- Есіңде сақта!
Зат және энергия алмасу, немесе метаболизм (грек тілінен metabole - өзгеру) - бұл тіршіліктің барлық құбылыстарының негізінде жатқан процесс. Барлық тірі организмдерге - жануарлар мен өсімдіктерге ортақ бірыңғай процесс. Ол екі өзара қарама-қарсы процестерден тұрады - анаболизм және катаболизм.
Жерде өмір сүретін барлық тірі организмдер қоршаған ортамен үнемі материя мен энергия алмасатын ашық жүйелер. Энергия өмірлік процестерді жүзеге асыру үшін қажет, бірақ бәрінен бұрын — жасуша мен дененің құрылымдарын құру және қалпына келтіру үшін қолданылатын заттардың химиялық синтезі.
Дене компоненттерін синтездеу үшін құрылыс материалы ретінде қолданылатын химиялық элементтерді сыртқы тұтыну қажет. Органикалық молекулалардың негізгі құрылымдық элементі — көміртегі. Көміртек көздеріне байланысты тірі организмдер екі үлкен топқа бөлінеді: бейорганикалық көміртегі көзін (көмірқышқыл газы) пайдаланатын автотрофтар және органикалық көміртек көздерін қолданатын гетеротрофтар. Автотрофтар қарапайым органикалық қосылыстарды синтездейді, осы мақсатта бейорганикалық заттарды және күн сәулесінің энергиясын (фотосинтез кезінде) немесе бейорганикалық заттардың тотығу энергиясын (хемосинтез кезінде) қолданады. Гетеротрофтар ас қорыту процесінде қарапайым органикалық заттарды алады, бұл кезде ас қорыту ферменттерінің әсерінен тағамның күрделі органикалық компоненттері қарапайымға бөлінеді. Алайда органикалық заттардың өзі де, олардың бөлшектену өнімдері де жасушалық процестерге тікелей «отын» бола алмайды.
Мұндай әмбебап отынның рөлін ATФ (аденозинтрифосфат) атқарады. АТФ-тің синтезі, бұл жоғары калориялы жасушалық отын, тыныс алу метаболизмі, көптеген жоғары реттелген химиялық қосылыстар жүйесі нәтижесінде пайда болады. Респираторлық алмасу тек энергияны ғана емес, сонымен қатар құрылыс материалдарын да жеткізеді. Көмірсулардың, майлардың және ақуыздардың ыдырауының көптеген өнімдері жасушаны құрайтын әр түрлі қосылыстардың, соның ішінде жаңа көмірсулардың, майлардың және белоктардың синтезі үшін қолданылады. Дәл осы энергияны өндіруге және басқа заттарды өндіруге арналған заттарды кәдеге жарату процестерінің өзара тығыз байланысы жасушалық метаболизмді реттеу құбылысына ерекше, қайталанбас сипат береді. Осы процестердің барлығында бір энергия түрі екінші түрге ауысады.
Жалпы, энергия ағыны келесі түрде ұсынылуы мүмкін:
1. Күн энергиясы→ автотрофтар → органикалық заттар → АТФ → әр түрлі жұмыс түрлері.
2. Күн энергиясы → автотрофтар → органикалық заттар → гетеротрофтар → АТФ → әр түрлі жұмыс түрлері.
Энергия ағынының жасушалық механизмдерінің екі түрі бар:
- Тірі организмдердің энергия мен зат алу процесі тамақтану деп аталады.
- Тірі организмдердің тамақтан алынған оған бай заттардан энергия бөлу процесі тыныс алу деп аталады.
Жасуша, организм сияқты, ашық тірі жүйе, сондықтан ол қоршаған ортамен үнемі зат пен энергия алмасу жағдайында ғана жұмыс істей алады.
Зат алмасу үш кезеңде жүзеге асырылады:
— жасушаға заттар қабылдау;
— жасушаның осы заттарды қолдануы;
— айырбастың соңғы өнімін қоршаған ортаға шығару.
Жасушаға енген заттарды қолдану процесі — бұл жасушада болатын барлық химиялық реакциялардың жиынтығы. Зат алмасу процестерінің екі жағы бар: пластикалық және энергетикалық алмасу.
Пластикалық және энергиялық алмасулары бір-бірімен тығыз байланысты: барлық пластикалық алмасу реакциялары энергия алмасу процесінде жинақталған энергияның шығынын, ал энергия алмасу реакциялары үшін органикалық заттар мен ферменттер (пластикалық метаболизм процесінде пайда болған) қажет.
Пластикалық алмасу, анаболизм немесе ассимиляция (грек тілінен аударғанда anabole — көтерілу) — бұл энергия кірістерімен өтетін және жасушаны құрылымдық материалмен қамтамасыз ететін биосинтез реакцияларының (фотосинтез, белок биосинтезі, хемосинтез) тіркесімі. Айырбастың бұл түрінің атауы оның мәнін көрсетеді: жасушаға сырттан енетін заттардан жасуша заттарына ұқсас заттар түзіледі.
Пластикалық метаболизм амин қышқылдарының, моносахаридтердің, май қышқылдарының, нуклеотидтердің, сондай-ақ ақуыздардың, полисахаридтердің, майлардың, нуклеин қышқылдарының және АТФ макромолекулаларының синтез процестерін қамтиды.
Пластикалық метаболизм жасушаны күрделі органикалық заттармен (ақуыздар, майлар, көмірсулар, нуклеин қышқылдары), соның ішінде энергия алмасуына арналған фермент белоктарымен қамтамасыз етеді. Ақуыздардың фотосинтезі мен биосинтезі — бұл пластикалық метаболизмнің мысалдары.
Фотосинтез. Автотрофтар өздеріне қажетті органикалық қосылыстарды СО2, су және жарық энергиясы (фотосинтез) немесе бейорганикалық қосылыстардың (хемосинтез) тотығуы кезінде бөлінетін энергия есебінен синтездеуге қабілетті. Жарық энергиясынан өздеріне қажет барлық органикалық заттарды синтездейтін организмдерді фототрофтар деп атайды (бұлардың барлығы жасыл өсімдіктер). Хемотрофтар мен фототрофтар — автотрофты организмдер.
Фотосинтез — бұл фотосинтетикалық пигменттердің қатысуымен жарықта көмірқышқыл газы мен судан органикалық заттар түзілу процесі (өсімдіктердегі хлорофилл, бактериялардағы бактериохлорофилл және бактериорходопсин). Фотосинтетикалық процестер Жердегі барлық органикалық заттардың көзі болып табылады. Фотосинтез пигменттерді қолдану арқылы жүзеге асырылады. Пигменттер дегеніміз — көзге көрінетін спектрде жарықты таңдап сіңіретін заттар. Фотосинтезге қатысатын екі негізгі пигменттер тобы бар — хлорофлилдер мен каротиноидтар, олар хлоропласт мембраналарында орналасқан. Хлоропласт мембрана жүйесі (тилакоидты мембрана) — бұл жерде фотосинтездің жарық реакциялары жүреді. Мембраналарда хлорофилл және басқа пигменттер, ферменттер және электрондар тасымалдаушылары бар.
Хлоропластардың құрылымдық-функционалдық бірлігі — бұл жалпақ қапшық түрінде болатын тилакоид. Тилакоидтар бір-біріне қабаттасады — граналар.
Тилакоидты мембраналарда бөлшектердің екі түрі бар. Мұндай бөлшектерді квантосомалар деп атайды. Кішігірім бөлшектер фотосистеманы 1 құрайды, үлкендері — 2 фотосистема, олар күн сәулесін түсіреді.
Квантозоманың ортасында липопротеин кешені, ал оның ішкі жағында хлорофилл, каротин және фосфолипид молекулалары орналасқан. Әрбір квантосомада 200 хлорофилл молекуласы бар, бірақ олардың тек 10-ы ферментативті кешенмен байланысты. Цитохромдарсыз хлорофилл қозған электронды бере алмайды.
Энергетикалық алмасу, катаболизм немесе диссимиляция (грек тілінен аударғанда katbole — түсу, бұзылу) — бұл жасушаны энергиямен қамтамасыз ететін күрделі органикалық заттардың ыдырауы мен тотығуының биохимиялық реакцияларының тіркесімі.
Барлық организмдер энергияны органикалық қосылыстардың тотығуынан алады. Тотығу дегеніміз — кез-келген атомның электрондарды жоғалтуы немесе молекуланың сутегі атомдарының жоғалуы, сонымен қатар молекулаға оттегі атомдарының қосылуы. Тотығу реакциялары энергияның бөлінуімен жүреді. Органикалық қосылыстардың тотығуы кезінде әсіресе көп энергия бөлінеді, өйткені олардың молекулаларындағы электрондар жоғары энергетикалық деңгейлерде болады, демек оларда үлкен энергия қоры бар.
Барлық жасушалардың негізгі энергия көздерінің бірі — глюкоза. Өсімдік жасушаларында глюкоза фотосинтез кезінде түзіледі. Жануарлар мен саңырауқұлақтардың жасушаларында глюкоза организмге тамақпен бірге түсетін органикалық заттардың ыдырауынан түзіледі. Өсімдік жасушаларында глюкоза молекулаларының полимерленуі кезінде пайда болатын қоректік қоректік зат крахмал, ал жануарлар мен саңырауқұлақтар жасушаларында гликоген болғандықтан, бұл заттар жасушалардың энергия қорын білдіреді. Клеткадағы көмірсулардың жетіспеушілігімен майлар, тіпті ақуыздар энергия үшін пайдаланылуы мүмкін. Жасушадағы энергия алмасуы кезең-кезеңімен жүзеге асырылады.
Энергетикалық алмасудың кезеңдері
Көптеген аэробты организмдердің жасушаларында оттегінің қатысуымен энергия алмасуы үш дәйекті кезеңнен тұрады: дайындық, оттегісіз (гликолиз) және оттегімен. Бұл сатыларда органикалық заттар біртіндеп қарапайым, энергиясы жоқ бейорганикалық қосылыстарға, мысалы, көмірқышқыл газына және суға дейін ыдырайды.
Бірінші кезең — дайындық. Бұл кезеңде организмге тамақпен бірге түскен күрделі органикалық заттар ферменттердің көмегімен қарапайымына дейін ыдырайды. Бұл жылу ретінде бөлінетін энергияның аз мөлшерін шығарады. Ақуыздар амин қышқылдарына, майлар глицерин мен май қышқылдарына, нуклеин қышқылдары нуклеотидтерге, полисахаридтер моносахаридтерге дейін ыдырайды. Күрделі полисахаридтердің глюкозаға бөлінуі асқазан-ішек жолдары мен жасушалардың лизосомаларында ферменттердің көмегімен жүреді.
Екінші кезең — оттегісіз, немесе гликолиз (грек тілінен glykys — тәтті, lysis — еру, ыдырау) — бұл бір мезгілде АТФ түзілуімен глюкозаның пируватқа (пирув қышқылы, ПВХ) айналуына әкелетін ферментативті реакциялардың бірізділігі. Оттегісіз саты жасушалардың цитоплазмасында жүзеге асады және бірнеше қатарлы реакцияларда жүреді.
Бір глюкоза молекуласының гликолизінің соңғы өнімдері екі пирув қышқылының (C3H4O3) молекулалары, екі ATФ молекулалары және сутек атомдары болып табылады:
C6H12O6 → 2C3H4O3 + 4H + 2ATF
Процес бірнеше кезеңде жүреді және энергияның бөлінуімен жүреді, оның бір бөлігі (40%) екі АТФ молекуласын синтездеуге жұмсалады, ал қалған энергия (60%) жылу түрінде бөлінеді. Энергия біртіндеп, бөліктерге бөлінеді. Қуатты дереу босату қызып кету нәтижесінде жасушаны өлімге әкеледі.
Ашыту процесі кейбір организмдердің жасушаларында жүреді. Мысалы, өсімдік жасушаларында және ашытқы жасушаларында оттегі болмаған кезде алкогольдік ашыту этил спирті (C2H5OH) мен көмірқышқыл газының түзілуімен жүреді. Жануарлардың жасушаларында және кейбір бактериялардың жасушаларында оттегінің жетіспеушілігімен сүт қышқылының ашуы жүреді, нәтижесінде пирожүзім қышқылы сүт қышқылына айналады (C3H6O3). Ашыту қосымша энергетикалық әсер етпейді. Глюкоза молекуласындағы энергияның едәуір бөлігі ферменттеу процесінде ешқашан алынбайды, бірақ ферменттеудің соңғы өнімдерінде қалады — этил спиртінде немесе сүт қышқылында.
Үшінші кезең — оттегі митохондрияда өтеді. Ол митохондриялық матрицадан күрделі циклдік реакциялар түрінде басталып, осы ферменттік реакциялардың тізбегін ашқан ғалымның атымен Кребс циклі (үш карбон қышқылының циклі) деп аталады.
Оттегі бөлінуінің жалпы реакциясы (бір глюкоза молекуласына) келесідей:
2C3H4O3 + 6O2 + 36ADP + 36H3PO4 → 6CO2 + 36ATP + 38H2O
36 АТФ молекуласында аэробты (оттегі) тыныс алу процестерінде бөлінетін энергияның 55% -ы жинақталады, ал энергияның 45% -ы жылу түрінде бөлінеді.
Органикалық қосылыстардың тотығуының оттегі сатысы — бұл жасушалық тыныс алу немесе биологиялық тотығу, нәтижесінде күрделі органикалық заттар оттегімен тотықтырылып, соңғы өнімдерге — көмірқышқыл газына және суға дейін, жасушаларда АТФ түрінде жинақталған энергия бөлінеді. Осылайша, бүкіл энергия алмасу процесінде глюкоза тотығып, су мен көмірқышқыл газын түзеді, ал глюкоза молекулаларында жинақталған энергия АТФ синтезіне жұмсалады:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + энергия
Тыныс алудың мәні энергияны сақтауда, дәлірек айтсақ, жасушаның барлық тіршілік процестерін қамтамасыз ететін АТФ молекулаларының түзілуінде.
Қолданылған әдебиеттер : Жалпы білім беретін мектептің 11-сыныбына арналған оқулық (жаратылыстану-матем. бағыты) / Ковшарь, Анатолий Федорович, Соловьева, Алина Робертовна, Қайым, Қабілрашид; [орыс тіл. ауд., сөздік құраст. Қ. Қайым]– 2-ші бас., өңд., толықт. . — Алматы : Атамұра, 2011.
Биология : Төменгі сатыдағы өсімдіктер биологиясы, системасы, экологиясы : (Оқулық) Жатқанбаев, Ж. Ж. — Алматы : Үші Қиян, 2009.