Dok sjedite kod kuće za radnim stolom i na zaslonu računala ili pametnoga telefona čitate ovaj tekst vaše tijelo troši energiju. Izađete li van i prošećete li se, vaše će tijelo također trošiti energiju. Objasnite što će se dogoditi ako se odlučite odmoriti uz omiljenu seriju ili ako zaspite. Hoće li vaše tijelo i tada trošiti energiju i, ako hoće, za koje će se procese utrošiti ta energija?
Metabolizam je zajednički naziv za sve biokemijske procese u organizmu. Razlikujemo dvije osnovne vrste metaboličkih reakcija. U procesima se razgradnje složenije tvari razgrađuju na jednostavnije i pri tome se oslobađa energija. Takve su, primjerice, reakcije kemijske razgradnje hrane u kojima se hranjive tvari iz prehrambenih namirnica razgrađuju na sve jednostavnije sastojke. Reakcije razgradnje nazivamo kataboličkim reakcijama.
Prisjetite se što ste naučili o građi hranjivih tvari pa odgovorite na sljedeće pitanje. Na koje će se tvari razgraditi proteini, škrob i masti koji se nalaze u namirnicama koje ste pojeli za ručak?
Proteini se razgrađuju na aminokiseline, škrob na glukozu, a masti na glicerol i masne kiseline.
Glukoza koja je nastala razgradnjom složenijih ugljikohidrata krvlju dospijeva u stanice u kojima se u procesu staničnoga disanja oksidacijom glukoze oslobađa energija. Dio te energije oslobođene kataboličkim reakcijama troši se na reakcije izgradnje organizma. Reakcije izgradnje nazivamo anaboličkim reakcijama. Anabolička reakcija je, primjerice, sinteza proteina.
Prisjetite se što ste naučili o aminokiselinama pa odgovorite na pitanje.
Odakle vašem organizmu aminokiseline iz kojih će se anaboličkim reakcijama izgraditi proteini?
Dok neesencijalne aminokiseline naš organizam može sintetizirati i sam, esencijalne aminokiseline možemo dobiti samo razgradnjom biljnih i životinjskih proteina koje smo hranom unijeli u organizam.
Energija se u stanicama prenosi molekulom ATP (adenozin trifosfat). Ta molekula građena je od dušične baze adenina, šećera riboze i tri fosfatne skupine. U kovalentnim vezama između fosfatnih skupina veže se velika količina energije koja se može prenijeti do drugih dijelova stanice. Pucanjem tih veza oslobađa se velika količina energije koju stanica može utrošiti za svoje potrebe. Pucanjem jedne veze i otpuštanjem jedne fosfatne skupine nastaje ADP (adenozin difosfat), a otpuštanjem i druge fosfatne skupine nastaje AMP (adenozin monofosfat).
Slika 2.2.1.: Građa molekule ATP
Proučite shematski prikaz i opišite povezanost kataboličkih i anaboličkih kemijskih reakcija. Može li se toplina oslobođena pri ovim reakcijama ponovno iskoristiti? Prisjetite se što ste o tome učili u prvome razredu i objasnite što se događa s tvarima, a što s energijom u ekosustavima pa napravite analogiju sa stanicom.
Slika 2.2.2.: Povezanost kataboličkih i anaboličkih reakcija
Fotosinteza je proces u kojem se svjetlosna energija Sunca pretvara u kemijsku energiju glukoze. Fotosintezu provode organizmi koji imaju zeleni pigment klorofil, dakle cijanobakterije, alge i biljke.
Slika 2.2.3.: Fotosintezu ne provode samo zelene alge, već i sve ostale skupine algi poput ove crvene alge na slici jer i one sadrže klorofil, ali uz njega sadrže i pigmente drugih boja.
Fotosintezom iz anorganskih spojeva nastaju organski spojevi koje živa bića koriste kao hranu, a jedan od proizvoda fotosinteze jest i kisik koji je neophodan svim aerobnim organizmima. Fotosintezu obično prikazujemo općom jednadžbom fotosinteze, no to je puno složeniji proces koji čini niz kemijskih reakcija.
Kako glasi opća jednadžba fotosinteze?
Proučimo sada proces fotosinteze malo detaljnije. Reakcije fotosinteze dijelimo na primarne i sekundarne. Primarne reakcije fotosinteze provode se na tilakoidima kloroplasta, gdje se nalazi zeleni pigment klorofil, a za provođenje tih reakcija potrebna je svjetlost. U primarnim reakcijama nastaje kisik razlaganjem vode pomoću Sunčeve svjetlosti i oslobađa se kemijska energija koja se prenosi u sekundarne reakcije.
Sekundarne reakcije fotosinteze događaju se u stromi kloroplasta i za njih nije potrebna svjetlost. U sekundarnim reakcijama, energija oslobođena u primarnim reakcijama troši se za proizvodnju šećera od triju ugljikovih atoma. Izvor je tih ugljikovih atoma ugljikov(IV) oksid iz zraka. Iz šećera s trima ugljikovim atomima biljke zatim proizvode šećere sa šest ugljikovih atoma, poput glukoze i fruktoze.
Slika 2.2.4.: Reakcije fotosinteze
Jedan je od načina mjerenja učinkovitosti fotosinteze količina nastaloga kisika. Izvedite digitalni pokus u kojem je vodena biljka izložena različitim temperaturama vode. Pretpostavite što će se dogoditi s učinkovitošću fotosinteze povećanjem temperature. Na termostatu regulirajte temperaturu vode, zatim pokrenite štopericu i tijekom jedne minute brojite mjehuriće kisika koji nastaju i skupljaju se na vrhu epruvete. Podatke zapišite u svoje bilježnice i zatim riješite zadatke koji se nalaze ispod pokusa.
Zadaci uz pokus:
1. Nacrtajte u bilježnicu graf koji prikazuje ovisnost fotosinteze o temperaturi.
2. Je li se vaša pretpostavka pokazala točnom?
3. Što bi se dogodilo s učinkovitošću fotosinteze na još višim temperaturama od onih u pokusu? Obrazložite svoje odgovore.
4. Koji još okolišni uvjeti imaju utjecaj na fotosintezu? Obrazložite svoje odgovor.
5. Predložite još neke načine na koje bi se mogla mjeriti učinkovitost fotosinteze.
6. Odredite zavisnu i nezavisnu varijablu te navedite koje bi varijable mogli nazvati kontrolnim varijablama u ovom pokusu.
7. Navedite primjer gdje bi se u svakodnevnom životu mogli primijeniti rezultati ovoga pokusa.
U Zemljinoj praatmosferi nije bilo kisika pa su prvi organizmi koji su se razvili u takvim uvjetima bili anaerobni. Najstariji fotosintetski organizmi bili su organizmi srodni današnjim cijanobakterijama. Njihova pojava potpuno je promijenila tijek evolucije živih bića pa većina organizama koja danas nastanjuje naš planet za disanje koristi kisik i u njihovim se stanicama događa proces staničnoga disanja. Biljke su fotosintezom pretvorile svjetlosnu energiju Sunca u kemijsku energiju sadržanu u molekulama glukoze. Tu će energiju iz molekule glukoze osloboditi procesom staničnoga disanja i koristit će se njome za svoje životne procese poput izgradnje novih biljnih struktura. Životinje zatim mogu te biljne strukture koristiti kao izvor hrane te ih, nakon razgradnje u probavnom sustavu, iskoristiti za dobivanje energije u istim tim procesima staničnoga disanja. Fotosinteza i stanično disanje procesi su koji su međusobno povezani. Reaktanti fotosinteze produkti su staničnoga disanja i obrnuto.
Riješite zadatak koji prikazuje povezanost fotosinteze i staničnoga disanja tako da odgovarajući kemijski spoj odvučete u odgovarajuće polje na shematskom prikazu.
Kako glasi opća jednadžba staničnog disanja?
Stanično disanje se, kao i fotosinteza, sastoji od cijeloga niza kemijskih reakcija, a prethodi mu proces koji nazivamo glikoliza. Iz jedne molekule glukoze tijekom glikolize nastaju dvije molekule pirogrožđane kiseline i oslobađa se dovoljno energije za sintezu dviju molekula ATP-a. Glikoliza se događa u citoplazmi stanice i za taj proces nije potreban kisik. Pirogrožđana se kiselina zatim, u procesu koji nazivamo Krebsov ciklus, razgrađuje do ugljikova(IV) oksida, pri čemu nastaju i dvije molekule ATP-a. To se događa u matriksu mitohondrija i za taj proces potreban je kisik. Sljedeći je korak staničnoga disanja dišni lanac koji se događa na unutrašnjoj membrani mitohondrija. To je energetski najproduktivniji dio staničnoga disanja, pri čemu nastaju 34 molekule ATP-a i voda.
Slika 2.2.5.: Stanično disanje
Kisik iz zraka koji ste udahnuli i glukoza iz palačinke koju ste pojeli trebaju doći u vaše stanice. Zato je vrlo važna stanična membrana koja selektivno omogućuje prolaz tvari u stanice. Svi metabolički procesi koji se događaju unutar stanica ovise o izmjeni tvari koja se događa preko staničnih membrana.
Prisjetite se građe stanične membrane i imenujte označene dijelove membrane.
Za prijenos tvari iz područja njihove veće koncentracije u područje njihove manje koncentracije nije potreban utrošak energije. Primjerice, ako u čašu s vodom uliješ tintu, nakon nekog će se vremena čestice tinte spontano proširiti po cijeloj čaši. Probajte izvesti taj pokus kod kuće tako da usporedite hoće li se tinta brže proširiti u toplijoj ili hladnijoj vodi ili temperatura vode ne utječe na brzinu širenja tinte u vodi.
Slika 2.2.6.: Difuzija tinte u vodi
Taj proces zove se difuzija. Difuzija se može događati i kroz fosfolipidni dvosloj stanične membrane. Difuzija, primjerice, omogućuje izmjenu plinova prilikom disanja jer su kisik i ugljikov(IV) oksid male molekule koje lako prolaze kroz fosfolipidni dvosloj.
Slika 2.2.7.: Izmjena plinova između plućnih mjehurića i kapilara
Poseban oblik difuzije koji se događa kroz integralne proteine koji čine kanale u staničnoj membrani naziva se olakšana difuzija. Olakšanom difuzijom kroz membranu prolaze veće molekule, poput aminokiselina.
Slika 2.2.8.: Olakšana difuzija
Ako kroz polupropusnu membranu putuju molekule otapala, najčešće vode, takav oblik difuzije naziva se osmoza. Osmozom se izjednačuju koncentracije dviju otopina različitih koncentracija, međusobno odijeljenih polupropusnom membranom.
Pogledajte video koji prikazuje osmozu u eritrocitima.
Pred sobom imate vagu i četiri čaše s otopinama različitih koncentracija označene slovima od A do D. U svakoj čaši nalaze se po dvije kockice krumpira, jedna manja i jedna veća. Izvažite jednu po jednu kockicu krumpira tako da kliknete na kockicu koju želite prenijeti iz čaše na vagu. Izvagane mase upišite u za to predviđen stupac u tablici.
| UZORAK | MASA UZORKA PRVO VAGANJE(g) | MASA UZORKA DRUGO VAGANJE(g) |
|---|---|---|
| A1 | 10,3 | |
| A2 | 20,0 | |
| B1 | 9,8 | |
| B2 | 20,3 | |
| C1 | 10,1 | |
| C2 | 20,1 | |
| D1 | 10,4 | |
| D2 | 19,9 |
Otopina A
A1
A2
Otopina B
B1
B2
Otopina C
C1
C2
Otopina D
D1
D2
1. Dopunite rečenice.
a) Otopina koja ima najviše otopljenih tvari označena ja slovom
b) Otopina koja ima najmanje otopljenih tvari označena ja slovom
c) Otopina koja je izotonična u citoplazmi u stanicama krumpira označena je slovom
2. Objasnite zašto je komadić krumpira A1 izgubio više mase nego komadić krumpira A2, a oba su se nalazila u istoj otopini.
3. Pretpostavite što bi se dogodilo kad bismo u otopinu B stavili dva komadića krumpira iste mase: jedan u obliku kocke, a drugi u obliku kugle.
Difuziju, olakšanu difuziju i osmozu nazivamo pasivnim prijenosom tvari kroz membranu jer ti oblici prijenosa tvari ne zahtijevaju utrošak energije. Međutim, neke tvari prenose se kroz membranu iz područja svoje manje koncentracije u područje svoje veće koncentracije. Za takav oblik prijenosa potrebna je energija i naziva se aktivni prijenos.
Pogledajte video koji prikazuje primjer aktivnog prijenosa tvari kroz membranu stanice.