§ 8. Поняття про перетворення енергії в біологічних системах. АТФ

Пригадайте будову нуклеотидів. Яке фізіологічне значення процесів дихання? Що таке метаболізм і гомеостаз? Що таке енергія з точки зору фізики? Що таке ферменти, складні та прості білки? Які процеси називають окисними, а які – відновними? Які сполуки називають пентозами?

Сукупність реакцій синтезу, які забезпечують розвиток клітин та організмів, поновлення їхнього хімічного складу, називають пластичним обміном. На здійснення цих процесів витрачається певна кількість енергії. Процеси розщеплення складних речовин до простіших супроводжуються виділенням енергії. Їх називають енергетичним обміном.

Процеси синтезу потрібних організму сполук і процеси їхнього розщеплення – це різні сторони єдиного процесу обміну речовин і перетворення енергії в живих організмах – метаболізму. Завдяки процесам обміну речовин і перетворення енергії забезпечується підтримання гомеостазу за змін умов навколишнього середовища.

Автотрофи, гетеротрофи та міксотрофи. Для організмів, які населяють нашу планету, основним джерелом енергії є сонячне світло, завдяки якому прямо чи опосередковано задовольняються їхні енергетичні потреби (мал. 31). Пригадайте: організми, здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних, називають автотрофами (від грец. аутос – сам і трофе – споживати) (мал. 32. А). При цьому одні з них здатні до фотосинтезу. Їх називають фототрофними (від грец. фотос – світло і трофе). До них належать зелені рослини, деякі бактерії (наприклад, ціанобактерії). Енергію світла, яку вони вбирають з довкілля, ці організми використовують для забезпечення власних процесів життєдіяльності або ж накопичують її у вигляді енергії хімічних зв’язків синтезованих ними сполук.

Активізуйте свої знання

Як окремі клітини, так і цілісні організми належать до відкритих біологічних систем. Це означає, що їхнє існування можливе лише завдяки постійному надходженню з навколишнього середовища поживних речовин разом із запасеною в них енергією, їхнім перетворенням з виділенням енергії та виведенню назовні продуктів життєдіяльності. Значна частина енергії, що виділяється, слугує для підтримання теплового балансу організмів. Сукупність згаданих процесів має назву обмін речовин, або метаболізм.

Запам’ятаємо: процеси пластичного обміну ще називають анаболізмом, або реакціями асиміляції, а процеси енергетичного – катаболізмом, або реакціями дисиміляції.

Мал. 31. Сонячне світло – основне джерело енергії для живих організмів. Завдання. Поясніть роль рослин у забезпеченні енергією інших мешканців нашої планети

Інші автотрофні організми для синтезу органічних сполук з неорганічних використовують енергію, яка вивільняється під час здійснення хімічних реакцій (деякі бактерії: нітрифікуючі, залізо- та сіркобактерії). Їх називають хемотрофними (від грец. гемо – хімічний і трофе).

Гриби, більшість тварин і бактерій належать до гетеротрофів (від грец. гетерос – різний і трофе) (мал. 32. Б). Для них джерелом енергії є органічні сполуки, утворені іншими організмами. Ці органічні сполуки вони отримують з їжею (живі організми, їхні рештки або продукти життєдіяльності). Існують і міксотрофи (від грец. міксіс – змішування і трофе) – організми зі змішаним типом живлення (росичка, омела, хламідомонада, евглена зелена; мал. 32. В). Такі організми здатні не лише синтезувати органічні сполуки з неорганічних, а й поглинати готові органічні речовини. Як ви пам’ятаєте, росичка здатна «полювати» на дрібних тварин – комах і ракоподібних.

АТФ та її функції. Аденозинтрифосфатна кислота (АТФ) – сполука, яка за своїм складом є нуклеотидом. Молекула АТФ складається із залишків азотистої основи (аденіну), пентози (рибози) та трьох залишків ортофосфатної кислоти (мал. 33). Ця речовина має незвичні для інших органічних сполук хімічні властивості.

Мал. 32. А. Автотрофні організми: 1 – ціанобактерії; 2 – зелені водорості; 3 – квіткові рослини. Б. Гетеротрофні організми: 1 – гетеротрофні бактерії; 2 – гриби; 3 – тварини. В. Міксотрофні організми: 1 – евглена зелена; 2 – омела; 3 – росичка

Молекули АТФ слугують універсальним хімічним акумулятором енергії в клітинах, за їхньої участі відбуваються всі процеси метаболізму.

Мал. 33. Будова молекули АТФ: 1 – аденозин (сполука, що складається із залишку аденіну та пентози); 2 – триортофосфат (три залишки ортофосфатної кислоти)

Це два високоенергетичних хімічних зв’язки, які виникають між послідовно розміщеними залишками ортофосфатної кислоти, у яких запасається значна кількість енергії.

Якщо за участі відповідного ферменту відщеплюється один залишок ортофосфатної кислоти, то АТФ перетворюється на аденозиндифосфатну кислоту (АДФ), при цьому звільняється близько 42 кДж енергії (мал. 34). Якщо ж відщеплюються два залишки молекул ортофосфатної кислоти, АТФ перетворюється на аденозинмонофосфатну кислоту (АМФ). При цьому вивільняється 84 кДж енергії.

Мал. 34. Перетворення молекул АТФ під час енергетичного обміну: енергія звільняється внаслідок відщеплення від молекули АТФ залишку ортофосфатної кислоти

Отже, у разі приєднання до АМФ залишку ортофосфатної кислоти запасається близько 42 кДж енергії. При цьому утворюється молекула АДФ. Також 42 кДж енергії запасається за умови приєднання ще одного залишку ортофосфатної кислоти до молекули АДФ. Молекула АДФ таким чином перетворюється на молекулу АТФ. Енергія, яка вивільняється в процесі розщеплення молекул АТФ, використовується для синтезу потрібних організму сполук, підтримання певної температури тіла, забезпечення інших процесів життєдіяльності.

Коротко про головне

Сукупність процесів надходження до біологічних систем з навколишнього середовища поживних речовин, енергії, їхні перетворення та виведення з них продуктів життєдіяльності має назву «обмін речовин», або «метаболізм».

В організмах одночасно відбуваються процеси пластичного та енергетичного обміну.

Організми, які здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних, називають автотрофами. Для гетеротрофів джерелом енергії є органічні сполуки, утворені іншими організмами. Міксотрофи – організми зі змішаним типом живлення.

Молекула аденозинтрифосфатної кислоти (АТФ) складається із залишків азотистої основи (аденіну), пентози (рибози) та трьох залишків ортофосфатної кислоти. Між залишками молекул ортофосфатної кислоти виникають два високоенергетичних хімічних зв’язки.

Ключові терміни та поняття: пластичний обмін (анаболізм, реакції асиміляції), енергетичний обмін (катаболізм, реакції дисиміляції), автотрофи, гетеротрофи, міксотрофи, АТФ.

Перевірте здобуті знання

1. Що таке метаболізм, пластичний та енергетичний обмін? 2. Які організми називають автотрофами, міксотрофами та гетеротрофами? 3. Які джерела енергії використовують автотрофні організми? 4. Яка структура молекули АТФ? 5. У чому полягає роль АТФ у перетворенні енергії в клітині?

1. Чому життя неможливе без перетворень енергії? 2. Чому під час окиснення органічних сполук вивільняється енергія?

ПРАКТИЧНА РОБОТА 1

Розв’язання елементарних вправ зі структури білків та нуклеїнових кислот

Дані, потрібні для розв’язання вправ: мінімальна відносна молекулярна маса амінокислоти становить приблизно 100, мінімальна відносна молекулярна маса нуклеотиду – 345, мінімальна відносна довжина окремого нуклеотиду – 0,34 нм. Одна амінокислота кодується послідовністю з трьох нуклеотидів (триплетом). Розв’язуючи задачі, пам’ятаємо: у складі молекули ДНК нуклеотиди з різних її ланцюгів сполучаються за принципом комплементарності (А-Т та Г-Ц), у складі молекул РНК замість нуклеотиду з тиміном (Т) присутній нуклеотид з урацилом (У).

Вправа 1. Молекула білка складається з 200 амінокислотних залишків. Визначте довжину ділянки одного з ланцюгів молекули ДНК, яка відповідає гену, що кодує цей білок, враховуючи, що 300 нуклеотидів у складі даного гена амінокислоти не кодують.

Приклад розв’язку вправи. 1. Якщо молекула білка складається з 200 амінокислотних залишків, то їх кодують 200 х з = 600 нуклеотидів. 2. До цього числа додаємо ще 300 некодуючих нуклеотидів: 600 + 300 = 900. 3. Визначаємо довжину ділянки, яка кодує даний білок, перемноживши число нуклеотидів на довжину одного нуклеотиду: 900 х 0,34 нм = 306 нм.

Відповідь: довжина ділянки одного з ланцюгів молекули ДНК, яка відповідає гену, що кодує цей білок, становить 306 нм.

Вправа 2. Довжина ділянки одного з ланцюгів молекули ДНК клітини бактерії становить 238 нм. Визначте кількість амінокислотних залишків у молекулі білка, яку кодує дана ділянка молекули ДНК.

Вправа 3. Молекулярна маса білка становить 60 000. Визначте кількість нуклеотидів, що входять до складу ділянки молекули ДНК із цим геном.

Вправа 4. Дослідження показали, що 24 % загальної кількості нуклеотидів молекули мРНК припадає на гуанін (Г), 38 % – на урацил (У), 22 % – на цитозин (Ц) та 16 % – на аденін (А). Визначте відсотковий уміст азотистих основ молекули ДНК, на якій була синтезована ця молекула мРНК.

Приклад розв’язку вправи. 1. Визначаємо за принципом комплементарності відсотковий уміст азотистих основ того ланцюга, на якому була синтезована дана молекула мРНК:

Молекула мРНК: Г – 24%, У – 38%, Ц – 22 % та А – 16 %.

Перший ланцюг ДНК: Ц – 24%, А – 38%, Г – 22 % та Т – 16 %.

Другий ланцюг ДНК: Г – 24%, Т – 38%, Ц – 22 % та А – 16 %.

2. Вираховуємо відсотковий уміст азотистих основ молекули ДНК, на якій була синтезована ця молекула мРНК: Ц – 23 % (24 + 22 / 2 = 23), Г – 23 % (24 + 22 / 2 = 23), А – 27 % (38 + 16 / 2 = 27), Т – 27 % (38 + 16/2 = 27).

Відповідь: до складу молекули ДНК входять 23 % нуклеотидів із цитозином, 23 % нуклеотидів з гуаніном, 27 % нуклеотидів з аденіном та 27 % нуклеотидів з тиміном.

Вправа 5. Відомо, що молекула мРНК складається з 1535 нуклеотидів. Зі скількох амінокислотних залишків складатиметься білкова молекула, яка кодується цією молекулою мРНК?

Вправа 6. Визначте нуклеотидний склад ділянки молекули ДНК, якщо молекула мРНК, синтезована на одному з її ланцюгів, має такий нуклеотидний склад: УАГГУЦГААЦГУ.

Вправа 7. Нуклеотидний склад одного з ланцюгів ДНК такий: ГЦТААЦЦГАТАЦГГ. На іншому ланцюзі цієї молекули синтезується молекула мРНК. Визначте її нуклеотидний склад.

Вправа 8. Обидва ланцюги молекули ДНК складаються з 2250 нуклеотидів. Визначте кількість амінокислотних залишків у складі молекули білка, яка синтезується на одному з ланцюгів цієї молекули ДНК.

Вправа 9. Гормон підшлункової залози глюкагон складається з 29 амінокислотних залишків. Скільки триплетів входить до складу гена, який кодує цю молекулу?

Вправа 10. Молекулярна маса кодуючих триплетів молекули ДНК становить 20 700. Визначте кількість амінокислотних залишків, які входять до складу цієї молекули білка.

Вправа 11. Визначте молекулярну масу білкової молекули, яка кодується ділянкою молекули ДНК завдовжки 102 нм.

Вправа 12. Визначте довжину гена, який кодує білок, що складається зі 125 амінокислотних залишків.

Вправа 13. Один з ланцюгів молекули ДНК має такий вигляд: ГЦГ ГГТ ГГА ТАА ЦТА ГЦЦ. Який вигляд матиме другий ланцюг цієї молекули, синтезований під час її самоподвоєння?

Вправа 14. Нуклеотидний склад молекули мРНК такий: ААЦГУУЦЦАГЦУ. Визначте нуклеотидний склад ланцюга ДНК, який протилежний ланцюгу, на якому синтезована ця молекула мРНК.

ТЕСТ НА ЗАКРІПЛЕННЯ ЗНАНЬ

Виберіть із запропонованих відповідей правильну

1. Укажіть елемент, який входить до складу гормонів щитоподібної залози: а) Купрум; б) Бор; в) Йод; г) Кобальт.

2. Укажіть назву сполук, розчинних у воді: а) гідрофобні; б) гідрофільні; в) органічні; д) неорганічні.

3. Назвіть сполуку, нерозчинну у воді: а) віск; б) глюкоза; в) фруктоза; г) тростинний цукор.

4. Укажіть сполуки, під час розщеплення яких виділяється найбільше енергії: а) ліпіди; б) вуглеводи; в) білки; г) вітаміни.

5. Назвіть сполуку, яка передає спадкову інформацію з ядра до місця синтезу білкової молекули: а) ДНК; б) мРНК; в) рРНК; г) тРНК.

6. Визначте сполуки, які забезпечують прискорення біохімічних реакцій: а) ДНК; б) гормони; в) вітаміни; г) ферменти.

7. Укажіть, як амінокислотні залишки сполучаються в поліпептидний ланцюг: а) завдяки водневим зв’язкам; б) завдяки ковалентним зв’язкам; в) завдяки гідрофобним взаємодіям; г) завдяки йонним взаємодіям.

8. Укажіть, який вигляд може мати вторинна структура білків: а) глобула; б) декілька сполучених між собою амінокислотних залишків; в) спіраль; г) ланцюг амінокислотних залишків.

9. Зазначте сполуку, до складу якої входить нуклеотид тимін: а) віск; б) ДНК; в) мРНК; г) тРНК.

10. Назвіть сполуку, яка належить до біополімерів: а) глюкоза; б) мРНК; в) жири; г) дезоксирибоза.

11. Укажіть хімічний елемент, що належить до органогенних: а) Карбон; б) Ферум; в) Сульфур; г) Фосфор.

12. Назвіть сполуки, до складу яких входять залишки ортофосфатної кислоти: а) білки; б) моносахариди; в) АТФ; г) жири.

Утворіть логічні пари

13. Установіть відповідність між хімічними елементами та сполуками, до складу яких вони входять.

• 1 Ферум (Fe)
• 2 Магній (Mg)
• 3 Купрум (Cu)
• 4 Йод (І)
• А гормон щитоподібної залози
• Б молекула хлорофілу
• В гормони підшлункової залози
• Г молекула гемоглобіну
• Д молекула гемоціаніну

14. Установіть відповідність між біополімерами та їхніми мономерами.

• 1 полісахариди
• 2 білки
• 3 ДНК
• 4 РНК
• А жирні кислоти
• Б нуклеотиди з тиміном
• В амінокислоти
• Г нуклеотиди з урацилом
• Д моносахариди

15. Визначте кількість енергії, яка виділяється під час розщеплення відповідних органічних сполук.

• 1 1 г білків
• 2 1 г жирів
• 3 перетворення АТФ на АДФ
• 4 перетворення АТФ на АМФ
• А 17,2 кДж
• Б 42 кДж
• В 38,9 кДж
• Г 126 кДж
• Д 84 кДж

16. Установіть відповідність між типами нуклеїнових кислот та їхніми функціями.

• 1 ДНК
• 2 мРНК
• 3 тРНК
• 4 рРНК
• А структурна: входять до складу субодиниць рибосом
• Б енергетична
• В зберігання спадкової інформації
• Г транспорт амінокислотних залишків до місця синтезу білкової молекули
• Д передача спадкової інформації від ядра до місця синтезу білкової молекули

Завдання з вибором трьох правильних відповідей із трьох груп запропонованих варіантів відповідей

17. Назвіть особливості, притаманні різним рівням структурної організації білкових молекул.

1 проста послідовність амінокислотних залишків

1 проста послідовність амінокислотних залишків

1 проста послідовність амінокислотних залишків

18. Назвіть функції, які виконують у клітині молекули органічних сполук.

1 кодування спадкової інформації

2 кодування спадкової інформації

3 передача спадкової інформації до місця синтезу інших органічних молекул

19. Назвіть сполуки, у складі яких трапляються згадані типи хімічних зв’язків.

Високоенергетичні

Дисульфідні

2 третинна структура білків

3 вторинна структура білків

Запитання з відкритою відповіддю

20. Порівняйте властивості та функції ліпідів і вуглеводів.

21. Що спільного й відмінного між процесами деструкції та денатурації?

22. Чому провідна роль у процесах перетворення енергії у тваринних організмах належить вуглеводам, хоча під час розщеплення 1 г жирів енергії виділяється вдвічі більше?

23. Який зв’язок існує між структурою молекули води та її властивостями?

24. Які з хімічних сполук відіграють роль у підтриманні енергетичного балансу організму? Відповідь обґрунтуйте.

25. Чим визначається специфічність дії ферментів? Відповідь обґрунтуйте.

26. Що спільного та відмінного в будові та функціях різних типів нуклеїнових кислот?

27. Як структура ДНК пов’язана з її властивостями і функціями в живих організмах?

28. Чому деякі тварини – мешканці спекотних місцевостей запасають багато жиру? Відповідь обґрунтуйте.

29. Які з органічних сполук живих організмів відіграють захисну роль? Відповідь обґрунтуйте.

30. Чому організм людини не може повноцінно існувати за умов споживання лише рослинної їжі? Відповідь обґрунтуйте.

31. Що спільного та відмінного між структурою АТФ та нуклеотидів у складі різних типів нуклеїнових кислот?

32. Які з білків відіграють захисну роль? Відповідь обґрунтуйте.

33. Чому активність ферментів може проявлятись лише за певних умов? Відповідь обґрунтуйте.

34. Які закономірності кількісного вмісту залишків нітрогеновмісних основ у молекулі ДНК дали підставу для встановлення її просторової структури? Відповідь обґрунтуйте.

35. Як структура молекули тРНК пов’язана з її функціями? Відповідь обґрунтуйте.

Енергетичний обмін (катаболізм) — послідовність, опис етапів

Енергетичний обмін (катаболізм) – це спільна діяльність хімічних реакцій внаслідок розпаду органічних зчеплень з метою звільнення енергії для витрати на синтезування аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ).

Що таке АТФ

Постійним джерелом енергії для існуючих клітин живих організмів є АТФ. Вона починає свою діяльність після реакції фосфорилювання – додавання атомів фосфорної сполуки до молекул аденозиндифосфату (АДФ).

Внаслідок цього енергія, що витрачається, має властивість накопичуватися у зв’язках АДФ, а після її розпаду і гідролізу вона надходить в матерію в кількості 40 кДж.

Простою мовою, розпад органічних речовин, або ж іншими словами дисиміляція, сприяє виділенню необхідної сили. Вивільнена енергія, в залежності від живого індивідуума та умов його існування, проходить у дві або в три стадії.

Аеробам притаманні наступні три фази енергетичного метаболізму:

В результаті взаємодії всіх трьох описаних етапів, органічні частинки перетворять найпростіші молекули неорганічних сполук.

Організми, що живуть без повітря і не потребують надходження повітря для енергетичного запасу, при нестачі кисню проходять асиміляцію у дві фази, без участі кисню.

Важливо! У двоетапному випадку виділяється на порядок менше сили, ніж при трьохетапній моделі енергетичного процесу.

Етапи катаболізму (енергетичного обміну)

Зараз ми розглянемо докладніше всі етапи катаболізму в живій природі.

Підготовчий

На цій стадії відбувається розпад великих харчових полімерів на дрібні елементи. У шлунково-кишковому тракті багатоклітинних істот відбувається ферментативний травний розпад, а в одноклітинних – він здійснюється лізосомами (мембранними органоїдами, основною функцією яких є розщеплення біополімерів).

Полісахариди, своєю чергою, піддаються розпаду на дисахариди та моносахариди. Далі ланцюжок триває: білки перетворюються в амінокислоти, а жири – в чистий гліцерин і інші жирні сполуки.

В результаті вищеописаних реакцій виділяється невелика частина сили, що витрачається у вигляді тепла, внаслідок чого не може утворитися АТФ.

Отримані мономери мають можливість брати участь у метаболізмі для синтезування потрібних речовин з метою отримання сили. Живою матерією першочергово використовуються вуглеводи, а ось жири – джерело енергії першого резерву, вичерпуються після закінчення вуглецевого запасу.

Як виняток виступають скелетні м’язи, в яких перевага віддається наявності жирів, а не глюкози. При цьому білки витрачаються набагато пізніше, після вичерпання запасу вуглеводів і жирів.

Безкисневий

Другий етап енергетичного обміну (катаболізму) називають гліколізом. Здійснюється він в цитоплазмі матерії. Глюкоза – головне джерело звільненої енергії. Анаеробний гліколіз відбувається внаслідок безкисневого розпаду тієї самої глюкози з метою перетворення її в лактат. Втомлені спортсмени відчувають накопичення даної речовини в м’язах після посиленого тренування або змагання.

Через те, що глюкоза вважається найпримітивнішим наповненням для живої тканини у вигляді продукту розпаду полісахаридів, другу стадію можна побачити на прикладі її гліколізу.

Гліколіз – це багаторівневий процес безкисневого розпаду мікрочастинок глюкози, яка містить шість елементів водню і дві одиниці піровиноградної сполуки (піруват). В процесі гліколізу в разі розпадання 1 моля глюкози виділиться приблизно 200 кДж енергії, де 60% звільниться у вигляді тепла, а 40% – залишається для синтезування декількох частинок АТФ з декількох частинок АДФ.

Якщо в оточенні піровиноградного з’єднання є кисень, то він переходить з цитоплазми в важливу частину складової клітини – мітохондрію, де і відбувається її участь в 3 етапі метаболізму.

А ось при відсутності повітря в організмі, СН₃(СО)СООН може бути перетворено тільки лише в C₃H6O₃.

Для мікроорганізмів, що спокійно живуть без повітря, характерне надходження сили в процесі бродіння. У цьому випадку перша стадія збігається з гліколізом: перетворення C₆H₁₂O₆ до СН₃(СО)СООН, і далі залежність її від ферментів, присутніх в матерії.

Так, наприклад, СН₂(СО)СООН може утворити C₂H₅OH, CH₃COOH або ж C₃H₆O₃ кислоти. Цей процес називається молочним бродінням. Завдяки бродінню отримуються продукти, що використовуються людиною, наприклад:

Важливо! В результаті процесу бродіння, як і у випадку з гліколізом, виділяються тільки два елементи АТФ.

Кисневий

Як тільки в атмосфері накопичується достатня кількість O₂ починається процес в мітохондрії живої матерії. Він має складну структуру, і на відміну від гліколізу, є багаторівневим процесом за участю великого скупчення ферментів.

По закінченню третього етапу формування енергії з двох частинок СН₃(СО)СООН утворюється CO₂, Н₂О і 36 елементів АТФ. Для АТФ створюється запас в процесі безкисневого розпаду C₆H₁₂O₆.

Важливо! Ці дані показують те, що в разі трьохетапного варіанту ЕО виходить більший обсяг корисної енергії. Різниця, виведена на прикладі, значна: 36 АТФ елементів проти 2.

Ми розглянули розвиток енергетичного обміну (катаболізму) в організмі живих і неживих організмів, його етапи, їх відмінності один від одного. Завдяки біологічним дослідам з різними організмами, вивченню їх структури та процесів життєдіяльності, нам стало відомо поняття АТФ – універсального акумулятора енергії в клітині.