - 6С02 + 6Н20.
Таким образом, при расщеплении глюкозы на двух этапах образуется суммарно 38 молекул АТФ, причем основная часть — при кислородном окислении.
Процесс биологического окисления органических веществ называется дыханием.