БіологіяБіологія – це цілі організми, мільйони молекул

Обмін речовин (метаболізм) живої клітини складається з двох протилежно спрямованих видів реакцій – катаболічних та анаболічних:

1) сукупність реакцій розпаду органічних сполук – катаболізм, або енергетичний обмін;

2) сукупність реакцій синтезу органічних сполук – анаболізм, або пластичний обмін.

Білки, ліпіди та полісахариди, з яких складається переважна частина нашої їжі, повинні розщепитися на менші за розміром молекули раніше, ніж клітини організму зможуть їх спожити.

Ферментативний розпад, або катаболізм, цих молекул відбувається у три стадії.

На 1-й стадії великі молекули полімерів розпадаються на мономерні субодиниці. Цей процес, що називається травленням, відбувається поза клітинами під дією травних ферментів.

На 2-й стадії невеликі молекули, що утворились, надходять у клітини організму та зазнають подальшого розщеплення у цитоплазмі. При цьому велика частина всіх мономерів перетворюється у піровиноградну кислоту (піруват), а потім – в ацетилкофермент А.

Остання, 3-я стадія катаболізму полягає у повному розщепленні ацетильної групи ацетил коферменту А до СО₂ та Н₂О, що супроводжується утворенням АТФ з АДФ та фосфорної кислоти:

АДФ+Н₃РО₄=АТФ+Н₂О

3-я стадія катаболізму можлива тільки при наявності віль­ного кисню, тобто протікає винятково в аеробних організмах, і для її здійснення необхідні біомембрани. В еукаріотичних клітинах ця стадія проходить у мітохондріях. В анаеробів, у безкисневих умовах, катаболізм закінчується перетворенням пірувату в молочну кислоту (наприклад, молочнокислі бактерії) або в етиловий спирт (наприклад, дріжджі). Такі процеси називаються бродінням (молочнокисле, спиртове), а процес перетворення простих цукрів на піруват — ґліколізом.

Перевага аеробів перед анаеробами пов’язана з тим, що ос­новна кількість енергії вивільняється з поживних речовин саме на 3-й стадії катаболізму, відсутньої в анаеробів.

Розщеплення ацетильної групи ацетилкоферменту А від­бувається у мітохондріях у циклі лимонної кислоти (цикл Кребса). Реакції циклу поставляють редукційний потенціал у систе­му транспорту електронів, яка сполучена з синтезом АТФ. Таким чином мітохондрії виконують свою головну функцію — генераторів енергії у клітині .

Всі описані процеси (ґліколіз, цикл лимонної кислоти, синтез АТФ та ін.) становлять основу енергетичного обміну, тобто біо­хімічних реакцій, що забезпечують накопичення енергії у вигляді молекул АТФ.

Реакції синтезу органічних сполук, або пластичний обмін, протікають із витратою енергії. При цьому створюються необхідні для організму біополімери.

Катаболізм та анаболізм постійно пов’язані між собою пото­ком речовин та потоком енергії. У катаболічних та анаболічних процесах беруть участь одні й ті самі молекули, які складають потік речовин. Потік енергії представлений зворотним процесом синтезу — розпаду АТФ.

Окрім загальних форм метаболічної активності, деяким тва­ринам та рослинам притаманні й особливі типи обміну речовин. Зелені рослини, наприклад, здатні до фотосинтезу. Існують риби, що виробляють цілком відчутні електричні розряди. Багато рос­лин виробляють всілякі хімічні сполуки, зокрема піґменти, від яких залежить забарвлення квітки. Бактерії ж та плісняві гри­би, що є, мабуть, кращими «хіміками» живого світу, можуть «при­готувати» всі? — від смертельних отрут до антибіотиків. Деякі бактерії, плісняві гриби й тварини можуть випромінювати світло завдяки ферментативним реакціям. Тварини, що світяться, трап­ляються серед найпростіших, губок, кишечнопорожнинних, ра­коподібних, ісомах, голкошкірих, риб та оболонників.

Єдиної еволюційної лінії форм, що світяться, очевидно, немає. Здатність випромінювати світло (люмінесціювати) з’являлась незалежно у різних групах організмів. Іноді нелег­ко буває встановити, чи дійсно організм люмінесціює сам: ча­сто виявляється, що світло випромінюють бактерії, які жи­вуть у ньому. У деяких тропічних риб під очима знаходяться органи, що світяться. У них живуть люмінуючі бактерії. Бактерії випромінюють світло безперервно, тимчасом як риби мають чорну перетинку, на зразок повік, якою вони можуть прикривати орган, що світиться, щоб «вимикати» світло.

Ніхто не знає, як бактерії накопичуються в органі, що світиться, проте вони якимось чином потрапляють туди після виведення кожної нової істоти з ікринки.

В одного з видів креветок такий орган оснащений лінзами, рефлекторами та світлофільтрами. Увесь механізм нагадує ліхтар.

Різні тварини випромінюють світло різних кольорів — чер­воне, зелене, жовте або блакитне. Уругвайський «залізничний черв’як» (личинка жука) примітний тим, що має ряд зелених «ліхтариків» обабіч тіла та двоє червоних — на передньому його кінці. Світло люмінуючих організмів належить до видимої ділянки спектра, ультрафіолетове та інфрачервоне випро­мінювання відсутнє. Біолюмінесценцію іноді називають «холод­ним світлом», оскільки вона супроводжується виділенням над­то малої кількості теплоти.

Світіння пов’язане з ферментативною реакцією, що має свої особливості у різних організмів. Два компоненти системи, яка випромінює світло, дістали назву люциферину (субстрат) і люциферази (фермент), проте у тварин різних видів вони хімічно відрізняються. Реакція системи люциферин — люцифераза є особ­ливою формою окислення й відбувається тільки у присутності кисню. Можна екстрагувати люциферин та люциферазу з світ­лячків, змішати їх у пробірці й додати АТФ і одержати світіння. Енергію для цієї реакції постачає АТФ, і за певних умов кількість світла, що випромінюється, пропорційна кількості введеного АТФ. Таку систему можна використовувати для вимірювання вмісту АТФ у тканинних екстрактах.

Визначено, що біолюмінесценція світлячків пов’язана з пев­ними біохімічними процесами. Спочатку люцифераза (Е) реагує з відновленою формою люциферину (ЛН₂) з утворенням про­міжного комплексу фермент — люциферил — аденозинмонофосфат (АМФ) та звільнюється пірофосфат (ФФ):

Е + ЛН₂ + АТФ – Е-ЛН₂-АМФ + ФФ.

Потім при наявності кисню Е-ЛН₂-АМФ окислюється до Е—Л—АМФ (комплекс ферменту з оксилюциферином Л та аденозинмонофосфатом). Нарешті Е—Л—АМФ дисоціює на вільну люциферазу, люциферин та АМФ. У цій послідовності реакцій і відбувається перетворення хімічної енергії АТФ у світлову.

Яку користь приносить світіння організму, досі не з’ясовано. Можливо, у глибоководних тварин, котрі мешкають у вічній темряві, органи, що світяться, служать ознакою, за якою представ­ники цього виду пізнають одне одного. Не виключено, що світіння відіграє роль принади для поживи або перестороги для хижаків.