Aine-ja energiavahetus (0)

Iga organism sünteesib talle ainuomased orgaanilised ained( sahhariidid , lipiidid , valgud , nukleiinhapped, vitamiini jt.) ise. Selleks kasutab ta lähteainena kas eelnevalt sünteesitud molekule või hangib osa orgaanilisi ühendeid väliskeskkonnast. Vastavalt sellele jaotatakse kõik organismid kahte rühma:
Autotroofid -organismid, kes sünteesivad elutegevuseks vajalikud org. Ühendid väliskeskkonnast saadavatest anorg ainetest, selleks kasutavad nad valgusenergiat või redoksreaktsioonidel vabanevat keemilist energiat. Autotroofide põhiosa moodustavad rohelised taimed, nad saavad esmase org. aine fotosünteesiprotsessis. Selle toimumiseks vajavad nad vkk valgusenergiat ja anorg ühendeid(H2O, CO2). Fotosünteesi tulemusena moodustub glükoos. Glükoos on paljude teiste org. ühendite sünteesi lähteaine. Taimedes moodustub glükoosist otseselt veel mitmete lipiidide süntees. Glükoos on koos mineraalsooladega aluseks veel paljudele järgnevatele biokeemilistele protsessidele. Lisaks taimedele on fotosünteesijad ka osa baktereid ja protiste. Lisaks fotosünteesijatele kuulub a hulka ka kemosünteesijad, need on erinevat liiki bakterid , kes toodavad org ainet anorg ühenditest. Seejuures kasutavad nad energiaallikana anorgaaniliste ainete keemilist energiat. Kemosünteesijad viivad läbi redoksreaktsioone, mille käigus vabanenud energiat kasutavad org ainete sünteesiks.
Heterotroofid - organismid, kes saavad oma elutegevuseks vajaliku energia toidus sisalduva org aine oksüdatsioonil.Suurem osa organismidest on h. Siia kuulub eluslooduse kõigi riikide esindajad, kes ei sünteesi ise foto-, või kemosünteesil orgaanilist ainet. Ka inimene on h. H lagundavad toiduga saadud org ainet kahel eesmärgil: elutegevuseks vajaliku energia ja sünteesiprotsessideks lähteainete saamiseks. H kasutavad energiaallikana üksnes org. ühendeid. Org ühendite oksüdatsioonil vabaneval energial põhinevad h kõik elutegevusprotsessid.
Metabolism- organismides asetleidvad sünteesi- ja lagundamisprotsessid, mis tagavad tema aine- ja energiavahetuse ümbritseva keskkonnaga.
Dissimilatsioon moodustavad organismi kõik lagundamisprotsessid.Toiduga saadavad või organismis sünteesitud org ühendid lõhustatakse ensüümideabil järk-järgult lihtsama ehitusega molekulideks. Selles protsessis võime eristada kahte etappi :1)biopolümeeride hüdrolüüs (nt.tärklise lagundamine glükoosi molekulideks)ja eelmisele järgnev monomeeride (nt.glükoosi) oksüdatsiooni.
Enamiku d protsessidega kaasneb energiavabanemine. See talletatakse energiarikastesse ehk makroergilistesse ühenditesse umbes 40% kasuteguriga. Üks peamine makroergiline ühend on ATP.
Assimilatsiooni moodustavad organismi kõik sünteesiprotsessid. Selle käigus saadakse organismile vajalikke ühendeid: sahhariidid, lipiidid, valgud ja nukleiinhapped jt. Protsesside toimumiseks vajatakse täiendavat energiat ja lähteaineid. Fotosünteesiks kasutatakse küll päikeseenergiat kuid enamikuks ülejäänud sünteesireaktsioonideks vajatakse organismisiseseid keemilisi energia varusid. Enamasti saadakse see ATP molekulist. Lisaks fotosünteesile on olulisteks a protsessideks veel DNA süntees, RNA süntees ning valgusüntees.
Sahhariidid on organismis esmaseks ja kõige kiiremini kasutatavaks energiallikaks . Erinevate org ainete d saadakse erinev energiahulk: 1g sahhariidide oksü vabaneb 17.6 kJ energiat, lipiidid 38.9 kJ ja valgud 17.6 kJ. Seega saab 1g lipiididest iumbes kaks korda rohkem energait kui teistest ühenditest. Katsed näitavad et näljutamisel, kasutab organism esmalt sahhariidi varud, siis hakkab lipiidiide lõhustamine ja kõige viimasena lõhustatakse organismi valke. Lisaks sahhariididele, lipiididele ja valkudele vabaneb energia ka teiste org ainete lagundamisel, kuid nende osatähtsus on suht väike.
Adenosiidtrifosfaat on universaalne energiatalletaja ja ülekandja, mis osaleb kõigi rakkude metabolismis. ATP mol on ribonukleotiid , mis koosneb lämmastikalusest adeniinist, riboosist ja kolmest fosfaatrühmast. ADP + Pj= ATP -30kJ , saadud energia saab ATP molekul edasin anda mõnele teisele keem. ühendile. ATP moodustub põhiliselt glükoosi, käärimise, hingamise ja fotosünteesi käigus. Teised makroerglised ühendid: GTP(valkude süntees) ATP, GTP, CTP, TTP(DNA süntees), ATP, GTP, CTP, UTP(RNA süntees).
Glükoosi lagundamist võib pidada universaalseks, sest taime- ja loomarakkudes toimub see ühtemoodi.Enamikes organismides talletatakse glükoosivarud polüsahhariididena- tärklise või glükogeeni kujul. Kui organism vajab täiendavat energiat, siis lag. polüs. esmalt ensüümide abil monomeerideks. Taimedes on energ. varuaineks tärklis, mille lõhustamisel saadkase glükoosi molekulid. Loomorganismides esineb tärklise asemel polüs glükogeen, ka selle lag saadakse glükoosi molekulid. Seejärel toimub glükoosi järkjärguline oksü, mille käigus vabanev energia salv . ATP molekulidesse.
Glükoosi lagundamisel võib jagada kolme etappi: glükolüüs, tsitraaditsükkel ja hingamisahela reaktsioond.
1.Glükolüüs ehk g algne lagundamine toimub eukarüootse raku tsütoplasmavõrgustikus.Seal paiknevad ensüümid, mis katalüüsivad ligikaudu kümmet üksteisele järgnevat reaktsiooni. Protsessi tulemusena saadakse ühest glükoosi molekulist kaks kolmesüsinikulist püroviinamarihappe molekuli(CH3COCOOH) ja eraldub neli vesiniku aatomit. Sellega kaasneb kahe ATP molekuli süntees. Eraldunud 4 H aatomit seostuvad vesiniku kandjaga NAD(nikotiinamiidadeniinnukleotiid), mis võimaldab H aatomeid järgnevalt kasutada hingamisahelareaktsioonides. Püroviinamarihappe lag toimub edasi tsitraaditsüklis. Sellise tulemusega lõpeb glükolüüs vaid tingimustes, kus rakus on küllaldaselt hapniku. Seetõttu nimetakse taolist glükolüüsi ka aeroobseks glükolüüsiks. Anaeroobne glükolüüs ehk käärimine lõpeb kas piimhappe või etanooli moodustamisega. See toimub tavaliselt kas lihaskoe rakkudes, või ka piimhappebakterite elutegevuse tagajärjel. Sel juhul saadakse ühest g molekulist kaks piimhappe(C2H4OHCOOH) molekuli, kuid H aatomeid ei eraldu, ning kogu protsess piirdub kahe ATP molekuli sünteesiga. Selleks, et lihasrakud vabaneksid piimhappest ja lihaste tööv
ime taastuks, peab piimhappe kanduma verega maksa, kus see muutub püroviinamarihappeks, ning endasi kulglevad kõik reaktsioonid nii nagu vahepeal poleks toimunudki piimhappe moodustumist Pärmseened ja mõned bakterid teostavad anaeroobsetes tingimustes etanoolkäärimist. Ka sel juhul ei eraldu H aatomeid ja moodustub kaks etanooli( C2H5OH ) molekuli, ja kaks ATP molekuli.
2.Tsitraaditsükkel koosneb ensüümide poolt katalüüsivatest reaktsioonidest, mille käigus eralduvad järk- järgult CO2 molekulid ja H aatomid .Glükolüüsi tulemusena saadud püroviinamarihappest edasine lagundamine toimub mitokondri sisemuses. Protsess koosneb tsüklilistest reaktsiooniahelast, Nimetus tuleb sellest, et ühe vaheproduktina moodustub sidrunhape, mille happejääki nim tsitraadiks. Enne tsüklisse sisenemist eralduvad püroviinamarihappest CO2 molekul ja kaks H aatomit. Moodustunud kahesüsinikuline ühend (aktiveeritud äädikhape) siirdub tsitraaditsüklisse. H aatomid seotakse nikotiinamiidadeniindinukleotiidi poolt ja moodustub NADH2. Et ühe gmolekuli kohta moodustub kaks püroviinamarihapet, siis eraldub vaheetapist ja tsitraaditsüklist kokku 20 H aatomit. Osa neist ei pärine algsest g molekulist, vaid tsitraaditsüklisse sisenevatest vee molekulidest. H aatomid seotakse NAD-i poolt ja tulemusena saadakse kokku 10 NADH2, mis suunduvad hinagamisahelasse. CO2 on dissimilatsiooni jääkprodukt ja difundeerub mitkondritest välja. Siit pärinebki meie väljahingatavas õhus sisaldub CO2. Lisaks glükoosilagundamisele, toimub seal ka lipiidide ja aminohapete lõplik lagundamine.
3.Hingamisahela reaktsioonid toimuvad mitokondri harjakeste membraanides, kus glükolüüsil ja tsitraaditsüklis moodustunud NADH2 energia arvel saab täiendavalt sünteesida ATP molekule. Et glükolüüsil moodustub 2 molekuli NADH2 ja tsitraaditsüklis veel 10 NADH2, siis ühe molekuli kohta tekib 12 NADH2 molekuli. Hingamisahela reaktsioonides vabanevad NADH2 molekulid H aatomistest. Moodustunud NAD on vesinikusidujana uuesti kasutatav glükolüüsil ja tsitraaditsükli reaktsioonides. Eraldunud vesinik seotakse hapnikuga ja moodustub vesi. Vabaneva energia arvel saab 12 NADH2 molekuli kohta sünteesida 36 ATP molekuli.
Et glükolüüsil saadakse glüokoosimolekuli lõhustamisel 2ATP molekuli ja hingamisahela reaktsioonide tulemusena veel 36 ATP molekuli, siis kokku võib aeroobsetes tingimustes ühe g molekuli lõplikul lag moodustada kunio 38 ATP molekuli.
Fotosünteesi toimumiseks peab valguskiirgus jõudma taime rohelistes osades asuvate kloroplastideni. Kloroplastide sisemuses asuvad klorofülli molekulid ergastuvad valgusenergia toimel. Kõik järgnevad fotosünteesi reaktsioonid toimuvad klorofülli ergastunud elektronide arvel. Fotosünteesi võib tinglikult jagada kaheks: valgus- ja pimedusstaadium. Valgusstaadiumi reaktsioonide toim. on vajalik valguse olemasolu. Klorofülli ergastunud elektronide arvel lag vee mol ja eraldub gaasiline hapnik. Reaktsioonide käigus moodustunud vaheühendeid ja salvestatud ATP energiat kasutatakse fotosünteesi pimedusstaadiumis. Seal seotakse CO2 molekule ja moodustavad kolmesüsinikulised suhkru molekulid, viimaste ühinemisel saadakse glükoos. Kloroplastide sisemuses paiknevates lamellimembraanides moodustavad klorofülli molekulid koos teiste pigmentidega ja valkudega valgusenergia muundamiseks vajalikke kogumikke- fotosüsteeme.
Fotosüsteem II kasutab ergastunud elektronide energiat vee molekulide lagundamiseks- veefotooksüdatsiooniks ehk vee fotlüüsiks ja ATP sünteesiks. Energia ülekandmine ATP-le on kaheastmeline. Ergastunud elektronid haaratakse elektronitranspordiahelasse. Nende asemel tõmmatakse uued elektronid vee fotooksü lõhustavatest vee molekulidest. Elektronitranspordiahela moodustavad valgud, mis annavad elektrone üksteisele edasi ja kannavad seda f I molekulideni. Seda protsessi nim aktsükliline transpordiks . Elektronide ülekandes vabanevat energiat kas. H+ ioonide konts. lamellide sisemusesse. Tulemusena tekib lamellimebraani eri poolte vahel vesinikuioonide gradient, mis sunnib neid liikuma lamelli sisemusest välja poole. H+ioonid pääsevad välja läbi mebraanis paikvena ensüümi , mis vesinikuioonide voolu mõjul sünteesib ATP-d
Fotosüsteem I vee fotooksüdatisoonis ei osale, selle põhiülesandeks on NADPH2 moodustamine. Süsteemis valgusenergia toimel ergatunud elektronid liiguvad vesinikukandja nikotiinamiidadeniindinukleotiidfosfaadi molekulidele, mis seejärel seovad ümbritsevast keskkonnast H+ ioone. Moodustanud NADPH2 on vesiniku allkaks fotosünteesi pimedusstaadiumis toimuva sahhariidi sünteesil.
Valgusstaadiumireaksioonide tulemusena saadakse ATP ja NADPH2 molekulid , mis on vajalikud fotosünteesi pimedusstaadiumi reaktsioonide toimumiseks.
Pimedusstaadiumi reaktsioonid toimuvad kloroplasti lammelidest väljaspool( stroomas ). Sahhariidide sünteesiks vajalik süsinikuallikana vajalik CO2 siseneb õhulõhede kaudu taime ja difundeerub kloroplastidesse. Edasine protsess koosneb järjestikustest reaktsioonidest mis moodustavad Calvini tsükli. Selles seotakse CO2 ja vesinikuallikaks on NADPH2 . Pimedusstaadiumi lõpptulemusena moodustuvad kolmesüsinikulised suhkru molekulid, mille ühinemisel saadakse glükoos.
Calvini tsüklis kas valgusstaadiumis salvestatud ATP energiat ja NADPH2 molekule. Calvini tsükli reaktsioonides tekkinud NADP ja ADP on uuesti kasutatavad valgusstaadiumi reaktsioonides, glükoosi molekulid afa väljuvad kloroplastidest või moodustavad esmase säilitustärklise.
Fotosünteesi tähtsus- veefotooksüdatsiooni käigus eralduv hapnik on vajalik kõigi organismide hingamiseks.
Taimedele
Heterotroofsetele organismidele
Biosfäääri säilitamisel
Tärklis talletakse säilitusorganites, glükoos on energeetiliselt kasutatav rakkude mitokondrites, sahhariidide moodustamine, Calvini tsükli reaktsioonide vaheühenditest saab rakkudes alguse ka mitmete lipiidide ja aminohapete süntees, vee fotooksü. vabanev O on kasutatav mitokondrite poolt,
elutegevuseks vajaliku energia saavad h üksnes org aine järk-järgulisel oksü. Kui f lakkaks, siis saaksid mõne aja möödumisel otsa ka org aine varud, mida h pidevalt lagundavad, fotosüntees tagab süsinikuringe, , õhuhapniku olemasolu on seotud valdavalt vee fotooksüdatisooniga,
F tagab süsiniku ja hapniku ja teiste keemiliste elementide ringe , atmosfääris paiknev hapnik on maad ümbritseva osoonikihi püsimise aluseks,