ОБМЕН ВЕЩЕСТВ
Обмен веществ (метаболизм) — поступление в организм питательных веществ из окружающей среды, их превращения и вывод из организма продуктов жизнедеятельности.
Анаболизм (ассимиляция, пластический обмен) - из более простых веществ образуются более сложные, энергия расходуется.
Катаболизм (диссимиляция, энергетический обмен) - из сложных органических соединений образуются простые, сопровождается выделением энергии, которая аккумулируется в молекулах АТФ.
Энергетический обмен. Этапы энергетического обмена
1.Подготовительный – происходит в желудочно-кишечном тракте, в цитоплазме клеток.
Органические макромолекулы при участии ферментов распадаются на мелкие молекулы:
А)белки → аминокислоты;
Б)углеводы → глюкоза;
В)жиры → глицерин + жирные кислоты
Энергия рассеивается в виде тепла.
2. Бескислородный (анаэробный, неполное расщепление)
Гликолиз процесс бескислородного расщепления молекулы глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты (пируват, ПВК). Гликолиз протекает в цитоплазме клетки. В ходе гликолиза при расщеплении одного моля глюкозы выделяется около 200 кДж энергии, 60 % ее рассеивается в виде тепла, 40 % – для синтезирования двух молекул АТФ из двух молекул АДФ. При наличии кислорода в среде пировиноградная кислота из цитоплазмы переходит в митохондрии и участвует в третьем этапе энергетического обмена.
В мышцах животных, в том числе и у человека, при больших нагрузках и нехватке кислорода пируват превращается в молочную кислоту (С3Н6O3), которая накапливается в виде лактата. Появляется боль в мышцах. У нетренированных людей это происходит быстрее, чем у людей тренированных.
В микроорганизмах, которые существуют без доступа кислорода – получают энергию в процессе брожения, начальный этап аналогичен гликолизу: распад глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты, и далее она зависит от ферментов, которые находятся в клетке – пировиноградная кислота может преобразовываться в спирт, уксусную кислоту, пропионовую и молочную кислоту. В отличие от того, что происходит в животных тканях, у микроорганизмов этот процесс носит название молочнокислого брожения. Все продукты брожения широко используются в практической деятельности человека: это вино, квас, пиво, спирт, кисломолочные продукты. При брожении, так же как и при гликолизе, выделяется всего две молекулы АТФ.
3.Кислородный (аэробный, клеточное дыхание)
Ацетилкофермент А - образуется из пирувата (и ПВК), но на в 3 этапе энергетического обмена, потом он вступает в цикл Кребса.
Третий этап – кислородный, состоящий из двух последовательных процессов – цикла Кребса, названного по имени Нобелевского лауреата Ганса Кребса, и окислительного фосфорилирования. Его смысл заключается в том, что при кислородном дыхании пируват окисляется до окончательных продуктов – углекислого газа и воды, а энергия, выделяющаяся при окислении, запасается в виде 36 молекул АТФ (34 молекулы в цикле Кребса и 2 молекулы в ходе окислительного фосфорилирования). Кислородный этап возник после накопления в атмосфере достаточного количества молекулярного кислорода и появления аэробных организмов.
Окислительное фосфорилирование или клеточное дыхание происходит, на внутренних мембранах митохондрий. На внутренней мембране митохондрий локализована ферментная система АТФ-синтетаза, благодаря которой из АДФ и фосфорной кислоты синтезируется АТФ
В ходе этой стадии освобождается большая часть метаболической энергии.
Суммарная реакция энергетического обмена: С6Н12O6 + 6O2 → 6СO2 + 6Н2O + 38АТФ.
Фотосинтез.
Фотосинтез — процесс образования органических соединений из неорганических благодаря преобразованию световой энергии в энергию химических связей.
Происходит в клетках зеленых растений при участии пигментов хлоропластов — хлорофиллов a и b
(зеленые), каротиноидов (желтые), фикобиллинов (синие и красные).
Световая фаза.
Световая фаза фотосинтеза протекает только на свету в мембране тилакоидов граны. В этой фазе происходит поглощение хлорофиллом квантов света.
Под действием кванта света хлорофилл теряет электроны, переходя в возбужденное состояние.
Эти электроны передаются переносчиками на наружную, т.е. обращенную к матриксу поверхность мембраны тилакоидов, где накапливаются.
Одновременно внутри тилакоидов происходит фотолиз воды, т.е. ее разложение под действием света
2H2O → O2 +4H+ + 4ē
Образующиеся электроны передаются переносчиками к молекулам хлорофилла и восстанавливают их: молекулы хлорофилла возвращаются в стабильное состояние.
Ионы водорода, образовавшиеся при фотолизе воды, накапливаются внутри тилакоида. В результате внутренняя поверхность мембраны тилакоида заряжается положительно (за счет Н+), а наружная — отрицательно (за счет ē). По мере накопления по обе стороны мембраны противоположно заряженных частиц нарастает разность потенциалов. При достижении критической величины разности потенциалов сила электрического поля начинает проталкивать протоны через канал АТФ-синтетазы. Выделяющаяся при этом энергия используется для фосфорилирования молекул АДФ: АДФ + Ф → АТФ. Образование АТФ в процессе фотосинтеза под действием энергии света называются фотофосфорилированием.
Ионы водорода, оказавшись на наружной поверхности мембраны тилакоида, встречаются там с электронами и образуют атомарный водород, который связывается с молекулой-переносчиком водорода НАДФ+ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат):
2H+ + 4 ē + НАДФ+ → НАДФ • H2
Таким образом, во время световой фазы фотосинтеза происходят три процесса:
1)образование кислорода вследствие разложения воды,
2)синтез АТФ,
3)образование атомов водорода в форме НАДФ • H2.
Кислород диффундирует в атмосферу, АТФ и НАДФ • H2 участвуют в процессах темновой фазы.
Темновая фаза
Протекает в матриксе хлоропласта как на свету, так и в темноте и представляет собой ряд последовательных преобразований CO2, поступающего из воздуха, в цикле Кальвина. Осуществляются реакции темновой фазы за счет энергии АТФ. В цикле Кальвина CO2 связывается с водородом из НАДФ • H2 с образованием глюкозы.
Таким образом, благодаря фотосинтезу растения обеспечивают себя и все живое на Земле необходимыми органическими веществами и кислородом.
Хемосинтез
Хемосинтез — процесс образования органических веществ живыми организмами из углекислого газа и других неорганических веществ без участия света.
Осуществляется за счет энергии, выделяющейся при окислении неорганических веществ. Присущий определенным видам бактерий. Хемосинтезирующие микроорганизмы имеют в качестве энергетических ресурсов сероводород, серу, аммиак, азотную кислоту и т. п. Хемосинтез играет в природе большую роль, благодаря ему происходят такие важные процессы, как нитрификация, окисление сероводорода в морях, превращение соединений железа.
Биосинтез белка.
Информация о первичной структуре белка закодирована в виде последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК – гене.
Ген – это единица наследственной информации организма. Каждая молекула ДНК содержит множество генов. Совокупность всех генов организма составляет его генотип.
Кодирование наследственной информации происходит с помощью генетического кода.
Свойства генетического кода.
1) триплетен — каждая аминокислота зашифрована последовательностью из 3-х нуклеотидов, т.е. триплетом или кодоном;
2) однозначен — один триплет кодирует только одну аминокислоту;
3) вырожденность (избыточность) — одну аминокислоту могут кодировать несколько разных триплетов;
4) универсальность — единый для всех организмов, существующих на Земле;
5) неперекрываемость — один нуклеотид не может входить одновременно в состав двух соседних триплетов;
Между генами существуют «разделительные знаки» — участки, не несущие генетической информации, а лишь отделяющие одни гены от других. Стоп-кодоны УАА, УАГ, УГА обозначают прекращение синтеза одной полипептидной цепи, триплет АУГ определяет место начала синтеза следующей.
Этапы биосинтеза белка
1. Транскрипция - синтез иРНК (всех видов РНК) на матрице ДНК. Происходит в кариоплазме (ядерном соке), в ядре.
Фермент РНК-полимераза расщепляет двойную цепь ДНК и на одной из цепей по принципу комплементарности синтезирует молекулу иРНК, которая из ядра поступает в цитоплазму клетки
2. Активация аминокислот. Происходит в цитоплазме.
Присоединение аминокислот с помощью ковалентной связи к определенной тРНК. тРНК транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка.
3.Трансляция – синтез полипептидных цепей белков на матрице иРНК. Происходит на рибосомах.
Во время синтеза белка рибосома нанизывается на нитевидную молекулу иРНК таким образом, что иРНК оказывается между ее двумя субъединицами. В рибосоме есть особый участок — функциональный центр. Его размеры соответствуют длине двух триплетов, поэтому в нем одновременно находятся два соседних триплета иРНК. Аминокислоты доставляются к рибосомам транспортными РНК. Эти РНК имеют форму клеверного листа. На конце молекулы есть площадка для прикрепления аминокислоты, а на вершине – триплет нуклеотидов, комплементарный определенному триплету – кодону на и-РНК. Этот триплет называется антикодоном. Ведь он расшифровывает код и-РНК. В клетке т-РНК всегда столько же, сколько кодонов, шифрующих аминокислоты. Рибосома движется вдоль и-РНК, смещаясь при подходе новой аминокислоты на три нуклеотида, освобождая их для нового антикодона. В одной части функционального центра антикодон тРНК узнает кодон иРНК, а в другой — аминокислота освобождается от тРНК. Когда рибосома достигает стоп-кодона, синтез белковой молекулы завершается.
4.Образование природной структуры белка. Происходит в ЭПС (эндоплазматическая сеть).
Белок приобретает определенную пространственную конфигурацию и становится функционально активным. После этого полипептид покидает рибосому и направляется в цитоплазму. На одной молекуле и-РНК находятся несколько рибосом, образующих полисому. Именно на полисомах и происходит одновременный синтез нескольких одинаковых полипептидных цепей. Каждый этап биосинтеза катализируется соответствующим ферментом и обеспечивается энергией АТФ. Биосинтез происходит в клетках с огромной скоростью. В организме высших животных в одну минуту образуется до 60 тыс. пептидных связей.
Реакции матричного синтеза. К реакциям матричного синтеза относят репликацию
ДНК, синтез и-РНК на ДНК (транскрипцию), и синтез белка на и-РНК (трансляцию).
Репликация ДНК.
Репликация – это процесс самоудвоения молекулы ДНК, осуществляемый под
контролем ферментов. На каждой из цепей ДНК, образовавшихся после разрыва
водородных связей, при участии фермента ДНК-полимеразы синтезируется дочерняя цепь
ДНК. Материалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, имеющиеся в цитоплазме
клеток. Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной
информации от материнской молекулы к дочерним, что в норме и происходит при
делении соматических клеток.
Транскрипция – это процесс снятия информации с молекулы ДНК, синтезируемой на
ней молекулой и-РНК. Информационная РНК состоит из одной цепи и синтезируется на
ДНК в соответствии с правилом комплементарности. Как и в любой другой
биохимической реакции в этом синтезе участвует фермент. Он активирует начало и конец
синтеза молекулы и-РНК. Готовая молекула и-РНК выходит в цитоплазму на рибосомы,
где происходит синтез полипептидных цепей. Процесс перевода информации,
содержащейся в последовательности нуклеотидов и-РНК, в последовательность
аминокислот в полипептиде называется трансляцией.
