Тема 3. Принципи функціонування клітини

Після робіт Велера із часом почали з’ясовуватися механізми таких процесів, як дихання, бродіння, ферментація, фотосинтез. Вивчення хімічного складу й властивостей сполук, виділених із тварин і рослин, стало предметом органічної хімії (хімії органічних сполук).

Початок біохімії ознаменувався відкриттям першого ферменту діастази (нині відомого як амілаза) у 1833 р. Ансельмом Паєном. Труднощі, пов’язані з виділенням ферментів із тканин і клітин, наводили на думку про неможливість вивчення клітинних ферментів поза живими істотами. Проте в 1896 р. можливість спостерігати спиртове бродіння в екстрактах розтертих (тобто позбавлених структурної цілісності) дріжджів було підтверджено німецьким ученим Едуардом Бухнером, який зумів експериментально спостерігати цей процес.

Сам термін біохімія вперше запропонований у 1882 р., проте широко використовуватися він почав після робіт німецького хіміка Карла Нойберга в 1903 р.

Ханс Адольф Кребс (1900-1981)

Відтоді біохімія швидко розвивалася, особливо починаючи з середини ХХ ст., перш за все завдяки розробці нових методів, таких як хроматографія, рентгеноструктурний аналіз, метод мічених атомів тощо.

Наукові праці К. А. Тімірязєва присвячено вивченню фотосинтезу. Учений установив, що фотосинтез відбувається за законом збереження енергії; інтенсивність фотосинтезу тісно пов’язана з інтенсивністю світла. Тімірязєв висловив думку, що хлорофіл хімічно бере участь у фотосинтезі, передбачивши тим самим розвиток сучасної фізіології рослин.

Перебіг гліколізу в клітинах дріжджів описали Отто Варбург, Ганс фон Ейлер-Хельпін та Артур Гарден (два останні вчені отримали Нобелівську премію з хімії 1929 р.). Гліколіз у м’язах дослідили Густав Ембден та Отто Меєргоф (Нобелівська премія в галузі фізіології та медицини 1922 р.).

За свої дослідження в галузі біохімії отримали Нобелівську премію з фізіології та медицини 1953 р. два біохіміки німецького походження – англійський Ханс Адольф Кребс та американський Фріц Альберт Ліпман за відкриття циклу біохімічних реакцій під час кисневого етапу енергетичного обміну (названий циклом Кребса). Американський хімік Мелвін Кальвін вивчав процеси темнової фази фотосинтезу (цикл Кальвіна). За ці дослідження він був удостоєний Нобелівської премії 1961 р.

Пізніше Пітер Денніс Мітчелл розкрив механізм синтезу мітохондріями головної енергетичної молекули – АТФ (Нобелівська премія 1978 р.)

Мелвін Елліс Кальвін (1911-1997)

§ 13. Обмін речовин і перетворення енергії в клітині

Обмін речовин. Клітина є відкритою біологічною системою, тобто такою, для якої необхідно надходження речовин та енергії з навколишнього середовища та їх перетворення.

Сукупність усіх хімічних перетворень речовин в організмі з моменту надходження їх з навколишнього середовища до моменту виведення продуктів розпаду називають обміном речовин.

В організмі одночасно відбувається перебіг процесів двох типів. Для синтезу сполук, необхідних для життєдіяльності організму, з навколишнього середовища надходять певні речовини. При цьому поглинається енергія, необхідна для утворення хімічних зв’язків, тощо. Сукупність реакцій синтезу складних речовин із простих, що забезпечують розвиток клітин й організмів, поновлення їхнього хімічного складу називають пластичним обміном (від грец. пластос – створений). Водночас у клітині відбувається протилежний процес – розщеплення речовин. Сукупність реакцій розщеплення складних речовин на простіші з вивільненням енергії називається енергетичним обміном.

Пластичний та енергетичний обмін є протилежними складовими єдиного процесу обміну речовин. Реакції біосинтезу потребують поглинання енергії, що вивільняється в результаті реакцій енергетичного обміну. Для перебігу реакцій енергетичного обміну необхідний постійний біосинтез органічних речовин, які надалі будуть розщеплюватися (рис. 56). У процесі енергетичного обміну молекули АТФ утворюються, а в процесі пластичного обміну вони витрачаються, розщеплюються з виділенням енергії. Перебіг реакцій обміну відбувається впорядковано за участі специфічних білків – ферментів. Завдяки їм ці реакції йдуть швидко й ефективно за звичайних умов функціонування клітин.

Рис. 56. Взаємозв’язок пластичного й енергетичного обміну

Перетворення енергії. Для забезпечення власних енергетичних потреб організми використовують енергію, що надходить із навколишнього середовища. Вони акумулюють енергію у формі хімічних зв’язків органічних молекул, отже, перетворення енергії взаємопов’язане з обміном речовин. Ви пам’ятаєте, що організми, здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних, називають автотрофами (від грец. аутос – сам і трофе – їжа, живлення). Одні з них використовують для цих процесів енергію світла (зелені рослини й деякі прокаріоти – ціанобактерії, зелені та пурпурові бактерії). Інші автотрофи використовують енергію, що вивільняється під час хімічних реакцій. До цієї групи належать деякі бактерії (ви дізнаєтеся про них із § 17). Енергію у формі хімічних зв’язків синтезованих сполук ці організми використовують для власних потреб або запасають. Організми ж, які використовують енергію готових органічних речовин, називаються гетеротрофами (від грец. гетерос – інший). До цієї групи належать гриби, більшість тварин і бактерій. Для них джерелом енергії є синтезовані іншими організмами органічні сполуки, які вони одержують із їжею (живі організми, їхні рештки або продукти життєдіяльності) (рис. 57).

Енергія, що надходить до організму з навколишнього середовища, може запасатися в хімічних зв’язках синтезованих сполук або ж витрачатися на різноманітні процеси функціонування. Витрачена енергія перетворюється на теплову. Отже, живим системам притаманний енергетичний баланс: скільки енергії організм отримує, стільки й витрачає або запасає. Основою цього є фізичний принцип збереження енергії.

Рис. 57. Приклади автотрофних і гетеротрофних організмів

Які серед наведених організмів є автотрофними, а які – гетеротрофними?

ПОВТОРІТЬ, ПОМІРКУЙТЕ

• 1. Що таке обмін речовин?
• 2. Порівняйте пластичний та енергетичний обмін.
• 3. Які організми належать до автотрофних, а які – до гетеротрофних?
• 4. Обґрунтуйте взаємозв’язок пластичного та енергетичного обміну.

Довідник з біології

Обмін речовин, або метаболізм — сукупність хімічних перетворень, які протікають у живих організмах, забезпечуючи їх зростання, життєдіяльність, відтворення, постійний контакт і обмін з навколишнім середовищем. Завдяки обміну речовин відбувається розщеплення і синтез молекул, які входять до складу клітин, утворення, руйнування й оновлення клітинних структур і міжклітинної речовини. Таким чином, обмін речовин складається з двох протилежних процесів — синтезу та розпаду.

Сукупність реакцій біосинтезу називається асиміляцією, або пластичним обміном. Протилежний процес — розпад і окислення клітиною органічних речовин — називається дисиміляцією, або енергетичним обміном. Для біосинтезу речовин необхідна енергія, що вивільняється при дисиміляції і акумулюється в АТФ. Розпад органічних сполук можливий тоді, коли кількість їх в клітині постійно поповнюється. Джерелом енергії для організму є органічні речовини: вуглеводи, жири, білки. Для нормального обміну необхідні також вода, мінеральні солі та вітаміни.

Вода входить до складу клітин, міжклітинної речовини, тканинної рідини та лімфи. Вона становить 65—70 % маси тіла людини, а кров і лімфа містить понад 90 % води. Значення води полягає в тому, що всі хімічні перетворення відбуваються тільки у водних розчинах. Вода — розчинник органічних і неорганічних сполук. У клітинах вона пов’язана з білками, вуглеводами й іншими речовинами, наприклад, утворює сольватні оболонки навколо білкових молекул. Добова потреба людини у воді 2,5—3 л, але вона змінюється залежно від умов зовнішнього середовища. Вода поступає при питті та з їжею і всмоктується в кишечнику в незміненому вигляді.

Мінеральні солі необхідні для підтримки постійного складу внутрішнього середовища організму, для транспортування кров’ю кисню і вуглекислого газу (залізо у складі гемоглобіну), для нормального процесу згортання крові (кальцій), для процесу кровотворення (залізо, мідь), для побудови тканин (кальцій для кісткової тканини), для виникнення збудження в нервових і м’язових клітинах (калій, натрій) тощо. Загальна кількість мінеральних речовин в тілі людини — близько 3,46 %. До їх складу входять близько 60 елементів. Потреби організму в мінеральних солях в основному задовольняються за рахунок продуктів харчування. Виняток становить тільки хлористий натрій, який додають до їжі (5—6 г на добу). У деяких регіонах в куховарську сіль додають йод (у зв’язку з недоліком його у воді й місцевих продуктах харчування). Надлишки води та мінеральних солей виводяться з організму з сечею, потом і калом.

Білки, або протеїни, високомолекулярні органічні сполуки, побудовані із залишків амінокислот. Відіграють першорядну роль у життєдіяльності всіх організмів, беруть участь у їх побудові, розвитку й обміні речовин. Входять до складу цитоплазми, оболонки та ядра клітин, ферментів, плазми крові, більшості гормонів і гемоглобіну. Їх джерелом для людини служать переважно продукти тваринного (м’ясо, риба, молоко, сир, яйця тощо) і частково рослинного походження (особливо боби). Білки розщеплюються в шлунку і в кишечнику до амінокислот і всмоктуються в кров. Особливо важливі 10 амінокислот, які не можуть синтезуватися в 9рганізмі і називаються незамінними. Відсутність в їжі деяких з них приводить до порушення синтезу білків. За змістом необхідних для організму амінокислот білки діляться на повноцінні (білки молока, м’яса, риби тощо) і неповноцінні, які не містять хоча б однієї з незамінних кислот. Добова потреба в білках складає 80- 100 г. У клітинах з амінокислот утворюються білки, властиві даному організму. При надлишку білки перетворяться на вуглеводи й жири. Частина амінокислот, не використаних в синтезі білка, розщеплюється з вивільненням енергії (17,6 кДж на 1 г речовини) й утворенням продуктів розпаду, таких як вода, діоксид вуглецю, аміак, сечовина та ін. Продукти розпаду виводяться з організму у складі сечі, поту, частково з повітрям, що видихається.

Вуглеводи, або цукри, поліоксикарбональні сполуки та їх численні (у тому числі полімерні) похідні, компоненти всіх без винятку живих організмів. Вуглеводи ділять на моносахариди, олігосахариди та полісахариди. В організмі служать основним джерелом енергії. На добу людина повинна одержувати 400—500 г вуглеводів. Основним джерелом є продукти рослинного походження (картопля, хліб, фрукти тощо). У шлунково-кишковому тракті вони розщеплюються до глюкози, котра всмоктується в кров. Рівень глюкози в крові відносно постійний і складає 4,4-7,0 ммоль/л. Надлишок глюкози перетворюється в печінці на тваринний крохмаль — глікоген. У клітинах глюкоза розщеплюється до кінцевих продуктів — вуглекислого газу й води; при цьому виділяється енергія (17,6 кДж на 1 г глюкози). При надмірному вуглеводному харчуванні вони можуть перетворюватися на жири.

Жири та жироподібні речовини входять до складу клітинних мембран, цитоплазми, ядра. Вони надходять в організм з рослинною і тваринною їжею. Жири всмоктуються в лімфу, потім поступають у кров і розносяться по всіх клітинах. Добова потреба в них складає 80—100 г. Частина жиру, що потрапив у клітини, є будівельним матеріалом. Велика ж його частина відкладається у підшкірній клітковині, в сальнику й інших органах. Цей жир є резервним і використовується організмом при недостатньому харчуванні. Жири також є важливим джерелом енергії: при розщеплюванні 1 г жиру виділяється 38,9 кДж енергії. Кінцевими продуктами окислення жирів є діоксид вуглецю та вода. В організмі людини жири можуть синтезуватися з вуглеводів і білків.

Вітаміни (від лат. vita — життя) — низькомолекулярні органічні сполуки різної хімічної природи, виконуючі найважливіші біохімічні та фізіологічні функції у живих організмах. Дія їх виявляється в малих кількостях і виражається в регулюванні процесів обміну речовин.

Основоположник вчення про вітаміни — російський лікар М. І. Лунін. Термін «вітаміни» запропонований в 1912 році польським хіміком К. Функом. Лунін показав значення вітамінів для життєдіяльності організмів. Вітаміни входять до складу молекул більшості ферментів і деяких фізіологічно активних речовин, тому при їх відсутності — авітамінозі або недоліку — гіповітамінозі порушується синтез ферментів і обмін речовин, унаслідок чого розвиваються важкі захворювання. Вітаміни в основному неміцні сполуки: вони швидко руйнуються при нагріванні харчових продуктів. Натуральні вітаміни містяться в продуктах рослинного й тваринного походження і, за рідкісним винятком (вітамін D), не синтезуються в організмі людини.

Відкрито декілька десятків речовин, які відносяться до вітамінів.

Дані про значення деяких вітамінів, вмісті їх в продуктах і добовій потребі в них людини наведені в табл. 6.

Характеристика основних вітамінів, необхідних людині

Продукти, що містять вітамін

Обмін речовин в організмі людини

Основні терміни і поняття, що перевіряються в екзаменаційній роботі: авітаміноз, білковий обмін, водно – сольовий обмін, вітаміни, норми харчування, обмін жирів, обмін вуглеводів.

Сукупність ферментативних хімічних реакцій в організмі називається обміном речовин (метаболізмом).
Основними видами обміну речовин є білковий, вуглеводний, жировий і водно-сольовий обміни.
Білковий обмін спрямований на використання і перетворення амінокислот білків в організмі людини. Організму потрібні не білки їжі, самі по собі, а які у них амінокислоти. При перетравленні їжі з’їдені білки розпадаються на амінокислоти, які всмоктуються в кров і з крові надходять в кожну клітину організму. Тут вони частково йдуть на будівництво власних білків, а частково спалюються для отримання АТФ.

Рівень вмісту амінокислот у крові регулює печінку. У печінці відбувається розкладання надлишку амінокислот. З утворився аміаку синтезується сечовина, яка потім виводиться нирками і шкірою. Залишки амінокислот використовуються, як енергетичний матеріал, і перетворюються на глюкозу, надлишок якої перетворюється в глікоген. У клітинах білки розпадаються до вуглекислого газу, води, сечовини, сечової кислоти та ін Вони виводяться з організму.

Вуглеводний обмін – сукупність процесів перетворення і використання вуглеводів.
Вуглеводи є основним джерелом енергії в організмі. При розщепленні 1 г глюкози вивільняється 17,6 кДж енергії. Частина глюкози потрапляє в печінку, де перетворюється в глікоген. Інша частина перетворюється в жири. Основна частина глюкози окислюється до діоксиду вуглецю і води. Глікоген є основним постачальником енергії для м’язового скорочення. Рівень глюкози в крові регулюється гормонами, в тому числі інсуліном. При нестачі інсуліну рівень глюкози підвищується, що веде до цукрового діабету. Інсулін гальмує розпад глікогену і сприяє підвищенню його вмісту в печінці. Інший гормон підшлункової залози – глюкагон сприяє перетворенню глікогену в глюкозу, тим самим підвищуючи її вміст у крові.

1 г вуглеводів містить значно менше енергії, ніж 1 г жирів. Але зате вуглеводи можна окислити швидко і навіть отримати АТФ без окислення за рахунок гліколізу.
Обмін жирів – сукупність процесів перетворення і використання ліпідів.
Жири містять незамінні жирні кислоти. При розпаді 1 г жиру виділяється 38,9 кДж енергії. Жирні кислоти всмоктуються в лімфу в ворсинках тонкого кишечника. З потоком лімфи ліпіди потрапляють в кровотік, а потім у клітини. Ліпіди є структурними елементами клітинних мембран, входять до складу медіаторів, гормонів, утворюють підшкірні жирові відкладення і сальники. Ліпіди можуть відкладатися на тканинах деяких органів і на стінках кровоносних судин. Остаточними продуктами окислення жирів є діоксид вуглецю і вода. У гуморальної регуляції рівня жирів беруть участь залози внутрішньої секреції та їх гормони.

Водно-сольовий обмін. У клітинах організму людини близько 72% води, 28% входить до складу крові, лімфи, позаклітинної рідини. Вода виконує транспортну, видільну, теплорегуляционная функції. Вона є середовищем для протікання хімічних реакцій і визначає фізичні властивості клітини. Потреба у воді у дорослої людини складає 2-3 л на добу. Нормальний водний обмін припускає рівновагу між кількістю поглинутої та виділеної води. Вода надходить в організм з їжею, з рідинами (вода, соки і т. д.). У клітинах утворюється метаболічна вода, як продукт окислення органічних сполук. Вода виводиться з організму з потом, сечею, у вигляді водяної пари, через кишечник. Потреба у воді (спрага) викликає збудження питного центру в гіпоталамусі. Задоволення спраги гальмує цей центр. Сольовий обмін – необхідна складова частина загального обміну речовин. Щодня організм потребує солях кальцію, натрію, калію, хлору, фосфору, заліза та інших елементів. Солі беруть участь у підтримці рН внутрішнього середовища організму, процесах збудливості нервової та м’язової тканин.
Вітаміни, їх роль в організмі. Для нормального протікання біохімічних процесів потрібні невеликі кількості речовин, які, взагалі кажучи, не можна вважати ні білками, ні жирами, ні вуглеводами. Одні з таких речовин можуть синтезуватися в людському організмі з білків, жирів і вуглеводів, а інші – ні. В останньому випадку такі речовини повинні міститися в їжі в готовому вигляді. Такі необхідні для організму речовини, які організм не може синтезувати самостійно, називаються вітамінами.
При нестачі вітамінів або при придушенні їх дії, наприклад антибіотиками, розвиваються гіповітамінози (недолік) і авітамінози (відсутність).

Основні вітаміни:
А – впливає на ріст, розвиток, зір. Надходить в організм з тваринними жирами, м’ясними продуктами, яйцями. При гіповітамінозі настає куряча сліпота.
Б – регулює обмін кальцію і фосфору. При гіповітамінозі розвивається рахіт.
Е – при гіповітамінозі послаблюється статева функція, розвивається дистрофія скелетних м’язів.
К – при гіповітамінозі знижується згортання крові.
В1 – бере участь в обміні білків, жирів і вуглеводів, у проведенні нервового імпульсу. Гіповітаміноз пов’язаний з пониженням рухової активності.
В2 (рибофлавін) – бере участь у клітинному диханні. Гіповітаміноз викликає помутніння кришталика, ураження слизової оболонки рота.
В6 – бере участь в обміні речовин, при гіповітамінозі виникають захворювання шкіри, судоми, анемія.
В12 – при гіповітамінозі виникає анемія. Бере участь у білковому обміні.
РР (нікотинова кислота) – бере участь у клітинному диханні, роботі травної системи. При гіповітамінозі розвивається пелагра (пронос, судоми, анемія).
С (аскорбінова кислота) – бере участь в окисно-відновних процесах, підвищує стійкість до інфекцій. При гіповітамінозі розвивається хвороба ясен – цинга, уражаються стінки кровоносних судин.