1. Источник энергии для растений. Общие закономерности обмена энергии: катаболизм и биосинтез, три фазы выделения энергии.

Общая характеристика обмена веществ и энергии. Обмен веществ и энергии, или метаболизм (от греч. metabole – перемена), – процесс, который лежит в основе всех явлений жизни.

Клетка, так же как и организм, – открытая живая система, поэтому она может функционировать только в условиях постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой.

Обмен веществ осуществляется в три этапа:

• поступление веществ в клетку;

• использование этих веществ клеткой;

• выделение конечных продуктов обмена в окружающую среду.

Процесс использования поступивших в клетку веществ представляет собой совокупность всех химических реакций, протекающих в клетке. Различают две стороны обменных процессов: пластический и энергетический обмены.

Пластический обмен, или анаболизм (от греч. anabole – подъем), представляет собой совокупность реакций биосинтеза (фотосинтез, биосинтез белка, хемосинтез), протекающих с затратами энергии и обеспечивающих клетку структурным материалом.

Энергетический обмен, или катаболизм (от греч. katbole – сбрасывание, разрушение), – это совокупность биохимических реакций расщепления и окисления сложных органических веществ, обеспечивающих клетку энергией.

Пластический и энергетический обмены неразрывно связаны между собой: все реакции пластического обмена требуют затрат энергии, накопленной в процессе энергетического обмена, а для протекания реакций энергетического обмена необходимы органические вещества и ферменты (образуемые в процессе пластического обмена).

Энергетический обмен. Все организмы получают энергию в результате окисления органических соединений. Окислением называют потерю электронов каким-либо атомом или потерю атомов водорода молекулой, а также присоединение к молекуле атомов кислорода. Реакции окисления сопровождаются выделением энергии. Особенно много энергии выделяется при окислении органических соединений, так как в их молекулах электроны находятся на высоких энергетических уровнях, а значит, обладают большим запасом энергии.

Этапы энергетического обмена. Энергетический обмен в клетках большинства аэробных организмов в присутствии кислорода состоит из трех последовательных этапов: подготовительного, бескислородного и кислородного. На этих этапах органические вещества постепенно расщепляются до простых, бедных энергией неорганических соединений, например до углекислого газа и воды.

Первый этап – подготовительный. На этом этапе сложные органические вещества, поступившие в организм с пищей, с помощью ферментов расщепляются на более простые. При этом освобождается незначительное количество энергии, которая рассеивается в виде тепла. Белки расщепляются до аминокислот, жиры – до глицерина и жирных кислот, нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов, полисахариды – до моносахаридов. Расщепление сложных полисахаридов до глюкозы происходит с помощью ферментов в желудочно-кишечном тракте и в лизосомах клеток.

Второй этап – бескислородный, или гликолиз (от греч. glykys – сладкий, lysis – растворение, разложение). Бескислородный этап осуществляется в цитоплазме клеток и протекает в нескольких последовательных реакциях.

Конечные продукты гликолиза одной молекулы глюкозы – две молекулы пировиноградной кислоты (C3H4O3), две молекулы АТФ и атомы водорода:

C6H12O6 → C3H4O3 + 4H + 2АТФ

Процесс происходит в несколько стадий и сопровождается выделением энергии, часть которой (40%) используется для синтеза двух молекул АТФ, а остальная энергия (60%) рассеивается в виде тепла.

Третий этап – кислородный – протекает в митохондриях. Он начинается в матриксе митохондрий в виде сложных циклических реакций, получивших название цикла Кребса по имени ученого, открывшего данную последовательность ферментативных реакций.

Общая реакция кислородного расщепления (в расчете на одну молекулу глюкозы) выглядит следующим образом:

3C3H4O3 + 6O2 + 3АДФ + 36H3PO4 → 6CO2 + 3АТФ + 42H2O

В 36 молекулах АТФ запасается 55% энергии, освобожденной в процессах аэробного (кислородного) дыхания, а 45% энергии рассеивается в виде тепла.

Кислородный этап окисления органических соединений является клеточным дыханием, или биологическим окислением, в результате которого сложные органические вещества окисляются кислородом до конечных продуктов – углекислого газа и воды с освобождением энергии, запасаемой клетками в виде АТФ.

Таким образом, в ходе всего энергетического обмена глюкоза окисляется с образованием воды и углекислого газа, а энергия, первоначально запасенная в молекулах глюкозы, используется на синтез АТФ:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + энергия