Stanični metabolizam

Uvod

Različiti organizmi na različite načine dolaze do energije.
Raspravite kojim sve načinima do energije dolaze heterotrofni, a kojim autotrofni organizmi.
Je li Sunce jedini izvor energije za autotrofne organizme?

Kruženje energije

Sva živa bića na Zemlji koriste se energijom za život, odnosno za svoje životne procese. Ona omogućava njihov rast, kretanje, razvoj i razmnožavanje. Većina organizama koristi se energijom pohranjenom u organskim kemijskim spojevima poput ugljikohidrata, lipida i proteina. Energija se ne može stvoriti niti uništiti, ona se samo pretvara iz jednoga oblika u drugi.
Više informacija o energiji možete pronaći u: DOS Fizika 1, modul: Energija, jedinica DOS- a: Rad i energija.
Svi organizmi, koristeći se energijom za životne procese, stvaraju nove kemijske spojeve ili čine nekakav rad. Dio pohranjene energije tijekom svake pretvorbe uvijek bude oslobođen kao toplina, za organizme dalje neiskoristiv oblik.

Ukupna količina iskoristive energije na Zemlji stalno se smanjuje pretvorbom u toplinu. Da bi život uopće mogao na njoj opstati, potreban je stalni izvor iskoristive energije za kemijske procese gotovo svih organizama. Takva energija najvećim dijelom dolazi u obliku svjetlosne energije od Sunca.
Autotrofni organizmi su jedini koji mogu iskoristiti energiju u tome obliku i oni to rade s pomoću fotosinteze , stvarajući pritom glukozu, organsku molekulu u kojoj je pohranjena velika količina energije. Ostali organizmi ovise o tim autotrofnim organizmima ili proizvođačima, a takve heterotrofne organizme nazivamo potrošačima.
Potrošači prvoga reda su oni koji se hrane autotrofnim organizmima, a potrošači drugoga reda su oni koji se hrane biljojedima.
Mesojedi su potrošači drugoga ili višega reda.

Glukoza je osnovni izvor energije za sva živa bića. Biljke također troše glukozu koju su same stvorile fotosintezom, a jedina je razlika između autotrofa i heterotrofa način na koji su do te glukoze došli. Osim glukoze, kao izvor energije mogu još poslužiti različiti proteini i lipidi.

Svi kemijski procesi nekoga organizma koji se provode za održavanje života zovu se metabolizam. Postoje dvije skupine metaboličkih procesa. Procesi u kojima se molekule razgrađuju i pritom se energija oslobađa zovu se katabolički procesi. Metabolički procesi pri kojima se stvaraju nove tvari uz ulaganje energije su anabolički procesi.
Energija oslobođena kataboličkim procesima mora se nekako “dostaviti” do dijela stanica u kojima se odvijaju anabolički procesi. Glavnu ulogu takva prijenosa energije ima molekula ATP. Energija je pohranjena u kovalentnim vezama između susjedne tri fosfatne skupine. Razdvajanjem tih fosfatnih skupina oslobađa se energija kojom se stanica koristi za svoje potrebe. Nastala molekula ADP, koja sada sadrži dvije fosfatne skupine, povratit će se u oblik molekule ATP-a tijekom kataboličkih procesa u stanici.

Fotosinteza

Fotosinteza je proces kojim se svjetlosna energija pretvara u kemijsku energiju pohranjenu u molekuli glukoze. Tijekom fotosinteze odvija se cijeli niz kemijskih procesa, a sve te procese možemo svesti na opću kemijsku jednadžbu.

Fotosinteza je iznimno važna za život na Zemlji.
Osim što autotrofni organizmi proizvode količinu hrane u obliku glukoze dovoljnu za sebe i heterotrofne organizme, jedan od produkata fotosinteze jest i molekula kisika.
Za fotosintezu je potreban stalan izvor vode i ugljikova(IV) oksida, izvor svjetlosti i zeleni pigment klorofil. Većina biljaka vodu uzima iz tla, a ugljikov(IV) oksid kroz puči iz zraka.

Reakcije fotosinteze možemo podijeliti na primarne i na sekundarne.
Za primarne reakcije neophodna je svjetlost, stoga ih još nazivamo i svjetlosne reakcije.
Tijekom tih reakcija svjetlost određenih valjnih duljina obasjava molekule klorofila. Elektroni magnezija primaju energiju svjetla i prelaze u pobuđeno stanje. Takvi energizirani elektroni prenose se dalje u sekundarne reakcije.
Budući da atom magnezija u klorofilu ovim procesom ostaje bez svoja dva elektrona (), on da bi mogao dalje skupljati Sunčevu energiju, mora imati stalan izvor novih elektrona. Kao izvor elektrona rabe se molekule vode, a njihovim cijepanjem osim elektrona nastaju još vodikovi ioni i molekula kisika. Taj proces cijepanja molekule vode zove se fotoliza vode.

Kisik je u ovome procesu produkt koji se ispušta u atmosferu i dalje se rabi u procesima staničnoga disanja većine organizama.

Sekundarne reakcije događaju se u stromi kloroplasta. Za njih nije potrebno svjetlo, zato ih zovemo reakcije neovisne o svjetlu.
U nizu se reakcija iz ugljikova(IV) oksida, vodikovih iona i pobuđenih elektrona dobiva molekula glukoze i voda (kemijsku jednadžbu nastanka pogledajte klikom na karticu). Energija sadržana u elektronima sada je pohranjena u kovalentnim vezama glukoze.

Stanično disanje

Stanično disanje jest niz metaboličkih procesa kojima se iz hranjivih tvari poput glukoze kemijska energija premješta u molekule ATP-a koje se dalje mogu upotrijebiti za sve stanične procese. Tijekom razgradnje molekule glukoze dio pohranjene energije oslobađa se kao toplina.

Glikoliza

Razgradnja molekule glukoze u svim organizmima uvijek započinje glikolizom koja se odvija u citoplazmi. To je niz kemijskih reakcija u kojoj se molekula glukoze razgradi na dvije manje molekule s po tri atoma ugljika: molekule pirogrožđane kiseline ili piruvata. Tijekom glikolize oslobodi se dovoljno energije za stvaranje 2 molekule ATP-a. Za glikolizu su također nužne molekule nosači elektrona koje primaju oslobođene elektrone iz glukoze.
Sudbina molekula pirogrožđane kiseline dalje ovisi o prisutnosti kisika. Ako je kisik prisutan, aerobne stanice započinju proces staničnoga disanja, a u anaerobnim uvjetima započinje proces vrenja.

Stanično disanje

Stanično disanje jest aerobni metabolički put kojim se molekule glukoze razgrade u potpunosti, do molekula ugljikova(IV) oksida. Ono se događa u mitohondrijima i sastoji se od dviju reakcija: Krebsova ciklusa i dišnoga lanca.

Tijekom Krebsova ciklusa molekule pirogrožđane kiseline razgrade se do molekula ugljikova(IV) oksida oslobađajući pritom opet po 2 molekule ATP-a za svaki piruvat. Za taj su proces opet nužni nosači elektrona bez koji razgradnja ne bi bila moguća.

Dišni lanac događa se na unutarnjoj membrani mitohondrija i njegova je glavna uloga regeneracija nosača elektrona potrebnih za glikolizu i Krebsov ciklus. Ti se nosači regeneriraju tako da otpuste elektrone koje su dosad primali. Krajnji primatelj tih elektrona su molekule kisika koje se tim procesima pretvaraju u molekule vode. Budući da je u prenošenim elektronima još uvijek pohranjena velika količina energije, tijekom dišnoga lanca stvore se dodatne 32 molekule ATP-a.

Sve procese staničnoga disanja možemo prikazati općom kemijskom jednadžbom:

Vrenje

Vrenje ili fermentacija događa se u citoplazmi stanica tijekom anaerobnih uvjeta ili ako uopće nemaju mitohondrije. Tijekom vrenja molekule pirogrožđane kiseline ne razgrade se do kraja, a ovisno o vrsti vrenja, nastaju različiti produkti.
Alkoholnim vrenjem koje provode kvasci i neke bakterije nastaju ugljikov(IV) oksid i etanol.
Jednadžba alkoholnoga vrenja:

Mliječno-kiselinskim vrenjem nastaje mliječna kiselina ili laktat, a maslačnim vrenjem nastaje maslačna kiselina. Tim procesima ne stvara se nijedna molekula ATP-a, ali se zato regeneriraju nosači elektrona koji su neophodni za procese glikolize.

Sveukupno se nepotpunom razgradnjom glukoze dobivaju samo 2 molekule ATP-a, dvije iz glikolize i nijedna iz samoga vrenja, što je višestruko manje od ukupnoga broja koji se dobiva staničnim disanjem. Prednost vrenja jest u tome što za njega nije potreban kisik i mnogi se organizmi okreću upravo vrenju ako nema dostupnoga kisika.

Ljudi su, primjerice, aerobni organizmi koji za svoje tjelesne napore razgrađuju velike količine glukoze koju su unijeli prehranom. Pri iznimno velikim tjelesnim naporima može se dogoditi da dovoljne količine kisika ne dospiju do mišića. U tome slučaju u mišićima započinju procesi mliječno-kiselinskoga vrenja jer je u anaerobnim uvjetima ipak mnogo bolje dobivati samo 2 molekule ATP-a umjesto nijedne koje bi se dobile staničnim disanjem bez prisutnoga kisika. Smanjena količina dostupne energije tijekom vrenja u mišićima jedan je od uzroka umora i otežanoga kretanja.

Jedan se oblik vrenja ipak događa uz prisutnost kisika, a to je octeno vrenje. Ono nije pravo vrenje jer se događa u aerobnim uvjetima, ali ga tako zovemo iz tradicionalnih razloga jer ga provode mikroorganizmi. Provode ga bakterija koje tim procesom etanol iz alkoholnih pića pretvaraju u octenu kiselinu. Zato se vino koje ostaje otvoreno pokvari i poprima neugodan miris.