Aine- ja energiavahetus

11. klass > Bioloogia > 2. Metabolism ja teised eluavaldused

Ainevahetusele kulub alati energiat, nagu ka ainevahetuse käigus seda tekib. Ühe lausega pole võimalik seda keerulist protsessi kirjeldada.

Illustreeriv pilt ainevahetusest

Illustreeriv pilt ainevahetusest

Ainevahetus ehk metabolism (tuleneb kreekakeelsest sõnast μεταβολή ‘metabolē’ ja tähendab tõlkes muutust) tähendab kõiki organismis asetleidvaid sünteesi- ja lagundamisprotsesse kokku. Metabolism on kõikide elurite rakkudes toimuvate keemiliste reaktsioonide tulemus. Terves organismis on sünteesi- ja lagundamisprotsessid omavahel tasakaalus. Metabolism hõlmab ka orgaaniliste molekulide ja nendega seonduva metabolismi, nagu:

  •       rasvhapped
  •       süsivesikud
  •       valgud
  •       aminohapped
  •       ensüümid
  •       hormoonid
  •       vitamiinid
  •       ravimid

toksiinid jpt.

 

Lisaks keemilise energia protsessidele toimuvad metabolismi käigus ka teised energiaprotsessid nagu soojus-, elektriline, mehaaniline energia jpt. Vastavalt energia saamise viisile jaotatakse elurid autotroofideks ja heterotroofideks. Autotroofid sünteesivad ise elutegevuseks vajalikud orgaanilised ühendid väliskeskkonnast saadavatest anorgaanilistest ainetest. Energiaallikateks on kas valgusenergia fotosünteesivatel taimedel või anorgaanilistest ainetest redoksreaktsioonides vabanev  energia  kemosünteesijatest väävli- ja rauabakteritel. Heaks mudeliks on taimerakk ja selles toimuvad metaboolsed protsessid, näiteks fotosüntees, mis on anaboolsetest protsessidest ökoloogilises mõttes looduses tähtsaim.

 

Heterotroofid (loomad, seened ja enamik baktereist) saavad oma elutegevuseks vajaliku energia toidus sisalduva orgaanilise aine oksüdeerimise tulemusel. Saadud ainest saavad nad lisaks ka oma keha ülesehitamiseks vajalikud molekulid.

 

Ainevahetust võib vaadelda ka kahe vastandprotsessina – katabolismi ja anabolismina.

2

Katabolism (kreeka keelest katabolē ‘allaviskamine’, sõnadest κατά kata, “allapoole” ja βάλλειν ballein, “viskama”) ehk dissimilatsioon on organismis hapniku kaasabil toimuv keemiline lagundav ainevahetuse protsess, milles keerulisematest ainetest tekivad lihtsamad. Katabolismi käigus vabaneb energiat.

 

Katabolism on ensüümide toimel toimuv polümeeride bioloogiline lagundamine monomeerideni (näiteks tselluloosi lagunemine glükoosini) või lihtsate orgaaniliste aineteni (glükoosi lagundamine CO2 ja H2O-ni).

3

Toiduga saadavad või organismis sünteesitud orgaanilised ühendid lõhustatakse lihtsama ehitusega molekulideks. Selle käigus vabaneb energia, millest suure osa (60%) eraldub soojusena, ülejäänu (40%) aga talletatakse makroergilisse ühendisse — ATP.

  •       Organismi esmaseks ja kõige kiiremini kasutatavaks energiaallikaks on sahhariidid. 1 g sahhariidide  oksüdatsioonil vabaneb 17,6 kJ energiat.
  •       Järgnevalt kasutab organism rasvu. 1 g lipiidide oksüdatsioonil vabaneb 38,9 kJ energiat.
  •       Viimases järjekorras lagundatakse valke, kuna neil on organismis väga palju teisi tähtsaid ülesandeid. 1 g valkude oksüdatsioonil vabaneb 17,6 kJ energiat.

 

Bioloogiline oksüdatsioon toimub astmeliselt ensüümide ja koensüümide abil mitokondrites. Reaktsioonide astmelisuse tõttu vabaneb energia järk-järgult.

 

Anabolism (kreeka keelest: ἁνά ana “ülespoole” ja  βάλλειν ballein “viskama”) ehk assimilatsioon on organismis asetleidvate ainevahetuslike protsesside kogum, kus lihtsamatest keemilistest ühenditest sünteesitakse keerulisemad ühendid. Sünteesiprotsessi jaoks on vaja nii energiat kui ka lähteainet. Paljusid anaboolseid protsesse varustab energiaga ATP.

KUULA:

 

Energialiigid:

1) mehaaniline energia – kineetiline (liikumisest tulenev) ja potentsiaalne (olekust tulev) energia

2) soojusenergia – saadakse peamiselt Päikeselt (mis soojendab näiteks maapinda)

3) valgusenergia – saadakse Päikeselt

4) tuumaenergia – saadakse raskete aatomituumade lõhestamisel ja kergete aatomituumade ühinemisel

5) elektromagnetiline energia – siia kuuluvad elektrienergia ja magnetvälja energia

6) keemiline energia – keemilistes ühendites olevate sidemete moodustumisel kulutatav või lõhkumisel vabanev energia

Keemiliste ainete jaotus:

1) orgaanilised ained – ained, mis pärinevad elusloodusest ja sisaldavad orgaanilisi ühendeid (süsinikuühendid)

2) anorgaanilised ained – mineraalset päritolu, mitte organismide elutegevuse tagajärjel tekkinud ained (üldiselt kõik ained, mis ei ole orgaanilised)

Elusorganismid omastavad kahte liiki energiat: valgus- ja keemilist energiat. Valgusenergiat saadakse Päikeselt.

Keemilist energiat on võimalik omastada kahel moel:

1) otse eluta keskkonnast anorgaanilistest ühenditest;

2) teiste organismide vahendusel toidust orgaanilistest ühenditest.

Elusorganismid salvestavad ja vabastavad energiat reaktsioonides, kus ained liidavad või loovutavad elektrone.

Meeldetuletus keemiast: rakuhingamisel oksüdeerumise käigus elektronide arv väheneb ja energia vabaneb; redutseerumise käigus elektronide arv suureneb ja energia salvestub.

Organisme saab energia omastamise järgi jagada kaheks: autotroofideks ja heterotroofideks. Nendest on lähemalt juttu järgmistel slaididel.

Elusorganismide elutegevuseks vajalik energia pärineb Päikeselt. Samas ei ole paljud organismid võimelised Päikeselt tulevat valgusenergiat ise omastama. Seetõttu saadakse elutegevuseks vajalik energia teiste organismide vahendusel. Selleks, aga tuleb valgusenergia muuta (nt fotosünteesi käigus) keemiliseks energiaks, mida suudavad omastada kõik elusorganismid.  Keemiline energia salvestub enamasti orgaanilistes ühendites, mis on toodetud nt autotroofsete organismide poolt. Energia liikumist iseloomustab kandumine ühtelt organismidelt teistele, seejuures tuleb arvestada, et suur osa energiast hajub organismide elutegevuse käigus soojusena eluta keskkonda. Viimast ei saa ükski organism oma elutegevuseks kasutada. Organismide vahelist ainete liikumist iseloomustab tsüklilisus. Näiteks autotroofid, kes on suutelised kasutama anorgaanilisi ühendeid toodavad nendest orgaanilisi ühendeid, mida kasutavad omakorda heterotroofid ja lagundajad. Lagundajad muudavad oma elutegevuse käigus orgaanilised ühendid tagasi anorgaanilisteks, mida saavad omakorda jällegi autotroofid kasutada.

Autotroofid on organismid, kes toodavad vajalikke keerukaid orgaanilisi ühendeid lihtsatest anorgaanilistest ühenditest. Peamiselt on selleks anorgaaniliseks ühendiks süsihappegaas. Keemilist energiat kasutavad bakterid anorgaaniliste ühendite oksüdeerimiseks. Valgusenergiat kasutavad taimed, vetikad ja mõned bakterid fotosünteesil. Fotosünteesist on lühidalt juttu järgmisel slaidil ja pikemalt fotosünteesi teema juures.

Fotosünteesijad on taimed, vetikad ja mõned bakterid (nt tsüanobakterid).

Fotosünteesil kasutatakse valgusenergiat CO2 ja vee redutseerimiseks süsivesikuteks ja O2-ks.

Protsessi lähteaineteks on süsihappegaas, vesi ja mineraalained, saadusteks süsivesikud (peamiselt glükoos, fruktoos, tärklis) ja hapnik.

Kuidas on fotosüntees seotud aineringega?

Fotosüntees on kõige tähtsamaks biokeemilise aineringe lüliks, kuna kõik organismid sõltuvad selle käigus toodetavast orgaanilisest ainest. Lisaks toodetakse fotosünteesil hapnikku, mida kasutavad enamik organisme hingamiseks, ning kasutatakse süsihappegaasi, mida enamik organisme hingamise käigus toodab.

Fotosünteesivaid organisme nimetatakse ka fotoautotroofideks.

Mõned autotroofsed bakterid võivad olla ka kemosünteesijad.

Kemosünteesil kasutatakse redutseeritud ühendite oksüdeerumisel vabanevat keemilist energiat. Kemosünteesiks vajaminev energia saadakse anorgaaniliste molekulide oksüdeerumisel (enamasti molekulaarsest vesinikust ja vesiniksulfiidist) või ka metaanist. See eristabki kemosünteesi fotosünteesist, kus energiaallikaks on päikesekiirgus.

Heterotroofid on organismid, kes ise anorgaanilistest ühenditest endale vajalikke keerulisi orgaanilisi ühendeid valmistada ei suuda. Nad kasutavad süsinikuallikana teiste organismide elutegevuse käigus tekkinud orgaanilisi ühendeid.

Valgusenergiat kasutavad heterotroofid harva. Heterotroofid saavad energiat toidu lagundamisel toimuvatest keemilistest reaktsioonidest, oksüdeerides orgaanilisi ühendeid.

Heterotroofid on kõik loomad, seened ja osa bakteritest.

Kas on olemas ainult rangelt autotroofid ja heterotroofid või on võimalik ka vahepealne variant?

On olemas obligatoorsed heterotroofid, kes toituvad ainult heterotroofselt. Aga on ka fakultatiivsed heterotroofid, kes võivad toituda nii autotroofselt kui ka heterotroofselt (näiteks putuktoidulised taimed, kes loomtoiduga täiendavad vaid oma lämmastikuvarusid).

Orgaaniline aine (ja talletunud energia) kuhjub sügavatesse setetesse, kuhu lagundajad ei pääse hapniku puuduse tõttu ligi. Miljonite aastate jooksul (erandiks turvas, mis tekib mõnevõrra kiiremini ja mida mõnikord ka ei loeta fossiilseks kütuseks) tekivad settinud materjalist kõrge temperatuuri ja rõhu mõjul fossiilsed kütused. Fossiilsete kütuste põletamisega eraldub CO2 tagasi atmosfääri, mis sealt miljoneid aastaid tagasi fotosünteesijate poolt omastati.

Fossiilsed kütused on taastumatu loodusvara, kuna neid tarbitakse kiiremini, kui nad tekkida jõuavad.

Kui tekib küsimus fossiilsete kütuste ja biokütuste erinevuse kohta, siis fossiilsed kütused erinevad biokütustest (mis on taastuvad kütused), sest biokütused moodustuvad lühikese aja (tavaliselt aastakümnete) jooksul. Fossiilsete kütuste põletamine lisab biosfääri aineringesse süsinikku, biokütuste põletamine aga seda ei tee, sest biokütused on ise biosfääri aineringe osad – biokütuste põletamisel vabaneb süsihappegaas, mis oli nt taimede (biokütus) kasvamisel äsja atmosfäärist võetud; seetõttu ei suurenda biokütuste tarvitamine süsihappegaasi kogust atmosfääris.

Biokütus võib olla taimset, loomset või mikroobset päritolu. Biokütused on näiteks küttepuu, puusüsi, õled, sõnnik. Töödeldud biokütused on näiteks biodiislikütus, bioetanool, puiduhake, saepuru, bioloogiliste jäätmete anaeroobsel lagunemisel tekkiv biogaas. Biokütust nähakse taastumatute energiaallikate võimaliku asendajana.

Fossiilsete kütuste põletamine suurendab süsihappegaasi hulka atmosfääris, see omakorda tugevdab kasvuhooneefekti. Energiasektor on suurim keskkonnamõjutaja. Fossiilsete kütuste põletamisel läheb õhku suur hulk saasteaineid, mis oluliselt halvendavad välisõhu kvaliteeti, näiteks vääveldioksiid, lämmastikoksiid, süsinikoksiid, süsinikdioksiid, lenduvad orgaanilised ühendid, tahked osakesed, raskmetallid.