§ 12 Обеспечение клеток энергией

Всем живым клеткам постоянно нужна энергия. Она используется для обеспечения различных биологических и химических реакций в клетке. Одни организмы для этих реакций используют энергию солнечного света, другие — энергию химических связей органических веществ, поступающих с пищей. Из­влечение энергии из пищевых веществ осуществляется в клетке путем их рас­щепления и окисления в процессе дыхания. Поэтому такое дыхание называют биологическим окислением или клеточным дыханием.

Клеточное дыхание — это совокупность окислительных процессов в клет­ке, сопровождающих расщепление молекул органических веществ и обра­зование органических соединений, богатых энергией.

Биологическое окисление с участием кислорода называют аэробным (от греч. aer — «воздух» и bios — «жизнь»), без кислорода — анаэробным (от греч. an — отрицат. частица, aer — «воздух» и bios — «жизнь»). Процесс биологического окисления идет многоступенчато. При этом в клетке происходит накопление энергии в виде молекул АТФ и других органических соединений. В упрощен­ном виде этот процесс можно представить в виде трех последовательных ста­дий (этапов) (рис. 18).

Первая и вторая стадии биологического окисления происходят в цито­плазме клетки, а третья — в митохондриях.

Первая стадия — подготовительная. Поступившие с пищей или создан­ные путем фотосинтеза биополимерные молекулы органических веществ рас­падаются под действием ферментов на мономеры. Например, полисахариды распадаются на молекулы глюкозы, белки — на молекулы аминокислот, а жиры — на глицерин и жирные кислоты. Выделяющееся при этом небольшое количе­ство энергии рассеивается в виде тепла.

На второй стадии образовавшиеся мономеры распадаются на еще более простые молекулы. Например, молекула глюкозы (шестиуглеродное соединение С₆Н₁₂О_б) сначала распадается на две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты (С3Н4О3) с образованием четырех молекул АТФ. Затем пировиноградная кислота преобразуется под действием ферментов и энергии в молочную кислоту, а молекул АТФ остается только две. Весь процесс идет безучастия кислорода, поэтому данную стадию называют бескислородной или анаэробной.

Ферментативный и бескислородный (анаэробный) процессы распада ор­ганических веществ (главным образом, глюкозы до молочной кислоты) называ­ют гликолизом (от греч. glykys— «сладкий» и lysis — «разложение», «распад»).

Последовательность реакций гликолиза идет одинаково у всех без ис­ключения живых клеток.

Гликолиз — наиболее древний способ расщепления глюкозы, широко рас­пространенный в природе. Он играет важную роль в обмене веществ у живых организмов. Гликолиз одной молекулы глюкозы дает две молекулы АТФ. Это обеспечивает клетку энергией. По типу гликолиза идет обеспечение организма энергией у прокариот, в частности у бактерий. Этот процесс происходит у них в цитоплазме.

В условиях достаточного снабжения клетки кислородом гликолиз высту­пает анаэробной стадией, предшествующей окислительному распаду углеводов до конечных продуктов — углекислого газа и воды. Для полного расщепления питательных веществ при дыхании необходим кислород.

На третьей стадии происходит дальнейшее окисление веществ с помо­щью кислорода (0₂) и ферментов до конечных продуктов — углекислого газа и воды. В результате образуется большое количество энергии — 32 молекулы АТФ. Поскольку эта стадия идет с участием кислорода, ее называют кислород­ной или аэробной.

Основная функция дыхания — обеспечение клетки (и организма) энер­гией — осуществляется на этапе кислородного расщепления веществ.

Всего на трех этапах биологического окисления одной молекулы глюко­зы образуется 36 молекул АТФ. Часть молекул расходуется на сами процессы окисления, а 21 молекула АТФ передается в цитоплазму для обеспечения рабо­ты других клеточных структур.

Дыхание, происходящее в клетке с образованием энергии, нередко сравнивают с го­рением: в обоих случаях идет поглощение кислорода, выделение энергии и продук­тов окисления — углекислого газа и воды. Но, в отличие от горения, дыхание представ­ляет собой высокоупорядоченный процесс последовательно идущих реакций биоло­гического окисления, осуществляемых с помощью ферментов. Образование С0₂ при горении происходит путем прямого соединения кислорода с углеродом, а при дыхании С0₂ возникает как конечный продукт биологического окисления (клеточного дыхания).

При этом в процессе дыхания помимо воды и диоксида углерода образуются молеку­лы АТФ и других высокоэнергетических соединений. Дыхание — принципиально иной процесс, нежели горение.

1. В чем сходство и различия дыхания и фотосинтеза?

2*. На чем основывается утверждение ученых, что гликолиз появился в живой природе раньше кислородного расщепления?

3. Замените одним словом выделенную часть каждого утверждения.

• Ферментативный и бескислородный процесс распада органических ве­ществ в клетке наблюдается у бактерий.

• Совокупность окислительных процессов расщепления молекул органичес­ких веществ с участием кислорода — свойство клеток высших растений и большинства животных.

Краткое содержание главы

Цитология — наука, изучающая клетку. В процессе становления и разви­тия цитологии сформулирована клеточная теория, содержащая основополага­ющие сведения о свойствах клетки, ее универсальности, структуре, жизнедея­тельности и значении для живой природы.

Клетка — это особая биосистема. Она является элементарной структур­ной единицей живой материи. Все организмы состоят из клеток.

В клетках живых организмов всегда присутствуют четыре группы органи­ческих соединений: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты, а также многие неорганические соединения, среди которых важнейшую роль выполня­ет вода. По строению все клетки делят на прокариотические и эукариотические.

В живой клетке постоянно осуществляется обмен веществ — метаболизм. Метаболизм включает два взаимосвязанных процесса: ассимиляцию (анабо­лизм) и диссимиляцию (катаболизм). Совокупностью их химических реакций обеспечивается биосинтез новых соединений, необходимых для жизни клет­ки, и распад (расщепление) уже имеющихся или поступающих веществ для обеспечения клетки энергией.

Биосинтез важнейших органических веществ и клеточное дыхание осу­ществляются в клетке с помощью ферментов. Энергию клетки получают или непосредственно путем поглощения света (при фотосинтезе), или путем рас­щепления имеющихся органических соединений при клеточном дыхании.

В процессе эволюции клетки приобрели упорядоченность и согласован­ность реакций обмена веществ и энергии. Регулируется протекание всех этих сложных реакций благодаря четкому разграничению функций, выполняемых внутриклеточными структурами, строгой упорядоченности размещения в этих структурах ферментов и избирательной проницаемости биологических мембран. Взаимодействие всех клеточных структур и протекающих в них процес­сов, обеспечивающих жизнедеятельность и целостность клетки, позволяет рассматривать клетку как особую живую систему.

Проверьте себя

1. Поясните, почему структура и свойства клетки были открыты лишь в XIX-XX вв.

2. Поясните, почему знания о клетке необходимы в повседневной жизни.

3. Назовите основные структурные компоненты клетки.

4. Охарактеризуйте важнейшие процессы жизнедеятельности клетки.

5. Докажите, что клетка — биосистема и организм.

Проблемы для обсуждения

1. Почему клетки прокариот, возникшие на Земле ранее других и со­хранившие черты древности (примитивности) в своем строении, су­ществуют на нашей планете и поныне?

2. Поясните, как в клетке осуществляется регуляция процессов обме­на веществ. Приведите примеры такой регуляции.

3. В учебнике показан процесс обеспечения клетки энергией на при­мере клеточного дыхания с использованием углеводов. Участвуют ли в этом процессе белки и липиды?

4. Разъясните, каким образом осуществляется управление процесса­ми жизнедеятельности клетки.

5. Подумайте, связано ли знание о клетке с постижением общих зако­нов жизни и ее развития. Обоснуйте свою точку зрения.

Основные понятия

Прокариоты. Эукариоты. Органоиды клетки. Мономеры. Полимеры. Нуклеиновые кислоты. ДНК. РНК. Ферменты. Биосинтез. Фотосин­тез. Метаболизм. Биологическое окисление (клеточное дыхание).