ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ
Обмен веществ – многообразные химические превращения, обеспечивающие рост клетки, ее жизнедеятельность, постоянный контакт и обмен с окружающей средой.
Обмен веществ состоит из 2 процессов, протекающих одновременно:
1) пластический обмен (ассимиляция, анаболизм) – совокупность реакций биосинтеза сложных органических веществ из более простых с поглощением энергии. Преобладает в растущих клетках развивающегося организма. Пр., биосинтез белка, фотосинтез, синтез жиров, углеводов, нуклеиновых кислот.
2) энергетический обмен (диссимиляция, катаболизм) – совокупность реакций распада сложных органических веществ до более простых с выделением и запасанием энергии. Преобладает при интенсивных физических нагрузках и в старости.
Пластический и энергетический обмены связаны, т.к. реакции биосинтеза нуждаются в энергии, которая поставляется реакциями энергетического обмена. А для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный биосинтез ферментов.
Пластический обмен
Питание клетки
Питание – совокупность процессов, включающих поступление в организм, переваривание, всасывание и усвоение питательных веществ.
По типу питания живые организмы делятся на 2 группы:
1) Автотрофные – организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических (СО2, Н2О и минеральных солей). Делятся на:
ü фототрофные (фотосинтезирующие) – используют для биосинтеза энергию света (растения, некоторые протисты),
ü хемотрофные (хемосинтезирующие) – используют для биосинтеза энергию высвобождающуюся при химических реакциях (некоторые бактерии).
2) Гетеротрофные – организмы, неспособные синтезировать органические вещества из неорганических и использующие в качестве пищи готовые органические вещества (грибы, животные, большинство бактерий, протисты).
Оба способа питания используют эвглена зеленая, венерина мухоловка, росянка.
Фотосинтез и хемосинтез
Фотосинтез – образование органических веществ из воды и углекислого газа при участии энергии света.
Фотосинтезирующие органоиды – хлоропласты, содержащие пигмент хлорофилл, поглощающий солнечный свет.
Фотосинтез происходит в 2 фазы:
1. Световая фаза.
Протекает в гранах хлоропластов, только на свету.
При поглощении молекулами хлорофилла квантов света их электроны переходят в возбужденное состояние и покидают свои электронные оболочки.
хлорофилл → хлорофилл* + е-
За счет энергии возбужденных электронов одновременно происходят:
1) Синтез АТФ из АДФ и остатков фосфорной кислоты без участия О2 (нециклическое (фотосинтетическое) фосфорилирование):
АДФ + Ф →энергия света, АТФ-синтетаза АТФ
2) Фотолиз воды – разложение воды на протон водорода и гидроксил-ион:
Н2О →энергия света Н+ + ОН-
Образовавшиеся в результате фотолиза протоны водорода соединяются с электронами, образуя атомарный водород, который взаимодействует с НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) и восстанавливает его до НАДФ·Н2:
2Н+ + 2е- + НАДФ →энергия света НАДФ·Н2.
Образовавшиеся в результате фотолиза гидроксил-ионы отдают свои электроны и превращаются в свободные радикалы ОН, которые взаимодействуя друг с другом, образуют воду и свободный кислород:
ОН- - е- → ОН
4ОН → 2Н2О + О2↑
Электроны гидроксильных групп идут на восстановление хлорофилла.
хлорофилл* + е- → хлорофилл
АТФ и НАДФ·Н2 транспортируются в строму хлоропласта и участвуют в процессах темновой фазы.
2. Темновая фаза.
Протекает в строме хлоропластов не зависимо от наличия света.
Преобразование СО2 в глюкозу с использованием энергии молекул АТФ и водорода НАДФ·Н2, образованных в световой фазе (цикл Кальвина):
6СО2 + 12НАДФ·Н2 + 18АТФ → С6Н12О6 + 6Н2О + 12НАДФ+ + 18АДФ + 18Ф
или сокращенная формула
6СО2 +24Н+ → С6Н12О6 + 6Н2О
Далее глюкоза превращается в крахмал и запасается растением. Помимо образования молекул глюкозы в строме хлоропластов происходит образование аминокислот, глицерина и жирных кислот.
Т.о. общая реакция фотосинтеза
12Н2О + 6СО2 →энергия света С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О
Хемосинтез – способность синтезировать органические вещества за счет энергии окисления неорганических веществ.
Явление открыто в 1887 г. С.Н. Виноградским.
Примеры хемотрофных организмов:
1) железобактерии – окисляют двухвалентное железо до трехвалентного,
2) серобактерии – окисляют сероводород до молекулярной серы или до солей серной кислоты,
3) нитрифицирующие бактерии – окисляют аммиак, образующийся в процессе гниения органических веществ, до азотистой и азотной кислот.
Биосинтез белка. Реализация наследственной информации
Генетическая информация – информация о первичной структуре белка, заключенная в последовательности нуклеотидов ДНК.
Ген – участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре 1 белка.
Генетический код – это способ зашифровки последовательности аминокислот в белке в виде последовательности нуклеотидов в составе нуклеиновой кислоты.
Свойства генетического кода:
1) универсальность – генетический код универсален для всех живых организмов.
2) триплетность – каждой аминокислоте белка соответствует последовательность из 3 расположенных друг за другом нуклеотидов ДНК – триплет, кодон.
3) специфичность – 1 триплет всегда кодирует только 1 аминокислоту.
4) вырожденность (избыточность) – каждой аминокислоте соответствует не 1, а несколько кодонов.
Пр., аланин – 4 кодона ДНК – ЦГА, ЦГГ, ЦГТ, ЦГЦ.
Этапы биосинтеза белка
1) Транскрипция – процесс переписывания порядка нуклеотидов с цепочки ДНК на молекулу и-РНК по принципу комплиментарности. Происходит в ядре (генетическом аппарате) под действием фермента РНК-полимераза.
2) Трансляция – перевод последовательности нуклеотидов молекулы и-РНК в последовательность аминокислот молекулы белка (образование первичной структуры белка). Происходит в цитоплазме с помощью рибосом.
После завершения трансляции белковая молекула отсоединяется от рибосомы, выходит в цитоплазму и формирует свойственную ей вторичную, третичную и четвертичную структуры.