Вспомните из учебника «Человек и его здоровье», где и под воздействием каких ферментов расщепляются углеводы, жиры и белки при пищеварении. Что такое окисление, горение, дыхание?
Каждому организму в процессе жизнедеятельности необходима энергия. Движение, рост, развитие, размножение — все эти процессы связаны с затратой энергии. Автотрофные организмы способны аккумулировать солнечную энергию и благодаря ей синтезировать в своем теле органические вещества. Как же получают энергию гетеротрофные организмы?
Пищеварение и преобразование энергии. Гетеротрофные организмы получают органические вещества с пищей. Первоначальное расщепление веществ происходит в их пищеварительном тракте, а окончательное — на клеточном уровне. Высокомолекулярные органические вещества пищи не могут быть сразу усвоены клетками и тканями. Прежде всего, они должны быть разрушены до низкомолекулярных веществ, более доступных для клеточного усвоения. В результате сложных многоэтапных процессов диссимиляции выделяется энергия, которая частично расходуется в виде тепла, а частично преобразуется и запасается в молекулах АТФ.
Рассмотрим основные этапы протекания этих процессов у животных и человека.
На подготовительном этапе, называемом еще пищеварением, происходит расщепление органических веществ под воздействием ферментов в пищеварительном тракте. Так, белки расщепляются в желудке и в тонком кишечнике под действием ферментов — пепсина, трипсина до аминокислот. Расщепление полисахаридов начинается в ротовой полости в присутствие фермента слюны амилазы, а далее продолжается в двенадцатиперстной кишке. Там же расщепляются и жиры под действием липазы. Образующиеся низкомолекулярные вещества всасываются в кровь и доставляются ко всем органам, тканям и клеткам организма.
Вся выделяющаяся на подготовительном этапе энергия рассеивается в виде тепла.
Подготовительный этап (где Q — тепловая энергия):
Белки + Н2О → аминокислоты + Q
Жиры + Н2О → глицерин + (высшие жирные кислоты) + Q
Углеводы + Н2О → глюкоза + Q
Расщепление глюкозы. Последующие этапы расщепления низкомолекулярных органических веществ протекают на клеточном уровне. Рассмотрим их на примере глюкозы (рис. 59). Именно это вещество служит основным источником энергии для большинства организмов.
Глюкоза в клетке может расщепляться двумя путями — анаэробно и аэробно. Процесс бескислородного расщепления протекает в цитоплазме клетки. В зависимости от типа клеток и организмов из глюкозы могут образовываться пировиноградная кислота, молочная кислота, этиловый спирт, уксусная кислота или другие низкомолекулярные органические вещества. Выделяющаяся при этом энергия запасается в двух молекулах АТФ, а частично рассеивается в виде тепла. Некоторые процессы бескислородного расщепления глюкозы называют брожением. Они характерны для анаэробных микроорганизмов, например, для молочнокислых бактерий и дрожжей.
Рис. 59. Общая схема расщепления глюкозы
Молочнокислое брожение наблюдается и у аэробных организмов при недостатке кислорода в тканях. Например, нетренированный человек после интенсивной физической нагрузки чувствует боль в мышцах (рис. 60). Образовавшаяся там молочная кислота раздражает нервные окончания. Примерно через двое суток боль стихает, молочная кислота окисляется дальше.
Рис. 60. При интенсивной физической нагрузке и недостатке кислорода в мышцах образуется и накапливается молочная кислота
У аэробных организмов все промежуточные вещества, образующиеся из глюкозы при бескислородном расщеплении, окисляются кислором воздуха до углекислого газа и воды. Этот последний этап диссимиляции называют биологическим окислением или клеточным дыханием. Он протекает в митохондриях. В реакциях кислородного расщепления глюкозы выделяется значительно больше энергии, основная часть которой запасается в 38 молекулах АТФ.
Таким образом, аэробное расщепление глюкозы энергетически в 19 раз выгоднее, чем анаэробное. В этом процессе образуются только энергетически бедные неорганические вещества, а клетка запасает максимальное количество энергии в виде молекул АТФ.
Процессы клеточного дыхания по конечному результату схожи с процессами горения. Например, если сжечь сахар (рис. 61), то также получается углекислый газ и вода. Но эти процессы существенно различаются по сберегаемости энергии. При горении вся энергия переходит в световую и тепловую, ничего при этом не запасается. При клеточном дыхании запасается энергия в молекулах АТФ, которая впоследствии расходуется во всех процессах жизнедеятельности: синтезе органических веществ, росте, развитие, движение и др.
Рис 61. Горение сахара
Бескислородный и кислородный пути диссимиляции. Исторически брожение более древний процесс, чем клеточное дыхание. Он характерен не только для анаэробных организмов, но является и первым этапом окисления глюкозы у аэробных организмов, в том числе у животных и человека. Кислородный путь диссимиляции оказался более выгодным в энергетическом отношении.
Сравните количество АТФ, синтезируемое при бескислородном и кислородном расщеплениях глюкозы, и станет ясно, почему кислородный путь оказался для живого более предпочтительным. Благодаря выигрышу энергии первичные одноклеточные аэробные организмы дали в процессе исторического развития живой природы начало многоклеточным организмам и достигли больших размеров. Среди анаэробов остались только одноклеточные формы, за исключением паразитов, вторично перешедших жить в анаэробные условия.
Подготовительный этап, бескислородное (анаэробное) расщепление, брожение, кислородное (аэробное) расщепление, биологическое окисление (клеточное дыхание).
1. Что общего в реакциях превращения белков, жиров и углеводов в пищеварительном тракте человека? Как называют такие реакции?
2. Как используется организмом энергия, освобождающаяся на подготовительном этапе диссимиляции? 3. В результате каких процессов образуются в организме углекислый газ и вода? Где в клетке протекают эти реакции? 4. Где и как используется кислород, поступающий в организм при дыхании? 5. АТФ синтезируется в митохондриях и хлоропластах. Объясните, в чем сходство и различие процессов, приводящих к синтезу молекул АТФ.
Оцените энергетическую эффективность анаэробного и аэробного расщеплений глюкозы в клетке. Сделайте вывод об эффективности этих двух путей диссимиляции у организмов.
Основное резервное энергетическое вещество растений — крахмал, занимает в их органах много места. Однако это не является помехой, так как растения активно не передвигаются. Большинство животных, напротив, вынуждены быстро перемещаться, что привело к запасанию у них жиров, которые при одинаковом с углеводами объеме, резервируют в два с половиной раза больше энергии.