Метаболизм живых организмов

Экологам важно развивать навыки мышления, памяти и логики. В ноябре 2019 разработан новый игровой тренажер "Микробиолог". Нестандартные задания + игровая форма = отличный результат.

Узнать детали

Метаболизм живых организмов


Метаболизм – совокупность всех химических реакций, протекающих в живом организме. Значение метаболизма состоит в создании необходимых организму веществ и обеспечении его энергией. Выделяют две составные части метаболизма – катаболизм и анаболизм.

Катаболизм (энергетический обмен, диссимиляция) совокупность реакций, приводящих к образованию простых веществ из более сложных (гидролиз полимеров до мономеров и расщепление последних до низкомолекулярных соединений углекислого газа, воды, аммиака и др. веществ). Катаболические реакции идут обычно с высвобождением энергии.

Анаболизм (пластический обмен, ассимиляция) понятие, противоположное катаболизму: совокупность реакций синтеза сложных веществ из более простых (образование углеводов из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза, реакции матричного синтеза). Для протекания анаболических реакций требуются затраты энергии.

Процессы пластического и энергетического обмена неразрывно связаны между собой. Все синтетические (анаболические) процессы нуждаются в энергии, поставляемой в ходе реакций диссимиляции. Сами же реакции расщепления (катаболизма) протекают лишь при участии ферментов, синтезируемых в процессе ассимиляции.

Энергетический обмен. По отношению к свободному кислороду организмы делятся на три группы: аэробы, анаэробы и факультативные формы.

Аэробы (облигатные аэробы) – организмы, способные жить только в кислородной среде (животные, растения, некоторые бактерии и грибы).

Анаэробы (облигатные анаэробы) организмы, неспособные жить в кислородной среде (некоторые бактерии).

Факультативные формы (факультативные анаэробы) организмы, способные жить как в присутствии кислорода, так и без него (некоторые бактерии и грибы).

У облигатных аэробов и факультативных анаэробов в присутствии кислорода катаболизм протекает в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный. В результате органические вещества распадаются до неорганических соединений. У облигатных анаэробов и факультативных анаэробов при недостатке кислорода катаболизм протекает в два первых этапа: подготовительный и бескислородный. В результате образуются промежуточные органические соединения еще богатые энергией.

Этапы энергетического обмена (катаболизма):

Первый этап – подготовительный – заключается в ферментативном расщеплении сложных органических соединений на более простые. Белки расщепляются до аминокислот, жиры до глицерина и жирных кислот, полисахариды до моносахаридов, нуклеиновые кислоты до нуклеотидов. У многоклеточных организмов это происходит в желудочно-кишечном тракте, у одноклеточных – в лизосомах под действием гидролитических ферментов. Высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде теплоты. Образовавшиеся органические соединения либо подвергаются дальнейшему окислению, либо используются клеткой для синтеза собственных органических соединений.

Второй этап – неполное окисление (бескислородный) – заключается в дальнейшем расщеплении органических веществ, осуществляется в цитоплазме клетки без участия кислорода. Бескислородное, неполное окисление глюкозы называется гликолизом. В результате гликолиза из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), при этом синтезируются две молекулы АТФ.

Далее при отсутствии в среде кислорода ПВК перерабатывается либо в этиловый спирт – спиртовое брожение (в клетках дрожжей и растений при недостатке кислорода), либо в молочную кислоту – молочнокислое брожение (в клетках животных при недостатке кислорода).

При наличии в среде кислорода продукты гликолиза претерпевают дальнейшее расщепление до конечных продуктов, то есть включаются в третий этап.

Третий этап – полное окисление (дыхание) – заключается в окислении ПВК до углекислого газа и воды, осуществляется в митохондриях, при обязательном участии кислорода.

Суммарное уравнение расщепления глюкозы в процессе клеточного дыхания:

С6Н12О6 + 6О2 + 38Н3РО4 + 38АДФ → 6СО2 + 44Н2О + 38АТФ

Таким образом, в ходе гликолиза образуются 2 молекулы АТФ, в ходе клеточного дыхания – еще 36 АТФ, в целом при полном окислении глюкозы – 38 АТФ.

Пластический обмен. Гетеротрофные организмы строят собственные органические вещества из органических компонентов пищи. Гетеротрофная ассимиляция сводится, по существу, к перестройке молекул: органические вещества пищи (белки, жиры, углеводы)простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды)макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).

Автотрофные организмы способны полностью самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических молекул, потребляемых из внешней среды. В процессе фото- и хемосинтеза, происходит образование простых органических соединений, из которых в дальнейшем синтезируются макромолекулы: неорганические вещества (СО2, Н2О) простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).

Рассмотрим наиболее важные, с точки зрения экологии, метаболические процессы пластического обмена – фотосинтез и хемосинтез.

Фотосинтез (фотоавтотрофия) – синтез органических соединений из неорганических за счет энергии света. Суммарное уравнение фотосинтеза: 6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2

Фотосинтез протекает при участии фотосинтезирующих пигментов, обладающих уникальным свойством преобразования энергии солнечного света в энергию химической связи в виде АТФ. Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой.

В процессе фотосинтеза кроме моносахаридов (глюкоза и др.) синтезируются мономеры других органических соединений – аминокислоты, глицерин и жирные кислоты. Таким образом, благодаря фотосинтезу растения обеспечивают себя и все живое на Земле необходимыми органическими веществами и кислородом.

Хемосинтез (хемоавтотрофия) – процесс синтеза органических соединений из неорганических (СО2 и др.) за счет химической энергии окисления неорганических веществ (серы, водорода, сероводорода, железа, аммиака, нитрита и др.). К хемосинтезу способны только хемосинтезирующие бактерии: нитрифицирующие, водородные, железобактерии, серобактерии и др. Они окисляют соединения азота, железа, серы и других элементов. Все хемосинтетики являются облигатными аэробами, так как используют кислород воздуха. Нитрифицирующие бактерии окисляют соединения азота, железобактерии превращают закисное железо в окисное, серобактерии окисляют соединения серы.

Высвобождающаяся в ходе реакций окисления энергия запасается бактериями в виде молекул АТФ и используется для синтеза органических соединений. Хемосинтезирующие бактерии играют очень важную роль в биосфере. Они участвуют в очистке сточных вод, способствуют накоплению в почве минеральных веществ, повышают плодородие почвы.

 

Предыдущие материалы: Следующие материалы: