Жасушадағы зат алмасу және энергия айналымы
1 Жасушадағы зат алмасу. АТФ
2. Лимон қышкылы айналымының сатылары. Пируваттың өзгеруі
3. Фотосинтездің караңғы фазасында жүретін реакциялар.
4. Пластикалық алмасу.
2. Лимон қышкылы айналымының сатылары. Пируваттың өзгеруі
3. Фотосинтездің караңғы фазасында жүретін реакциялар.
4. Пластикалық алмасу.
Зат алмасу процесі дегеніміз—тірі организмдегі белгілі бір тәртіппен кезектесіп жүретін әр түрлі химиялық реакциялардың жиынтығы. Тірі жасушадагы зат алмасу процесі үздіксіз жүріп жатады. Орыстың ұлы физиологі И.М.Сеченов: «Өзіне қуат беріп тұрған сыртқы орта болмаса, организм тіршілік ете алмайды» деген болатын. Организм мен оны қоршаған сыртқы орта арасында үздіксіз зат пен энергия алмасып отырады. Зат пен энергияның алмасуы сыртқы ортадан организмге энергиясы мол органикалық заттардың келуінен басталады. Ол органикалық заттар ас қорыту жолына түсіп, ферменттердің жәрдемімен қарапайым заттарға ыдырайды. Содан кейін организмнің ішкі ортасы — қан мен лимфаға өтетіні сендерге белгілі. Қарапайым заттар канмен бірге жасушаға барып, түрлі химиялық өзгерістерге ұшырайды. Демек, сыртқы ортадан заттардың организмге енуінен бастап, ыдырау өнімдерін қайта тысқа шығаруға дейінгі күрделі өзгеру тізбегін зат алмасу деп атайды. Зат алмасу немесе метаболизм екі сатыдан — катаболизм мен анаболизмнен тұрады.
Катаболизм (ыдырау реакциясы). Жасуша сыртқы ортадан әнергиясы мол органикалық заттарды қабылдайды. Олар ферменттердің жәрдемімен тотыға отырып, энергиясы аз қарапайым заттарга ыдырайды дедік. Мысалы, нәруыздар (белок) — аминқышқылдарына, майлар — май қышқылдары мен глицеринге, ал көмірсулар — моно-сахаридтерге ыдырайды. Бұл қарапайым заттардың ең соңғы өнімі — СО2 мен Н2О. Аминқышқылдары ыдырағанда оның құрамынан аммиак NaH3 бөлініп шығады (1-сызбанұсқа).
Катаболизм (ыдырау реакциясы). Жасуша сыртқы ортадан әнергиясы мол органикалық заттарды қабылдайды. Олар ферменттердің жәрдемімен тотыға отырып, энергиясы аз қарапайым заттарга ыдырайды дедік. Мысалы, нәруыздар (белок) — аминқышқылдарына, майлар — май қышқылдары мен глицеринге, ал көмірсулар — моно-сахаридтерге ыдырайды. Бұл қарапайым заттардың ең соңғы өнімі — СО2 мен Н2О. Аминқышқылдары ыдырағанда оның құрамынан аммиак NaH3 бөлініп шығады (1-сызбанұсқа).
ІІІ тарау
ЖАСУШАДАҒЫ ЗАТ АЛМАСУ ЖӘНЕ ЭНЕРГИЯНЫҢ
АЙНАЛЫМЫ
§22. Жасушадағы зат алмасу. АТФ
Зат алмасу процесі дегеніміз—тірі организмдегі белгілі бір тәртіппен
кезектесіп жүретін әр түрлі химиялық реакциялардың жиынтығы. Тірі
жасушадагы зат алмасу процесі үздіксіз жүріп жатады. Орыстың ұлы физиологі
И.М.Сеченов: Өзіне қуат беріп тұрған сыртқы орта болмаса, организм
тіршілік ете алмайды деген болатын. Организм мен оны қоршаған сыртқы орта
арасында үздіксіз зат пен энергия алмасып отырады. Зат пен энергияның
алмасуы сыртқы ортадан организмге энергиясы мол органикалық заттардың
келуінен басталады. Ол органикалық заттар ас қорыту жолына түсіп,
ферменттердің жәрдемімен қарапайым заттарға ыдырайды. Содан кейін
организмнің ішкі ортасы — қан мен лимфаға өтетіні сендерге белгілі.
Қарапайым заттар канмен бірге жасушаға барып, түрлі химиялық өзгерістерге
ұшырайды. Демек, сыртқы ортадан заттардың организмге енуінен бастап, ыдырау
өнімдерін қайта тысқа шығаруға дейінгі күрделі өзгеру тізбегін зат алмасу
деп атайды. Зат алмасу немесе метаболизм екі сатыдан — катаболизм мен
анаболизмнен тұрады.
Катаболизм (ыдырау реакциясы). Жасуша сыртқы ортадан әнергиясы мол
органикалық заттарды қабылдайды. Олар ферменттердің жәрдемімен тотыға
отырып, энергиясы аз қарапайым заттарга ыдырайды дедік. Мысалы, нәруыздар
(белок) — аминқышқылдарына, майлар — май қышқылдары мен глицеринге, ал
көмірсулар — моно-сахаридтерге ыдырайды. Бұл қарапайым заттардың ең соңғы
өнімі — СО2 мен Н2О. Аминқышқылдары ыдырағанда оның құрамынан аммиак NaH3
бөлініп шығады (1-сызбанұсқа).
Энергиясы мол органикалық заттардын ыдырауын катаболизм (ажырау) деп
атайды.
Катаболизм реакциясы кезінде бөлініп шыққан әнергияның бір бөлігі — еркін
энергия, яғни АТФ түрінде сақталады. Екінші бөлігі, энергияга бай сутек
атомын қосып алған кофермент НАДФ-Н түрінде сакталады. НАДФ
(никотинамиддинуклеотидфосфат) — жасушада тұракты болатын тасымалдаушы
молекула, ол энергияға бай сутек атомын үнемі тасымалдайды.
Зат алмасудың негізгі қызметтерінің бірі — жасушаны энергиямен камтамасыз
ету. Өлі табиғатта энергия алуан түрлі болып кездеседі: жылу, электр, Күн
сәулесі, химиялық жанармай және т.б. Ал тірі организмдегі жағдай басқаша.
Организмдер, негізінен, катаболизм кезінде бөлініп шыққан энергияны
пайдаланады. Демек, ыдырау реакциясы кезінде бөлініп шықкан әнергия —
заттарды белсенді тасымалдауға, синтез реакциясына, қозғалуға, бұлшық,
еттің жұмысына, жасушаның бөлінуіне және т.б. тіршілік әрекеттеріне
жұмсалады.
Өсімдіктекті және жануартекті қорекпен қоректенетін организмдер сыртқы
ортадан энергиясы мол органикалық заттарды — глюкоза, аминкышқылдары,
витаминдер және т.б. түрінде қабылдайды. Бұлардан қабылданған энергия бір
түрден екінші түрге айналады. Энергияның өзгеруі термодинамика заңдарына
бағынады. Термодинамиканың бірінші заңы бойынша — энергия жойылмайды және
жоқтан пайда болмайды, ол бір түрден екінші түрге ауысып отырады.
Термодинамиканың екінші заңы бойынша, энергия бір түрден екінші түрге
ауысқанда, ол энергияның бір бөлігін пайдалы қызметке жұмсаса, қалған
бөлігі пайдасыз жылуға айналады. Пайдалы жұмысқа жарамайтын энергия
энтропия деген өлшеммен сипатталады, энергия езгерген сайын энтропия
көбейеді.
Пайдасыз жылуға айналған энергия — салқын кезде организмдердің денесін
жылытуға, ал ыстықта дененің тұрақты температурасын сақтау үшін жұмсалады.
Организмдегі пайдалы энергия АТФ түрінде сақталады.
АТФ қышқылының молекуласы азотты негіз — аденин, рибоза және үш фосфор
қышқылының қалдығынан тұрады (16-сурет). АТФ-тің молекуласы тұрақсыз. Егер
ферменттердің әсерінен фосфор қышқылының бір молекуласы гидролизденсе 40
кДжмоль энергия бөлініп шығады. Нәтижесінде АТФ молекуласы АДФ-ке
(аденозин-дифосфорға) айналады. Егер фосфор кышкылының екі молекуласы
гидролизденсе АМФ (аденозинмонофосфат) қышқылына айналады. Бұл қайтымды
процесс: АМФ АДФ АТФ. 1 моль АТФ-тан 40 кДж-ға жуық энергия босап шықса,
2 моль АТФ-тан 80 кДж энергия бөлінеді. Бұл энергия жасушадағы жүріп жатқан
барлық экзо-термиялық энергиядан әлдекайда кәп. Сондықтан фосфор қыш-
қылының арасындағы байланыстарды макроэргиялық байланыс деп атайды, оны
мынадай белгімен: ~ белгілейді.
Анаболизм (синтез реакциясы). Анаболизм процесі кезінде катаболизм
реакциясының нәтижесінде түзілген заттар, атап айтқанда аминқышқылдары,
моносахаридтер, май қышқылдары мен азотты негіздер және АТФ пен НАДФ-Н
энергиясы жұмсалып әр түрлі макромолекула синтезделеді. Анаболизм —
организмнің тіршілігін жойғанға дейін үздіксіз жүретін күрделі процесс.
Биосинтез реакциясы өсіп келе жатқан жас жасушаларда қарқынды түрде жүреді.
Алайда жасушалардың химиялық құрамы үнемі жаңарып отыратындықтан, ескірген
жасушаларда да заттар ұдайы синтезделеді. Синтезделген нәруыз молекулалары
белгілі бір уақыттан кейін ыдырап, оның орнын жаңа молекулалар басып
отырады. Сондықтан жасуша қызметін және химиялық кұрамын тұрақты сақтайды.
Бұл тұрақтылық катаболизм және анаболизм процестерінің бір-бірімен үнемі
байланыста жүретіндігімен түсіндіріледі.
Катаболизм және анаболизм арасындағы энергия алмасу. Катаболизм реакциясы
(1-сызбанұсқа) кезінде АТФ және НАДФ-Н түрінде химиялық энергия
бөлінетіндігі белгілі. Бөлінген энергия анаболизм процесінде
макромолекулаларды синтездеуге жұмсалады. Катаболизм және анаболизм
процестері жасушада бір уақытта жүреді, алайда олардың жылдамдығы бір-
біріне тәуелсіз реттеледі.
Қорыта айтқанда, катаболизм мен анаболизм біріне-бірі қарама-қарсы, бірақ
өзара тығыз байланысқан бір процестің — тірі организмдегі зат және әнергия
алмасудың екі түрлі көрінісі.
Зат алмасудың сатылары. Зат алмасудың алгашқы сатысында— қоректік зат ас
қорыту мүшелерінде ферменттердің көмегімен тотыға отырып, ыдырайды
(катаболизм). Екінші сатысында — ыдыраудың нәтижесінде пайда болған
қарапайым заттар қанға сіңіріліп, организм-дегі жасушаларға таралады.
Үшінші сатысы — аралық алмасу жасушаларда жүреді. Бұл сатыда организмді
жаңартуға қажетті жасушаларды түзетін энергиясы мол құрылыс материалдары
синтезделеді (анаболизм). Сонымен қатар ыдырау және тотығу реакция-ларының
нәтижесінде аралық, және соңғы өнімдер тузіледі. Төртінші сатысында —
ыдырау өнімдері сыртқа шығарылады, яғни зат алмасудың соңғы өнімдері — СО2,
Н2О, NH3 және т,б. заттар организмнен шығарылады.
Тақырыптың түйіні
1. Метаболизм екіге бөлінеді: катаболизм және анаболизм.
2. Катаболизм процесі кезінде энергиясы мол органикалық заттар
ферменттердің көмегімен мономерлерге ыдырап, энергия бөлінеді. Ана-
болизм процесі кезінде энергиясы аз қарапайым заттардан макро-
молекулалар синтезделеді.
3. Органикалық заттар ыдыраған кезде түзілген энергия, термо-
динамика заңдарына сәйкес бір түрден екінші түрге айналып отырады.
4. Жасушадағы пайдалы энергия АТФ және НАДФ • Н түрінде
сақталады.
Бұл теңдеуден тыныс алу мен
жану процестерінін; ұқсастығын және тыныс алудың фотосинтезге қарама-қарсы
процесс екендігіне көз жеткізесіз.
1. Энергетикалық тиімділігі жағынан бірдей бола тұрса да, органикалық
заттардың жану процесі мен тыныс алудың арасында айтарлықтай
айырмашылықтар да бар. Олар:
2. Жану процесі жоғары температурада жүрсе, жасушаның тыныс
алуы организмнің қалыпты температурасында (36,5—37°С) жүреді.
3. Жану кезінде энергия жылу түрінде бөлініп, шықса, биологиялық
тотығуда макроэргиялық фосфорлы қосылыстар түрінде бөлініп, сол
қосылыстарда жинақталады (АТФ және НАДФ-Н, ФАД-Н2 және т.б.)-
4. .Жану кезінде энергия бірден бөлініп шықса, ал биологиялық
тотығуларда, ол ұзын тізбекті бірізбен жүретін реакциялардың
нәтижесінде біртіндеп (сатылап) аз мөлшерде бөлініп шығады.
5. Сулы ортада жану процесі жүрмейді, ал биологиялық тотығуға су өте
қажет.
Сонымен заттар оттекпен әрекеттескенде тыныс алу процесі жүріп, мол
энергия бөлінеді.
Ол энергия термодинамика заңына сәйкес бір 1 түрден екінші түрге
айналатын физика
пәнінен білесіндер.
Жасушаның тіршілік әрекетіне жұмсалатын энергияның негізгі 1 көзі
глюкозаның тотығуы кезінде АТФ түрінде жинақталатынын еске түсірген жөн.
Гликолиз процесі. Ферменттердің қатысымен глюкозаның тотыға отырып,
ыдырауын гликолиз процесі дейді. Ол гректің glykys — тәтті lysis —
ыдырау деген сөзінен шыққан.
Эукариоттар және көптеген прокариоттар (бактериялар) АТФ молекуласын
синтездеуге кажетті энергияны глюкозаньың ыдырауынан алады. Бұл процесс
үш сатыға бөлінеді: 1) гликолиз; 2) лимон кышқылының айналымы; 3)
электрон тасымалдау тізбегі.
Тыныс алу кезіндегі глюкозаның ыдырауы 2-сызбанұсқада бейнеленген.
2-сызбанұсқа. Тыныс алу кезінде глюкозаның ыдырауы
Реакцияга қажетті заттар — глюкоза мен оттек сызбанұсканың сол жағында
(жоғарыда және төменде), ал түзілген соңғы өнімдер — СО2, АТФ және Н20 оң
жақта бейнеленген. Бағдаршамен гликолиз, лимон қышқылының айналымы және
электрондар тасымалдау тіз-бектері көрсетілген. Глюкоза ыдырауының әрбір
сатысының соңғы өнімі — энергиялы АТФ молекуласы.
Енді АТФ-тің синтезделу жолымен танысу үшін гликолиздің сатыларын
қарастырайық. Гликолиз — көп сатылы күрделі процесс, ол үш кезеңнен тұрады.
Атап айтканда: дайындық кезеңі, гликолиздің оттексіз және оттекті кезеңі.
Гликолиздің дайындық кезеңі. Гликолиздің дайындық, кезеңі жасушаның
цитоплазмасында жүреді. Мұнда арнайы ферменттердің әсерімен энергиясы мол
органикалық заттар энергиясы аз қарапайым заттарға дейін ыдырайды. Мысалы,
көмірсулар — моносахаридтерге, майлар — май қышқылы мен глицеринге, нуклеин
қышқылдары — нуклеотидтерге, нәруыз — аминқышқылдарына ыдырайды. Бұл заттар
келесі жүретін реакциялардың бастамасы ретінде қолданылады.
Гликолиздің оттексіз (анаэробты) ыдырауы. Бұл процесс жануарлар
жасушасындағы митохондрияның ішкі мембранасында жүреді. Ол ферменттердің
әсерімен бірінен кейін бірі кезектесіп жүретін 13 реакцияның жиынтығынан
тұрады. Реакцияға бастапқы зат ретінде 1 моль С6Н12О6 (глюкоза) қатысады.
Реакция нтижесінде 2 моль CgHgOg (сүт қышқылы) және 2 моль АТФ түзіледі.
Бұл реакцияға оттек мүлде қатыспайды, сондықтан оттексіз ыдырау деп
аталады. Мына реакция теңдеуіне назар аударыңдар.
Спирттік ашу процесі глюкозаның ашуына өте ұксас, көп сатылы ферменттік
ыдырау реакциясы болып табылады. Оның жиынтық, теңдеуі мынадай:
С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ - 2СОа + 2С2Н5ОН + 2АТФ + 2Н2О
Реакция теңдеуінен көріп отырғанымыздай бір молекула глюкоза ыдырағанда 2
молекула АТФ синтезделеді. Реакция нәтижесінде 200 кДж энергия немесе 40%-ы
АДФ-тін АТФ-ке айналуына жұмсалса, ал 120 кДж энергия немесе 60%-ы жасушада
АТФ түрінде сақталады.
Гликолиздің оттекті (аэробты) ыдырауы. Глюкозаның толық ыдырауы немесе
оттекті ыдырауы да — митохондрияның ішкі мембранасында үздіксіз жүретін
процесс. Реакцияға глюкозаның оттексіз ыдырауы сияқты аралық заттар ретінде
ферменттер, АДФ және фосфор қышқылы қатысады. Бұл реакцияның оттексіз
ыдыраудан айырмашылығы оттектің қатысымен глюкоза толық ыдырап, соңғы өнім
ретінде СОа және Н2О түзіледі. Реакцияның бастапқы заты ретінде 2 моль
С3Н6О3 (сүт қышқылы) қатысады. Нәтижесінде 36 моль АТФ синтезделеді.
Реакция теңдеуі:
2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ - 6СО2 + 36АТФ + 42Н2О
Демек, энергияның негізгі көзі — глюкозаның оттекті ыдырауы кезінде (2600
кДж) түзіледі.
Гликолиздің оттекті ыдырауы кезінде түзілген 2600 кДж энергияның 1440 кДж
немесе 54%-ы АТФ-тің химиялық байланыс энергиясына айналады.
оттекті және оттексіз ыдырауының жиынтығының теңдеуі мынадай:
38Н3РО4
44 Н20
С6Н12О6
6О2
38АДФ - 6СО2 + 38АТФ
Глюкозаның оттексіз және оттекті ыдырауы кезінде бөлініп шыққан
энергияның 80 кДж + 1440 кДж = 1520 кДж немесе 55%-ы потенциалды энергия
түрінде сақталып, жасушаның тіршілік процестеріне жұмсалады. Ал 45%-ы
жылу энергиясы түрінде пайдаланылады.
Қорыта айтқанда, жасушаның тіршілік әрекеттеріне жұмсалатын энергия көзі
гликолиз процесі кезіңде АТФ түрінде синтезделеді. Сондықтан бүл процесті
энергетикалық алмасу дейді. Бұдан біз гетеротрофты жасушалар энергияны
тыныс алу реакциясынан алатындығын көреміз.
АТФ-тің синтезі гликолиздің бұдан кейінгі сатыларында да үздіксіз жүреді.
Тақырыптың түйіні
1. Энергия тыныс алу және жану кезінде бөлінеді. Жану реакциясы табиғатта
жүрсе, ал тыныс алу — жасушадағы митохондрияда жүреді.
2. Жасушаның тіршілік әрекеттеріне жұмсалатын энергия АТФ молекуласы
түрінде жинақталады.
3. АТФ молекуласы гликолиздің оттекті және оттексіз ыдырауы кезінде
синтезделеді.
4. Гликолиз процесі кезінде бөлінген әнергияның 55%-ы потенциалды (еркін)
энергия түрінде сакталады, ал 45%-ы жылу энергиясына айналады.
§24. Лимон қышкылы айналымының сатылары. Пируваттың өзгеруі
Лимон қышқылы айналымына даярлық. Лимон қышқылының айналымына даярлық
пируват молекуласының өзгеруінен басталады. Атап айтканда, пируват
көміртектің (3C) бір атомын СО2 түрінде жоғалтатыны 3-сызбанұсқада
бейнеленген.
3-сызбанұсқа
Осы кезде кофермент А пируватының калған екі көміртек ацетил тобын
косып алады да, лимон қышқылы айналымының алғашқы сатысына өтеді.
НАД+ пируват пен кофермент А-дан 2Н-ты косып алып, НАД • Н + Н+-ке
айналады. Реакция нәтижесінде түзілген ацетил К А лимон қышқылының сатысына
өтеді де, лимон қышқылы айналымына даярлық аяқталады (3-сызбанұсқа).
Даярлық аякталғаннан соң. 56-суреттен көріп отырғанымыздай лимон қышқылының
айналым реакциясы басталады. Ол реакция сағат тілінің бағытымен жүреді.
Реакцияға бастапқы зат ретінде ацетил К0А қатысады. Ол өзіндегі екі
көміртекті ацетил тобын төрт көміртекті қосылыс — қымыздық сірке қышқылына
беріп, алты көміртекті қосылыс — лимон қышкылына айналады (56-сурет). Бұл
реакция — ферменттердің жәрдемімен үздіксіз жүріп отыратын күрделі
процесс. Лимон қышқылы 56-суреттен көріп отырранымыздай екі
көміртек атомын СО2 түрінде бөліп шығарады да, қалған төрт көміртек
атомынан жаңа қымыздық, сірке молекуласы түзіліп отырады. 56-суретте лимон
қышқылы айналымының қысқартылған түрі берілген.
Лимон қышқылының айналымын 1930 жылдары ағылшын биохимигі Г.Кребс ашты.
Сондықтан бұл процесс Г.Кребстің атымен аталды. Осы еңбегі үшін Г.Кребс
1953 жылы Нобель сыйлығының лауреаты атағын алды.
Қорытып айтканда, лимон қышқылы айналымының нәтижелері мынадай:
6-сурет. Лимон кышкылының айнал
1. Біз тыныс алу мүшелеріміз арқылы СО2 өнімдерін бөліп
шығарамыз. Ол өнімдер пируват молекуласы реакцияға түскен
кезде пайда болады.
2. Сутек атомдары лимон қышқылдарының айналымының
әрбір сатысында ыдырайды да, олар электрондардың
акцепторларына беріледі. Осы уақытта НАД+ және ФАД түзіледі.
Бұлар қайтадан сутек атомдарын қосып алып, НАД-Н+Н+ және
ФАД-Н2-ге айналады.
3. Лимон қышқылының әр айналымында АТФ-тың бір
молекуласы синтезделеді.
4. Лимон қышқылының айналымы мынадай жа лпы теңдеумен
қорытылады:
а) қымыздық сірке қышқылы Ацетил К0А АДФ +Фн ЗНАД • Н+
ФАД;
ә) реакция нәтижесінде мынадай заттар түзіледі: қымыздық сірке қышқылы
+2СО2 + К0А + АТФ
+ ЗНАД • Н + ЗН+ + ФАД • Н2
Н+ қоймасын толтыру. Электрондар тасымалдау тізбегі.
Реакцияның бастапқы заты ретінде алынған глюкоза ферменттердің жәрдемімен
толық ыдырайды (глюкозаның оттекті ыдырауын еске түсіріңдер). Осы кезде
бөлінген энергия АТФ синтезіне қатысканымен, оның негізгі бөлігі
электрондармен толықтырылған тасымалдаушы молекулалар НАД • Н + Н+ және ФАД
• Н2 түрінде жинакталады
Бұл малекулалар гликолиз бен лимон қышкылы айналымының
өнімдері екенін ескерген жөн. Тасымалдаушы молекулалар 57-сурет-
тен көріп отырғанымыздай, сутектің атомдарын электрондар
тасымалдау тізбегіне береді де, қайтадан сутектің жаңа атомдарын
тасымалдауға дайын тұрады. Бүл процесс үздіксіз жүріп жатады.
Сутек атомдары митохондрияның ішкі мембранасына өтіп,ферменттердің
әсерінен тотығып, электрондарын жоғалтады:
Н°— е ---- Н+
Бұл тотығудың нәтижесінде пайда болған сутектің электрондары мен
катиондарын Н+-ті тасымалдайтын молекулалар қосып алып, мембрананың ішкі
жағына өткізеді (57-сурет). Олар со л жерде оттекпен қосылады
(митохондрияға молекула күйіндегі оттек сыртқы ортадан үздіксіз келіп
тұрады):
Митохондрияның сыртқы мембранасына Н+, ал ішкі жағына теріс зарядты
бөлшектер, яғни аниондар жинақталады. Демек, мембрананың сыртқы және ішкі
жағында қарама-қарсы зарядталған бөлшектердің саны арта түседі. Олардың
санының артуына байланысты арасындағы потенциал айырмашылығы да артады.
57-сурет. Митохондриядағы АТФ синтезінің сызбанұскасы
Өсімдік жасушаларындағы пластикалық және энергетикалық алмасулардағы
ерекгеліктері Фотосинтез
Хлоропласт және оның фотосинтез процесіндегі рөлі. Хлоропласт
эукариот жасушалардың, соның ішінде, жасыл өсімдіктердің негізгі
органоиді екенін білесіңдер. Хлоропласт шар пішінді болып келеді,
оның диаметрі 10 мкм-ден аспайды. Хлоропласттың құрамында жасыл түсті
пигмент-хлорофилл болады. Хлорофилдер көк және қызыл сәулелерді
сіңіріп, жасыл түсті шағылыстырады. Ол сәуле хлоропласт жасушасын жасыл
етіп көрсетеді. Хлоропластарда хлорофилдерден басқа сары, қоңыр,
қызғылт сары болып келетін каротиноидтер де бар. Бұл пигменттер
ұзындығы басқа толқындағы сәулелерді шағылыстырып, өз энергиясын
хлорофилдерге береді де, фотосинтез процесін тездетеді. Каротинноидтер
жасыл түсті хлорофилдермен бүокенгендіктен көрінбейді. Бірақ күзде
хлорофилдер ыдырағанда, олар жарқырап көрінеді. Сондықтан
жапырақтардың түсі күзде сары, қоңыр, қызғылт және т.б. болып
көрініс береді.
Хлоропласт қос мембраналы органоид. Ол сыртқы және ішкі
мембранадан тұрады (58-сурет). Ішкі мембранада жалпақ тақташалар
болады, оны тилакоид деп атайды. Осы тилакоиждтердің жиынтығын
граналар дейді. Граналарда фотосинтез процесіне қажетті барлық
құрылымдар орналасқан.
Фотосинтез процесі жасушадағы барлық хлоропластарда жүрмейді.
Оның негізгі құрылымы граналарда жүреді. Граналар
бірінің үстіне бірін жинап қойған тиын сияқты тақташалардан
(тилакоидтерден) тұрады
Тақташалар өзара бір-бірімен саңылаулар арқылы байланысады.
Фотосинтезге қатысатын кейбір молекулалар мен пигменттер хлоропластағы
фотосинтетикалық қабықшаны құрастыруға катысады. Ол қабықшаларды строма
немесе хлоропластың негізгі заты қоршап тұрады. Строма дегеніміз —
хлоропласт пен жасушаның цитоплазмасын бөлетін қабықша.
Фотосинтез процесі кезіндегі АДФ-азаның рөлі зор. АДФ-аза — фотосинтездің
жарық фазасында АТФ синтезіне Н қоймасындағы энергияны пайдаланатын
ферменттер.
Автотрофты және гетеротрофты организмдер. Табиғаттағы барлык организмдер
екі топқа бөлінеді. Организмдердің бірінші тобына бейорганикалық заттардан
органикалық заттарды синтездей алмайтын, дайын күйіндегі энергиясы мол
қоректік заттарды тікелей қабылдайтын организмдер жатады. Оларды
гетеротрофтар дейді. Гетеротрофтарға адам, бүкіл жануарлар, көптеген
микроорганизмдер және хлорофилсіз саңырауқұлақтар жатады.
Хлорофилі бар өсімдік жасушаларының тірі табиғат үшін маңызы өте зор.
Себебі онда өзіне тән ерекше процестер жүреді. Сол процестердің бірі
ғылымда фотосинтез деген атпен белгілі. Фотосинтез дегеніміз — Күн сәулесі
энергиясын химиялық байланыстар энергиясына айналдыратын күрделі механизмді
процесс. Демек, хлорофилі бар өсімдік жасушалары Күн сәулесі энергиясын
пайдаланып, бейорганикалық заттардан органикалық заттарды синтездейді.
Ондай организмдерді автотрофтар деп атайды. Фотосинтез процесінің жиынтық
теңдеуі былай өрнектеледі:
Бұл теңдеу фотосинтездің механизмі туралы түсінік бермейді. Толық
түсінік алу үшін осы процестің жарықта және қараңғыда жүретін фазаларьын
білу қажет.
Фотосинтездің жарықта жүретін фазасы. Күн энергиясының әсерінен
хлоропласт органоидтарында фотосинтездің механизмін тусіндіретін бірнеше
күрделі реакциялар жүреді. Сол реакциялардың қатарына АТФ синтезі, су
фотолизі және т.б. жатады.
Аденозинтрифосфат (АТФ). Гликолиздің оттекті және оттексіз
ыдырауы кезінде және лимон қышқылының әрбір айналымында макроэргиялық
қосылыс — АТФ молекуласының түзілетінін білесіңдер. АТФ энергиясы жасушаның
қозғалысына, нәруыз молекуласының синтезделуі мен тасымалдануына, артық
заттардың жасушадан шығарылуына, яғни зат алмасудың үздіксіз жүруіне
жұмсалады.
Күн энергиясының АТФ түрінде химиялык байланыс энергиясына айналуында
фотосинтез процесінің рөлі зор. Оны мынадай сызбанұсқадан байкауға болады:
Өсу, даму, козғалу т.б.
Фотосинтез кезінде өсімдіктер Күн энергиясын органикалық зат-тардың
кұрамында сақтайды. Ал тыныс алғанда, қоректік заттардың молекуласы ыдырап,
ондағы әнергия босап дшығады. Бұл құбылыстар АТФ-тің синтезіне қажетті
энергияны беретіндігі 60-суретте бейнеленген.
АТФ синтезі гликолиз және лимон қышқылының айналымында синтезделеді
дедік. Сонымен қатар АТФ-тің негізгі бөлігі химио-осмос процесі көзіңде
түзіледі. Химио-осмос процесі хлоропластарда фотосинтез кезінде және
митохондрияларда жасуша тыныс алғанда жүреді. Химио-осмос процесі
хлоропластар мен митохондрияның мембраналарында жүзеге асырылады. Енді біз
түсінікті болу үшін бұл процесті екі кезеңге бөліп, карапайым сызбанұсқа
түрінде сипаттама берейік (60-сурет). 1-кезең — энергияның жиналуы. 2-кезең
— жиналған энергияны АТФ синтезіне пайдалану. Химио-осмос кезінде
қолданылатын энергияның рөлін электр заряды бар бөлшектер атқарады.
Берілген сызбанұсқадан көріп отырғанымыздай, зарядталған бөлшектер бір-
бірін тартады. Егер осы бөлшектердің қосылуына кедергі жасалса,
электрохимиялық энергия жиналады (60-сурет, 1). Иондардың арасындағы
кедіргілерді жойса, электрохимиялық энергия жұмсалады (60-сурет, 2).
Берілген сызбанұсканың негізінде химио-осмос процесі кезінде
электрхимиялық энергияның жинақталу тәсілімен таныстыңдар. Ол энергия АТФ
синтезіне жұмсалады.
олардың Н+ ионымен қосылуына кедергі жасайды. Осыған қарамастан ішкі
мембранадағы Н+-тің потенциал айырымы артқанда, АДФ-аза ферментінің
саңылаулары арқылы Н+ ионы өтеді. Бұл кезде Н+ ионның энергиясын
пайдаланып, АДФ бір фосфатты қосып алады да, АТФ молекуласы синтезделеді,
яғни мынадай реакция жүреді:
АДФ - аза
АДФ + Фн АТФ
АТФ молекуласының синтезделуінін, осы жолы I960 жылдары
химио-осмос процесі деп аталған.
Қорыта айтқанда, АТФ — организм тіршілігі үшін кажетті энер-
гияның орталығы.
Митохондриялар мен хлоропластардың негізгі кызметтері — сутек атомьш Н+
ионы мен электрондарға ыдырату аркылы Нч коймасьтн толтыру. Мүндай
кызметтер аткару үіпін хлоропластар энергияны Күн сәулесінен, ал
митохондриялар коректік заттардан алатындығьша
көз жеткіздіндер.
Су фотолизі. Фотосинтез — көп сатылы күрделі процесс. Оның негізгі
қызметтерінің бірі — фотоннын (жарық энергиясы) электрондарын электрон
тасымалдайтын қатарлар арқылы бір тасымалдағыштан екіншісіне өтуін
қамтамасыз ету.
Фотосинтез процесінде басты рөлді хлорофилл пигменті аткарады. Сондықтан
осы процестің механизмін толық түсіну үшін, алдымен 61-суреттегі
хлоропласт органоидінде жүріп жатқан фотосинтездің жүру бағытымен
танысайық. Енді 61-сурет бойынша АТФ молекуласының синтезделу механизмімен
танысайық. Хлоропластарда кедергінің рөлін ішкі мембраналар атқарады. 61-
суретте бейнеленгендей, тасымалдаушы молекулалар электрондарды мембрананың
сыртына жинақтайды да,
61-суретте АТФ молекуласының синтезделу механизмі бей-
неленген.
Бұл процесс фотон (жарық энергиясы) хлорофилл пигментіне түскен кезден
басталады (61-сурет). Осы кезде энергияны сіңіріп алған электрондар
орбитасын тастап, бір тасымалдағыштан екіншісіне электрон тасымалдаушы
қатарлар арқылы өтеді. Электрон тасымалдайтын молекуланың рөлін хлоропласта
тұрақты болатын органик-лық зат (никотинамиддинуклеотидфосфат — қысқаша
НАДФ+) атқарады.
Электрон тасымалдаушы қатарлар аркқылы өткен әлектрондар өзі сияқты бос
электрондармен және стромадағы судың сутек Н+ ионымен қосылады (жасушадағы
судың кейбір молекулалары Н+ және ОН- иондарына ыдыраған күйде болатындығын
химия пәнінен білесіндер). Нәтижесінде қос электрон пайда болады. Осы қос
электрон және сутек ионы сутекті тасымалдайтын молекуламен — НАДФ-пен
қосылып, НАДФ Н-қа айналады. Бұл органикалық зат тек жарықта түзіледі.
Күн сәулесі хлорофилге түскен кезде энергияны сіңіріп алған электрондар
қозған күйге көшетіндігі бізге белгілі (61-сурет). Осы қозған электрондар
орбитасынан алшақ кеткенде (тастағанда) және электрон тасымалдаушы катарлар
арқылы өткенде, хлорофилл молекуласы біраз энергиясын жоғалтады. Осы
жоғалтқан әнергиясын хлорофилл молекуласы жарыктың әсерінен судың ыдырауы
кезіңде, яғни сутек атомдарынын электрондар мен Н+ ионына дейін ажырауы
есебінен толыктырады. Бүл күбылысты мынадай реакция теңдеуі бойынша
жазамыз:
2Н2О 4 е + 4Н+ +
О2
Бұл реакция — су электролизіне ұқсас жарық энергиясының әсерінен ыдыраған
су фотолизі. 1939 жылы Роберт Хилл су фотолизі реакциясының әсерінен
оттектің молекула түрінде атмосфераға бөлініп шығатындығын алғаш рет
дәлелдеді. Сондықтан бұл процесті Хилл реакциясы деп атайды.
Демек, фотосинтез процесінің әлемдегі тіршілік үшін маңызы мәңгілік,
себебі бүкіл тіршілік иелері оттекпен тыныс алатындығы белгілі. Қорыта
айтканда, фотосинтездің жарықта жүретін реакиияларының нәтижелері мынадай:
а) АТФ синтезі; ә) НАДФ Н-тың түзілуі; б) су фотолизі.
Тақырыптың түйіні
1. Фотосинтез процесі өсімдік жасушасының құрамындағы хлоропластарда
жүреді. Онда өсімдікке жасыл түс беретін хлорофилл пигменті бар. Хлорофилл
пигменті көк және қызыл сәулелерді сіңіріп, жасылды шағылыстыратындықтан
жасыл түсті береді.
2. Фотосинтездің жарықта және қараңғыда жүретін екі ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
ЖАСУШАДАҒЫ ЗАТ АЛМАСУ ЖӘНЕ ЭНЕРГИЯНЫҢ
АЙНАЛЫМЫ
§22. Жасушадағы зат алмасу. АТФ
Зат алмасу процесі дегеніміз—тірі организмдегі белгілі бір тәртіппен
кезектесіп жүретін әр түрлі химиялық реакциялардың жиынтығы. Тірі
жасушадагы зат алмасу процесі үздіксіз жүріп жатады. Орыстың ұлы физиологі
И.М.Сеченов: Өзіне қуат беріп тұрған сыртқы орта болмаса, организм
тіршілік ете алмайды деген болатын. Организм мен оны қоршаған сыртқы орта
арасында үздіксіз зат пен энергия алмасып отырады. Зат пен энергияның
алмасуы сыртқы ортадан организмге энергиясы мол органикалық заттардың
келуінен басталады. Ол органикалық заттар ас қорыту жолына түсіп,
ферменттердің жәрдемімен қарапайым заттарға ыдырайды. Содан кейін
организмнің ішкі ортасы — қан мен лимфаға өтетіні сендерге белгілі.
Қарапайым заттар канмен бірге жасушаға барып, түрлі химиялық өзгерістерге
ұшырайды. Демек, сыртқы ортадан заттардың организмге енуінен бастап, ыдырау
өнімдерін қайта тысқа шығаруға дейінгі күрделі өзгеру тізбегін зат алмасу
деп атайды. Зат алмасу немесе метаболизм екі сатыдан — катаболизм мен
анаболизмнен тұрады.
Катаболизм (ыдырау реакциясы). Жасуша сыртқы ортадан әнергиясы мол
органикалық заттарды қабылдайды. Олар ферменттердің жәрдемімен тотыға
отырып, энергиясы аз қарапайым заттарга ыдырайды дедік. Мысалы, нәруыздар
(белок) — аминқышқылдарына, майлар — май қышқылдары мен глицеринге, ал
көмірсулар — моно-сахаридтерге ыдырайды. Бұл қарапайым заттардың ең соңғы
өнімі — СО2 мен Н2О. Аминқышқылдары ыдырағанда оның құрамынан аммиак NaH3
бөлініп шығады (1-сызбанұсқа).
Энергиясы мол органикалық заттардын ыдырауын катаболизм (ажырау) деп
атайды.
Катаболизм реакциясы кезінде бөлініп шыққан әнергияның бір бөлігі — еркін
энергия, яғни АТФ түрінде сақталады. Екінші бөлігі, энергияга бай сутек
атомын қосып алған кофермент НАДФ-Н түрінде сакталады. НАДФ
(никотинамиддинуклеотидфосфат) — жасушада тұракты болатын тасымалдаушы
молекула, ол энергияға бай сутек атомын үнемі тасымалдайды.
Зат алмасудың негізгі қызметтерінің бірі — жасушаны энергиямен камтамасыз
ету. Өлі табиғатта энергия алуан түрлі болып кездеседі: жылу, электр, Күн
сәулесі, химиялық жанармай және т.б. Ал тірі организмдегі жағдай басқаша.
Организмдер, негізінен, катаболизм кезінде бөлініп шыққан энергияны
пайдаланады. Демек, ыдырау реакциясы кезінде бөлініп шықкан әнергия —
заттарды белсенді тасымалдауға, синтез реакциясына, қозғалуға, бұлшық,
еттің жұмысына, жасушаның бөлінуіне және т.б. тіршілік әрекеттеріне
жұмсалады.
Өсімдіктекті және жануартекті қорекпен қоректенетін организмдер сыртқы
ортадан энергиясы мол органикалық заттарды — глюкоза, аминкышқылдары,
витаминдер және т.б. түрінде қабылдайды. Бұлардан қабылданған энергия бір
түрден екінші түрге айналады. Энергияның өзгеруі термодинамика заңдарына
бағынады. Термодинамиканың бірінші заңы бойынша — энергия жойылмайды және
жоқтан пайда болмайды, ол бір түрден екінші түрге ауысып отырады.
Термодинамиканың екінші заңы бойынша, энергия бір түрден екінші түрге
ауысқанда, ол энергияның бір бөлігін пайдалы қызметке жұмсаса, қалған
бөлігі пайдасыз жылуға айналады. Пайдалы жұмысқа жарамайтын энергия
энтропия деген өлшеммен сипатталады, энергия езгерген сайын энтропия
көбейеді.
Пайдасыз жылуға айналған энергия — салқын кезде организмдердің денесін
жылытуға, ал ыстықта дененің тұрақты температурасын сақтау үшін жұмсалады.
Организмдегі пайдалы энергия АТФ түрінде сақталады.
АТФ қышқылының молекуласы азотты негіз — аденин, рибоза және үш фосфор
қышқылының қалдығынан тұрады (16-сурет). АТФ-тің молекуласы тұрақсыз. Егер
ферменттердің әсерінен фосфор қышқылының бір молекуласы гидролизденсе 40
кДжмоль энергия бөлініп шығады. Нәтижесінде АТФ молекуласы АДФ-ке
(аденозин-дифосфорға) айналады. Егер фосфор кышкылының екі молекуласы
гидролизденсе АМФ (аденозинмонофосфат) қышқылына айналады. Бұл қайтымды
процесс: АМФ АДФ АТФ. 1 моль АТФ-тан 40 кДж-ға жуық энергия босап шықса,
2 моль АТФ-тан 80 кДж энергия бөлінеді. Бұл энергия жасушадағы жүріп жатқан
барлық экзо-термиялық энергиядан әлдекайда кәп. Сондықтан фосфор қыш-
қылының арасындағы байланыстарды макроэргиялық байланыс деп атайды, оны
мынадай белгімен: ~ белгілейді.
Анаболизм (синтез реакциясы). Анаболизм процесі кезінде катаболизм
реакциясының нәтижесінде түзілген заттар, атап айтқанда аминқышқылдары,
моносахаридтер, май қышқылдары мен азотты негіздер және АТФ пен НАДФ-Н
энергиясы жұмсалып әр түрлі макромолекула синтезделеді. Анаболизм —
организмнің тіршілігін жойғанға дейін үздіксіз жүретін күрделі процесс.
Биосинтез реакциясы өсіп келе жатқан жас жасушаларда қарқынды түрде жүреді.
Алайда жасушалардың химиялық құрамы үнемі жаңарып отыратындықтан, ескірген
жасушаларда да заттар ұдайы синтезделеді. Синтезделген нәруыз молекулалары
белгілі бір уақыттан кейін ыдырап, оның орнын жаңа молекулалар басып
отырады. Сондықтан жасуша қызметін және химиялық кұрамын тұрақты сақтайды.
Бұл тұрақтылық катаболизм және анаболизм процестерінің бір-бірімен үнемі
байланыста жүретіндігімен түсіндіріледі.
Катаболизм және анаболизм арасындағы энергия алмасу. Катаболизм реакциясы
(1-сызбанұсқа) кезінде АТФ және НАДФ-Н түрінде химиялық энергия
бөлінетіндігі белгілі. Бөлінген энергия анаболизм процесінде
макромолекулаларды синтездеуге жұмсалады. Катаболизм және анаболизм
процестері жасушада бір уақытта жүреді, алайда олардың жылдамдығы бір-
біріне тәуелсіз реттеледі.
Қорыта айтқанда, катаболизм мен анаболизм біріне-бірі қарама-қарсы, бірақ
өзара тығыз байланысқан бір процестің — тірі организмдегі зат және әнергия
алмасудың екі түрлі көрінісі.
Зат алмасудың сатылары. Зат алмасудың алгашқы сатысында— қоректік зат ас
қорыту мүшелерінде ферменттердің көмегімен тотыға отырып, ыдырайды
(катаболизм). Екінші сатысында — ыдыраудың нәтижесінде пайда болған
қарапайым заттар қанға сіңіріліп, организм-дегі жасушаларға таралады.
Үшінші сатысы — аралық алмасу жасушаларда жүреді. Бұл сатыда организмді
жаңартуға қажетті жасушаларды түзетін энергиясы мол құрылыс материалдары
синтезделеді (анаболизм). Сонымен қатар ыдырау және тотығу реакция-ларының
нәтижесінде аралық, және соңғы өнімдер тузіледі. Төртінші сатысында —
ыдырау өнімдері сыртқа шығарылады, яғни зат алмасудың соңғы өнімдері — СО2,
Н2О, NH3 және т,б. заттар организмнен шығарылады.
Тақырыптың түйіні
1. Метаболизм екіге бөлінеді: катаболизм және анаболизм.
2. Катаболизм процесі кезінде энергиясы мол органикалық заттар
ферменттердің көмегімен мономерлерге ыдырап, энергия бөлінеді. Ана-
болизм процесі кезінде энергиясы аз қарапайым заттардан макро-
молекулалар синтезделеді.
3. Органикалық заттар ыдыраған кезде түзілген энергия, термо-
динамика заңдарына сәйкес бір түрден екінші түрге айналып отырады.
4. Жасушадағы пайдалы энергия АТФ және НАДФ • Н түрінде
сақталады.
Бұл теңдеуден тыныс алу мен
жану процестерінін; ұқсастығын және тыныс алудың фотосинтезге қарама-қарсы
процесс екендігіне көз жеткізесіз.
1. Энергетикалық тиімділігі жағынан бірдей бола тұрса да, органикалық
заттардың жану процесі мен тыныс алудың арасында айтарлықтай
айырмашылықтар да бар. Олар:
2. Жану процесі жоғары температурада жүрсе, жасушаның тыныс
алуы организмнің қалыпты температурасында (36,5—37°С) жүреді.
3. Жану кезінде энергия жылу түрінде бөлініп, шықса, биологиялық
тотығуда макроэргиялық фосфорлы қосылыстар түрінде бөлініп, сол
қосылыстарда жинақталады (АТФ және НАДФ-Н, ФАД-Н2 және т.б.)-
4. .Жану кезінде энергия бірден бөлініп шықса, ал биологиялық
тотығуларда, ол ұзын тізбекті бірізбен жүретін реакциялардың
нәтижесінде біртіндеп (сатылап) аз мөлшерде бөлініп шығады.
5. Сулы ортада жану процесі жүрмейді, ал биологиялық тотығуға су өте
қажет.
Сонымен заттар оттекпен әрекеттескенде тыныс алу процесі жүріп, мол
энергия бөлінеді.
Ол энергия термодинамика заңына сәйкес бір 1 түрден екінші түрге
айналатын физика
пәнінен білесіндер.
Жасушаның тіршілік әрекетіне жұмсалатын энергияның негізгі 1 көзі
глюкозаның тотығуы кезінде АТФ түрінде жинақталатынын еске түсірген жөн.
Гликолиз процесі. Ферменттердің қатысымен глюкозаның тотыға отырып,
ыдырауын гликолиз процесі дейді. Ол гректің glykys — тәтті lysis —
ыдырау деген сөзінен шыққан.
Эукариоттар және көптеген прокариоттар (бактериялар) АТФ молекуласын
синтездеуге кажетті энергияны глюкозаньың ыдырауынан алады. Бұл процесс
үш сатыға бөлінеді: 1) гликолиз; 2) лимон кышқылының айналымы; 3)
электрон тасымалдау тізбегі.
Тыныс алу кезіндегі глюкозаның ыдырауы 2-сызбанұсқада бейнеленген.
2-сызбанұсқа. Тыныс алу кезінде глюкозаның ыдырауы
Реакцияга қажетті заттар — глюкоза мен оттек сызбанұсканың сол жағында
(жоғарыда және төменде), ал түзілген соңғы өнімдер — СО2, АТФ және Н20 оң
жақта бейнеленген. Бағдаршамен гликолиз, лимон қышқылының айналымы және
электрондар тасымалдау тіз-бектері көрсетілген. Глюкоза ыдырауының әрбір
сатысының соңғы өнімі — энергиялы АТФ молекуласы.
Енді АТФ-тің синтезделу жолымен танысу үшін гликолиздің сатыларын
қарастырайық. Гликолиз — көп сатылы күрделі процесс, ол үш кезеңнен тұрады.
Атап айтканда: дайындық кезеңі, гликолиздің оттексіз және оттекті кезеңі.
Гликолиздің дайындық кезеңі. Гликолиздің дайындық, кезеңі жасушаның
цитоплазмасында жүреді. Мұнда арнайы ферменттердің әсерімен энергиясы мол
органикалық заттар энергиясы аз қарапайым заттарға дейін ыдырайды. Мысалы,
көмірсулар — моносахаридтерге, майлар — май қышқылы мен глицеринге, нуклеин
қышқылдары — нуклеотидтерге, нәруыз — аминқышқылдарына ыдырайды. Бұл заттар
келесі жүретін реакциялардың бастамасы ретінде қолданылады.
Гликолиздің оттексіз (анаэробты) ыдырауы. Бұл процесс жануарлар
жасушасындағы митохондрияның ішкі мембранасында жүреді. Ол ферменттердің
әсерімен бірінен кейін бірі кезектесіп жүретін 13 реакцияның жиынтығынан
тұрады. Реакцияға бастапқы зат ретінде 1 моль С6Н12О6 (глюкоза) қатысады.
Реакция нтижесінде 2 моль CgHgOg (сүт қышқылы) және 2 моль АТФ түзіледі.
Бұл реакцияға оттек мүлде қатыспайды, сондықтан оттексіз ыдырау деп
аталады. Мына реакция теңдеуіне назар аударыңдар.
Спирттік ашу процесі глюкозаның ашуына өте ұксас, көп сатылы ферменттік
ыдырау реакциясы болып табылады. Оның жиынтық, теңдеуі мынадай:
С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ - 2СОа + 2С2Н5ОН + 2АТФ + 2Н2О
Реакция теңдеуінен көріп отырғанымыздай бір молекула глюкоза ыдырағанда 2
молекула АТФ синтезделеді. Реакция нәтижесінде 200 кДж энергия немесе 40%-ы
АДФ-тін АТФ-ке айналуына жұмсалса, ал 120 кДж энергия немесе 60%-ы жасушада
АТФ түрінде сақталады.
Гликолиздің оттекті (аэробты) ыдырауы. Глюкозаның толық ыдырауы немесе
оттекті ыдырауы да — митохондрияның ішкі мембранасында үздіксіз жүретін
процесс. Реакцияға глюкозаның оттексіз ыдырауы сияқты аралық заттар ретінде
ферменттер, АДФ және фосфор қышқылы қатысады. Бұл реакцияның оттексіз
ыдыраудан айырмашылығы оттектің қатысымен глюкоза толық ыдырап, соңғы өнім
ретінде СОа және Н2О түзіледі. Реакцияның бастапқы заты ретінде 2 моль
С3Н6О3 (сүт қышқылы) қатысады. Нәтижесінде 36 моль АТФ синтезделеді.
Реакция теңдеуі:
2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ - 6СО2 + 36АТФ + 42Н2О
Демек, энергияның негізгі көзі — глюкозаның оттекті ыдырауы кезінде (2600
кДж) түзіледі.
Гликолиздің оттекті ыдырауы кезінде түзілген 2600 кДж энергияның 1440 кДж
немесе 54%-ы АТФ-тің химиялық байланыс энергиясына айналады.
оттекті және оттексіз ыдырауының жиынтығының теңдеуі мынадай:
38Н3РО4
44 Н20
С6Н12О6
6О2
38АДФ - 6СО2 + 38АТФ
Глюкозаның оттексіз және оттекті ыдырауы кезінде бөлініп шыққан
энергияның 80 кДж + 1440 кДж = 1520 кДж немесе 55%-ы потенциалды энергия
түрінде сақталып, жасушаның тіршілік процестеріне жұмсалады. Ал 45%-ы
жылу энергиясы түрінде пайдаланылады.
Қорыта айтқанда, жасушаның тіршілік әрекеттеріне жұмсалатын энергия көзі
гликолиз процесі кезіңде АТФ түрінде синтезделеді. Сондықтан бүл процесті
энергетикалық алмасу дейді. Бұдан біз гетеротрофты жасушалар энергияны
тыныс алу реакциясынан алатындығын көреміз.
АТФ-тің синтезі гликолиздің бұдан кейінгі сатыларында да үздіксіз жүреді.
Тақырыптың түйіні
1. Энергия тыныс алу және жану кезінде бөлінеді. Жану реакциясы табиғатта
жүрсе, ал тыныс алу — жасушадағы митохондрияда жүреді.
2. Жасушаның тіршілік әрекеттеріне жұмсалатын энергия АТФ молекуласы
түрінде жинақталады.
3. АТФ молекуласы гликолиздің оттекті және оттексіз ыдырауы кезінде
синтезделеді.
4. Гликолиз процесі кезінде бөлінген әнергияның 55%-ы потенциалды (еркін)
энергия түрінде сакталады, ал 45%-ы жылу энергиясына айналады.
§24. Лимон қышкылы айналымының сатылары. Пируваттың өзгеруі
Лимон қышқылы айналымына даярлық. Лимон қышқылының айналымына даярлық
пируват молекуласының өзгеруінен басталады. Атап айтканда, пируват
көміртектің (3C) бір атомын СО2 түрінде жоғалтатыны 3-сызбанұсқада
бейнеленген.
3-сызбанұсқа
Осы кезде кофермент А пируватының калған екі көміртек ацетил тобын
косып алады да, лимон қышқылы айналымының алғашқы сатысына өтеді.
НАД+ пируват пен кофермент А-дан 2Н-ты косып алып, НАД • Н + Н+-ке
айналады. Реакция нәтижесінде түзілген ацетил К А лимон қышқылының сатысына
өтеді де, лимон қышқылы айналымына даярлық аяқталады (3-сызбанұсқа).
Даярлық аякталғаннан соң. 56-суреттен көріп отырғанымыздай лимон қышқылының
айналым реакциясы басталады. Ол реакция сағат тілінің бағытымен жүреді.
Реакцияға бастапқы зат ретінде ацетил К0А қатысады. Ол өзіндегі екі
көміртекті ацетил тобын төрт көміртекті қосылыс — қымыздық сірке қышқылына
беріп, алты көміртекті қосылыс — лимон қышкылына айналады (56-сурет). Бұл
реакция — ферменттердің жәрдемімен үздіксіз жүріп отыратын күрделі
процесс. Лимон қышқылы 56-суреттен көріп отырранымыздай екі
көміртек атомын СО2 түрінде бөліп шығарады да, қалған төрт көміртек
атомынан жаңа қымыздық, сірке молекуласы түзіліп отырады. 56-суретте лимон
қышқылы айналымының қысқартылған түрі берілген.
Лимон қышқылының айналымын 1930 жылдары ағылшын биохимигі Г.Кребс ашты.
Сондықтан бұл процесс Г.Кребстің атымен аталды. Осы еңбегі үшін Г.Кребс
1953 жылы Нобель сыйлығының лауреаты атағын алды.
Қорытып айтканда, лимон қышқылы айналымының нәтижелері мынадай:
6-сурет. Лимон кышкылының айнал
1. Біз тыныс алу мүшелеріміз арқылы СО2 өнімдерін бөліп
шығарамыз. Ол өнімдер пируват молекуласы реакцияға түскен
кезде пайда болады.
2. Сутек атомдары лимон қышқылдарының айналымының
әрбір сатысында ыдырайды да, олар электрондардың
акцепторларына беріледі. Осы уақытта НАД+ және ФАД түзіледі.
Бұлар қайтадан сутек атомдарын қосып алып, НАД-Н+Н+ және
ФАД-Н2-ге айналады.
3. Лимон қышқылының әр айналымында АТФ-тың бір
молекуласы синтезделеді.
4. Лимон қышқылының айналымы мынадай жа лпы теңдеумен
қорытылады:
а) қымыздық сірке қышқылы Ацетил К0А АДФ +Фн ЗНАД • Н+
ФАД;
ә) реакция нәтижесінде мынадай заттар түзіледі: қымыздық сірке қышқылы
+2СО2 + К0А + АТФ
+ ЗНАД • Н + ЗН+ + ФАД • Н2
Н+ қоймасын толтыру. Электрондар тасымалдау тізбегі.
Реакцияның бастапқы заты ретінде алынған глюкоза ферменттердің жәрдемімен
толық ыдырайды (глюкозаның оттекті ыдырауын еске түсіріңдер). Осы кезде
бөлінген энергия АТФ синтезіне қатысканымен, оның негізгі бөлігі
электрондармен толықтырылған тасымалдаушы молекулалар НАД • Н + Н+ және ФАД
• Н2 түрінде жинакталады
Бұл малекулалар гликолиз бен лимон қышкылы айналымының
өнімдері екенін ескерген жөн. Тасымалдаушы молекулалар 57-сурет-
тен көріп отырғанымыздай, сутектің атомдарын электрондар
тасымалдау тізбегіне береді де, қайтадан сутектің жаңа атомдарын
тасымалдауға дайын тұрады. Бүл процесс үздіксіз жүріп жатады.
Сутек атомдары митохондрияның ішкі мембранасына өтіп,ферменттердің
әсерінен тотығып, электрондарын жоғалтады:
Н°— е ---- Н+
Бұл тотығудың нәтижесінде пайда болған сутектің электрондары мен
катиондарын Н+-ті тасымалдайтын молекулалар қосып алып, мембрананың ішкі
жағына өткізеді (57-сурет). Олар со л жерде оттекпен қосылады
(митохондрияға молекула күйіндегі оттек сыртқы ортадан үздіксіз келіп
тұрады):
Митохондрияның сыртқы мембранасына Н+, ал ішкі жағына теріс зарядты
бөлшектер, яғни аниондар жинақталады. Демек, мембрананың сыртқы және ішкі
жағында қарама-қарсы зарядталған бөлшектердің саны арта түседі. Олардың
санының артуына байланысты арасындағы потенциал айырмашылығы да артады.
57-сурет. Митохондриядағы АТФ синтезінің сызбанұскасы
Өсімдік жасушаларындағы пластикалық және энергетикалық алмасулардағы
ерекгеліктері Фотосинтез
Хлоропласт және оның фотосинтез процесіндегі рөлі. Хлоропласт
эукариот жасушалардың, соның ішінде, жасыл өсімдіктердің негізгі
органоиді екенін білесіңдер. Хлоропласт шар пішінді болып келеді,
оның диаметрі 10 мкм-ден аспайды. Хлоропласттың құрамында жасыл түсті
пигмент-хлорофилл болады. Хлорофилдер көк және қызыл сәулелерді
сіңіріп, жасыл түсті шағылыстырады. Ол сәуле хлоропласт жасушасын жасыл
етіп көрсетеді. Хлоропластарда хлорофилдерден басқа сары, қоңыр,
қызғылт сары болып келетін каротиноидтер де бар. Бұл пигменттер
ұзындығы басқа толқындағы сәулелерді шағылыстырып, өз энергиясын
хлорофилдерге береді де, фотосинтез процесін тездетеді. Каротинноидтер
жасыл түсті хлорофилдермен бүокенгендіктен көрінбейді. Бірақ күзде
хлорофилдер ыдырағанда, олар жарқырап көрінеді. Сондықтан
жапырақтардың түсі күзде сары, қоңыр, қызғылт және т.б. болып
көрініс береді.
Хлоропласт қос мембраналы органоид. Ол сыртқы және ішкі
мембранадан тұрады (58-сурет). Ішкі мембранада жалпақ тақташалар
болады, оны тилакоид деп атайды. Осы тилакоиждтердің жиынтығын
граналар дейді. Граналарда фотосинтез процесіне қажетті барлық
құрылымдар орналасқан.
Фотосинтез процесі жасушадағы барлық хлоропластарда жүрмейді.
Оның негізгі құрылымы граналарда жүреді. Граналар
бірінің үстіне бірін жинап қойған тиын сияқты тақташалардан
(тилакоидтерден) тұрады
Тақташалар өзара бір-бірімен саңылаулар арқылы байланысады.
Фотосинтезге қатысатын кейбір молекулалар мен пигменттер хлоропластағы
фотосинтетикалық қабықшаны құрастыруға катысады. Ол қабықшаларды строма
немесе хлоропластың негізгі заты қоршап тұрады. Строма дегеніміз —
хлоропласт пен жасушаның цитоплазмасын бөлетін қабықша.
Фотосинтез процесі кезіндегі АДФ-азаның рөлі зор. АДФ-аза — фотосинтездің
жарық фазасында АТФ синтезіне Н қоймасындағы энергияны пайдаланатын
ферменттер.
Автотрофты және гетеротрофты организмдер. Табиғаттағы барлык организмдер
екі топқа бөлінеді. Организмдердің бірінші тобына бейорганикалық заттардан
органикалық заттарды синтездей алмайтын, дайын күйіндегі энергиясы мол
қоректік заттарды тікелей қабылдайтын организмдер жатады. Оларды
гетеротрофтар дейді. Гетеротрофтарға адам, бүкіл жануарлар, көптеген
микроорганизмдер және хлорофилсіз саңырауқұлақтар жатады.
Хлорофилі бар өсімдік жасушаларының тірі табиғат үшін маңызы өте зор.
Себебі онда өзіне тән ерекше процестер жүреді. Сол процестердің бірі
ғылымда фотосинтез деген атпен белгілі. Фотосинтез дегеніміз — Күн сәулесі
энергиясын химиялық байланыстар энергиясына айналдыратын күрделі механизмді
процесс. Демек, хлорофилі бар өсімдік жасушалары Күн сәулесі энергиясын
пайдаланып, бейорганикалық заттардан органикалық заттарды синтездейді.
Ондай организмдерді автотрофтар деп атайды. Фотосинтез процесінің жиынтық
теңдеуі былай өрнектеледі:
Бұл теңдеу фотосинтездің механизмі туралы түсінік бермейді. Толық
түсінік алу үшін осы процестің жарықта және қараңғыда жүретін фазаларьын
білу қажет.
Фотосинтездің жарықта жүретін фазасы. Күн энергиясының әсерінен
хлоропласт органоидтарында фотосинтездің механизмін тусіндіретін бірнеше
күрделі реакциялар жүреді. Сол реакциялардың қатарына АТФ синтезі, су
фотолизі және т.б. жатады.
Аденозинтрифосфат (АТФ). Гликолиздің оттекті және оттексіз
ыдырауы кезінде және лимон қышқылының әрбір айналымында макроэргиялық
қосылыс — АТФ молекуласының түзілетінін білесіңдер. АТФ энергиясы жасушаның
қозғалысына, нәруыз молекуласының синтезделуі мен тасымалдануына, артық
заттардың жасушадан шығарылуына, яғни зат алмасудың үздіксіз жүруіне
жұмсалады.
Күн энергиясының АТФ түрінде химиялык байланыс энергиясына айналуында
фотосинтез процесінің рөлі зор. Оны мынадай сызбанұсқадан байкауға болады:
Өсу, даму, козғалу т.б.
Фотосинтез кезінде өсімдіктер Күн энергиясын органикалық зат-тардың
кұрамында сақтайды. Ал тыныс алғанда, қоректік заттардың молекуласы ыдырап,
ондағы әнергия босап дшығады. Бұл құбылыстар АТФ-тің синтезіне қажетті
энергияны беретіндігі 60-суретте бейнеленген.
АТФ синтезі гликолиз және лимон қышқылының айналымында синтезделеді
дедік. Сонымен қатар АТФ-тің негізгі бөлігі химио-осмос процесі көзіңде
түзіледі. Химио-осмос процесі хлоропластарда фотосинтез кезінде және
митохондрияларда жасуша тыныс алғанда жүреді. Химио-осмос процесі
хлоропластар мен митохондрияның мембраналарында жүзеге асырылады. Енді біз
түсінікті болу үшін бұл процесті екі кезеңге бөліп, карапайым сызбанұсқа
түрінде сипаттама берейік (60-сурет). 1-кезең — энергияның жиналуы. 2-кезең
— жиналған энергияны АТФ синтезіне пайдалану. Химио-осмос кезінде
қолданылатын энергияның рөлін электр заряды бар бөлшектер атқарады.
Берілген сызбанұсқадан көріп отырғанымыздай, зарядталған бөлшектер бір-
бірін тартады. Егер осы бөлшектердің қосылуына кедергі жасалса,
электрохимиялық энергия жиналады (60-сурет, 1). Иондардың арасындағы
кедіргілерді жойса, электрохимиялық энергия жұмсалады (60-сурет, 2).
Берілген сызбанұсканың негізінде химио-осмос процесі кезінде
электрхимиялық энергияның жинақталу тәсілімен таныстыңдар. Ол энергия АТФ
синтезіне жұмсалады.
олардың Н+ ионымен қосылуына кедергі жасайды. Осыған қарамастан ішкі
мембранадағы Н+-тің потенциал айырымы артқанда, АДФ-аза ферментінің
саңылаулары арқылы Н+ ионы өтеді. Бұл кезде Н+ ионның энергиясын
пайдаланып, АДФ бір фосфатты қосып алады да, АТФ молекуласы синтезделеді,
яғни мынадай реакция жүреді:
АДФ - аза
АДФ + Фн АТФ
АТФ молекуласының синтезделуінін, осы жолы I960 жылдары
химио-осмос процесі деп аталған.
Қорыта айтқанда, АТФ — организм тіршілігі үшін кажетті энер-
гияның орталығы.
Митохондриялар мен хлоропластардың негізгі кызметтері — сутек атомьш Н+
ионы мен электрондарға ыдырату аркылы Нч коймасьтн толтыру. Мүндай
кызметтер аткару үіпін хлоропластар энергияны Күн сәулесінен, ал
митохондриялар коректік заттардан алатындығьша
көз жеткіздіндер.
Су фотолизі. Фотосинтез — көп сатылы күрделі процесс. Оның негізгі
қызметтерінің бірі — фотоннын (жарық энергиясы) электрондарын электрон
тасымалдайтын қатарлар арқылы бір тасымалдағыштан екіншісіне өтуін
қамтамасыз ету.
Фотосинтез процесінде басты рөлді хлорофилл пигменті аткарады. Сондықтан
осы процестің механизмін толық түсіну үшін, алдымен 61-суреттегі
хлоропласт органоидінде жүріп жатқан фотосинтездің жүру бағытымен
танысайық. Енді 61-сурет бойынша АТФ молекуласының синтезделу механизмімен
танысайық. Хлоропластарда кедергінің рөлін ішкі мембраналар атқарады. 61-
суретте бейнеленгендей, тасымалдаушы молекулалар электрондарды мембрананың
сыртына жинақтайды да,
61-суретте АТФ молекуласының синтезделу механизмі бей-
неленген.
Бұл процесс фотон (жарық энергиясы) хлорофилл пигментіне түскен кезден
басталады (61-сурет). Осы кезде энергияны сіңіріп алған электрондар
орбитасын тастап, бір тасымалдағыштан екіншісіне электрон тасымалдаушы
қатарлар арқылы өтеді. Электрон тасымалдайтын молекуланың рөлін хлоропласта
тұрақты болатын органик-лық зат (никотинамиддинуклеотидфосфат — қысқаша
НАДФ+) атқарады.
Электрон тасымалдаушы қатарлар аркқылы өткен әлектрондар өзі сияқты бос
электрондармен және стромадағы судың сутек Н+ ионымен қосылады (жасушадағы
судың кейбір молекулалары Н+ және ОН- иондарына ыдыраған күйде болатындығын
химия пәнінен білесіндер). Нәтижесінде қос электрон пайда болады. Осы қос
электрон және сутек ионы сутекті тасымалдайтын молекуламен — НАДФ-пен
қосылып, НАДФ Н-қа айналады. Бұл органикалық зат тек жарықта түзіледі.
Күн сәулесі хлорофилге түскен кезде энергияны сіңіріп алған электрондар
қозған күйге көшетіндігі бізге белгілі (61-сурет). Осы қозған электрондар
орбитасынан алшақ кеткенде (тастағанда) және электрон тасымалдаушы катарлар
арқылы өткенде, хлорофилл молекуласы біраз энергиясын жоғалтады. Осы
жоғалтқан әнергиясын хлорофилл молекуласы жарыктың әсерінен судың ыдырауы
кезіңде, яғни сутек атомдарынын электрондар мен Н+ ионына дейін ажырауы
есебінен толыктырады. Бүл күбылысты мынадай реакция теңдеуі бойынша
жазамыз:
2Н2О 4 е + 4Н+ +
О2
Бұл реакция — су электролизіне ұқсас жарық энергиясының әсерінен ыдыраған
су фотолизі. 1939 жылы Роберт Хилл су фотолизі реакциясының әсерінен
оттектің молекула түрінде атмосфераға бөлініп шығатындығын алғаш рет
дәлелдеді. Сондықтан бұл процесті Хилл реакциясы деп атайды.
Демек, фотосинтез процесінің әлемдегі тіршілік үшін маңызы мәңгілік,
себебі бүкіл тіршілік иелері оттекпен тыныс алатындығы белгілі. Қорыта
айтканда, фотосинтездің жарықта жүретін реакиияларының нәтижелері мынадай:
а) АТФ синтезі; ә) НАДФ Н-тың түзілуі; б) су фотолизі.
Тақырыптың түйіні
1. Фотосинтез процесі өсімдік жасушасының құрамындағы хлоропластарда
жүреді. Онда өсімдікке жасыл түс беретін хлорофилл пигменті бар. Хлорофилл
пигменті көк және қызыл сәулелерді сіңіріп, жасылды шағылыстыратындықтан
жасыл түсті береді.
2. Фотосинтездің жарықта және қараңғыда жүретін екі ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz