Одним из ключевых веществ, которое способно преобразовывать энергию солнечного света в энергию химических связей органических веществ, а далее вновь накапливать и передавать для синтеза новых веществ, является АТФ (рис. 2). В двух макроэргических связях ее молекул накапливается в 2,5 раза больше энергии, чем в обычных связях. Клетка использует эту запасенную энергию на различные процессы: биосинтез собственных органических веществ, движение, деление, передачу нервных импульсов и т. д. АТФ — основное вещество, которое обеспечивает функционирование клетки, запасает энергию в процессе энергетического обмена и выделяет в процессе пластического обмена. Ее синтез происходит на кристах митохондрий. Молекулы этого вещества легко и быстро способны доставлять энергию в любую часть клетки. АТФ является ключевым веществом обменных процессов и универсальным источником энергии в клетках, тканях и организмах.
Рис. 2. Строение молекулы АТФ: 1 — аденин; 2 — рибоза
Типы обмена веществ
Факторы внешней среды имеют различное значение для разных организмов. Растениям для роста и развития необходимы свет, вода, углекислый газ, минеральные вещества. Животным и грибам таких условий недостаточно. Им необходимы готовые питательные органические вещества, а свет для существования некоторых из них не является необходимым условием. По способу питания, источнику получения органических веществ и энергии все организмы делятся на автотрофные и гетеротрофные.
Автотрофные организмы (от греч. autós — сам и trophé — питание) синтезируют органические вещества из неорганических. Фотоавтотрофы используют энергию солнечного света в процессе фотосинтеза. К ним относятся все растения и фотосинтезирующие цианобактерии. Хемоавтотрофы используют энергию, которая выделяется при окислении неорганических веществ (серы, железа, азота) в процессе хемосинтеза. К ним относятся хемосинтезирующие бактерии.
Гетеротрофные организмы (от греч. héteros — иной, другой) получают готовые органические вещества от автотрофов. Источником энергии для них является запасенная в органических веществах энергия, которая выделяется при химических реакциях распада и окисления этих веществ. К ним относятся животные, грибы, многие бактерии.
Процесс автотрофной ассимиляции осуществляется за счет энергии солнечного света или окисления неорганических веществ, а органические вещества синтезируются при этом из неорганических. В зависимости от поглощения неорганического вещества различают ассимиляцию углерода, ассимиляцию азота, ассимиляцию серы и других минеральных веществ. Автотрофная ассимиляция связана с процессами фотосинтеза и хемосинтеза, в результате которых из неорганических веществ синтезируются органические. Этот процесс носит название первичного синтеза органических веществ.
При гетеротрофной ассимиляции организм поглощает органические вещества в готовом виде и преобразует их в собственные органические вещества за счет энергии, содержащейся в поглощенных веществах. Гетеротрофная ассимиляция включает процессы потребления пищи, переваривания ее, усвоения и синтеза новых органических веществ. Этот процесс называется вторичным синтезом органических веществ.
Процессы диссимиляции у организмов также различаются. Одним из них для жизнедеятельности необходим кислород — это аэробные организмы. Другим кислород не нужен, и процессы их жизнедеятельности могут протекать в бескислородной среде — это анаэробные организмы.
Рис. 3. Поток вещества и энергии в биосфере
Большинство организмов являются аэробными. Это все растения, животные (за исключением некоторых паразитов), основная часть грибов и бактерий. Дыхание для них является главной формой диссимиляции. При дыхании богатые энергией органические вещества полностью окисляются кислородом до энергетически бедных веществ — углекислого газа и воды. При этом происходит освобождение энергии, которая используется организмом. Молекулярный кислород, который используется в этих процессах, образуется при фотосинтезе, т. е. автотрофной ассимиляции.
Различают внешнее дыхание и внутреннее. Газообмен между организмом и внешней средой, включающий в себя поглощение кислорода и выделение углекислого газа, а также транспорт этих веществ по организму к отдельным органам, тканям и клеткам, называется внешним дыханием. В этом процессе кислород не используется, а только транспортируется.
Внутреннее, или клеточное, дыхание включает в себя биохимические процессы, которые приводят к освобождению энергии и образованию воды и углекислого газа. Эти процессы протекают в цитоплазме и митохондриях эукариотных клеток или на мезосомах прокариотных клеток.
Другой формой диссимиляции является анаэробное окисление. Процессы энергетического обмена в этом случае протекают по типу брожения. Брожение — это форма диссимиляции, при которой богатые энергией органические вещества расщепляются до менее богатых энергией органических веществ. В этом случае также происходит высвобождение энергии, но значительно меньше.
В зависимости от конечных продуктов различают типы брожения: спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и т. д. Спиртовое брожение встречается у дрожжевых грибов, некоторых бактерий, в растительных тканях. Молочнокислое брожение характерно для молочнокислых бактерий, а также протекает в мышечной ткани животных и человека при недостатке кислорода.
В филогенетическом отношении брожение более древний процесс. Первый этап брожения — гликолиз имеет место у многих аэробных организмов, в том числе у животных и человека.
Анаэробных организмов значительно меньше, чем аэробных. К ним относятся многие микроорганизмы — бактерии и грибы, а также паразитические организмы, вторично утратившие способность к биологическому окислению в связи с образом жизни. Кислородный путь диссимиляции оказался более выгодным в энергетическом отношении. Вспомните, какое количество АТФ запасается на бескислородном и кислородном этапе расщепления, и станет ясно, почему кислородный путь оказался предпочтительным.
Взаимосвязь реакций обмена веществ у автотрофных и гетеротрофных организмов
Через процессы обмена веществ автотрофные и гетеротрофные организмы в природе связаны между собой.
Самыми важными в природе группами организмов являются автотрофы, которые способны синтезировать органические вещества из неорганических. Большинство автотрофов — зеленые растения, которые в процессе фотосинтеза превращают неорганический углерод — углекислый газ — в сложные органические соединения. Зеленые растения выделяют при фотосинтезе кислород, который необходим для дыхания живых существ.
