Обмен веществ и энергии (метаболизм) осуществляется на всех уровнях организма: клеточном, тканевом и организменном. Он обеспечивает постоянство внутренней среды организма - гомеостаз - в непрерывно меняющихся условиях существования. В клетке протекают одновременно два процесса - это пластический обмен (анаболизм или ассимиляция) и энергетический обмен (фатаболизм или диссимиляция).
Пластический обмен - это совокупность реакций биосинтеза, или создание сложных молекул из простых. В клетке постоянно синтезируются белки из аминокислот, жиры из глицерина и жирных кислот, углеводы из моносахаридов, нуклеотиды из азотистых оснований и сахаров. Эти реакции идут с затратами энергии. Используемая энергия освобождается в ходе энергитического обмена. Энергетический обмен - это совокупность реакций расщепления сложных органических соединений до более простых молекул. Часть энергии, высвобождаемой при этом, идет на синтез богатых энергетическими связями молекул АТФ (аденозин-трифосфорной кислоты). Расщепление органических веществ осуществляется в цитоплазме и митохондриях с участием кислорода. Реакции ассимиляции и диссимиляции тесно связаны между собой и внешней средой. Из внешней среды организм получает питательные вещества. Во внешнюю среду выделяются отработанные вещества.
Ферменты (энзимы) - это специфические белки, биологические катализаторы, ускоряющие реакции обмена в клетке. Все процессы в живом организме прямо или косвенно осуществляются с участием ферментов. Фермент катализирует только одну реакцию или действует только на один тип связи. Этим обеспечивается тонкая регуляция всех жизненно важных процессов (дыхание, пищеварение, фотосинтез и т.д.), протекающих в клетке или организме. В молекуле каждого фермента имеется участок, осуществляющий контакт между молекулами фермента и специфического вещества (субстрата). Активным центром фермента выступает функциональная группа (например, ОН - группа серина) или отдельная аминокислота.
Скорость ферментативных реакций зависит от многих факторов: температуры, давления, кислотности среды, наличия ингибиторов и т.д.
Этапы энергетического обмена:
- Подготовительный - происходит в цитоплазме клеток. Под действием ферментов полисахариды расщепляются на моносахариды (глюкоза, фруктоза и Др.), жиры расщепляются до глицерина и жирных кислот, белки - до аминокислот, нуклеиновые кислоты до нуклеотидов. При этом выделяется небольшое количество энергии, которое рассеивается в виде тепла.
- Бескислородный
(анаэробное дыхание или гликолиз) - многоступенчатое расщепление глюкозы без участия кислорода. Его называют брожением. В мышцах в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на две молекулы лировиноградной кислоты (С 3 Н 4 О 3), которые затем восстанавливаются в молочную кислоту (С 3 Н 6 О 3). В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ.
Суммарное уравнение этого этапа: С 6 Н 12 О 6 + 2Н 3 РО 4 + 2АDФ -> 2С 3 Н 6 О 3 + 2АТФ + 2Н 2 О
У дрожжевых грибков молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение). У других микроорганизмов гликолиз может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и др. При распаде одной молекулы глюкозы образуется две молекулы АТФ, в связях которой сохраняется 40% энергии, остальная энергия рассеивается в виде тепла.
- Кислородное дыхание
- этап аэробного дыхания или кислородного, расщепления, который проходит на складках внутренней мембраны митоходрий - кристах. На этом этапе вещества предыдущего этапа расщепляются до конечных продуктов распада - воды и углекислого газа. В результате расщепления двух молекул молочной кислоты образуются 36 молекул АТФ. Основное условие нормального течения кислородного расщепления - целостность митохондриальных мембран. Кислородное дыхание - основной этап в обеспечении клетки кислородом. Он в 20 раз эффективнее бескислородного этапа.
Суммарное уравнение кислородного расщепления: 2С 3 Н 6 0 3 + 60 2 + 36H 3 PО 4 + 36АДФ -> 6CO 2 + 38Н 2 О + 36АТФ
По способу получения энергии все организмы делятся на две группу - автотрофные и гетеротрофные.
Энергетический обмен в аэробных клетках растений, грибов и животных протекает одинаково. Это свидетельствует об их родстве. Количество митохондрий в клетках тканей различно, оно зависит от функциональной активности кйеток. Например, много митохондрий в клетках мышц.
Расщепление жиров на глицерин и жирные кислоты осуществляется ферментами - липазами. Белки вначале расщепляются до олигопептидов, а затем до аминокислот.
Ферменты (от лат. «fermentum» - брожение, закваска), энзимы, специфические белки, увеличивающие скорость протекания химических реакций в клетках всех живых организмов. По химической природе - белки, обладающие оптимальной активностью при определенном рН, наличии необходимых коферментов и кофакторов и отсутствии ингибиторов. Ферменты называют также биокатализаторами по аналогии с катализаторами в химии. Каждый вид ферментов катализирует превращение определенных веществ (субстратов), иногда лишь единственного вещества в единственном направлении. Поэтому многочисленные биохимические реакции в клетках осуществляет огромное число различных ферментов. Подразделяются на 6 классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы и лигазы. Многие ферменты выделены из живых клеток и получены в кристаллическом виде (впервые в 1926).
Роль ферментов в организме
Ферменты участвуют в осуществлении всех процессов обмена веществ, в реализации генетической информации. Переваривание и усвоение пищевых веществ, синтез и распад белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и других соединений в клетках и тканях всех организмов - все эти процессы невозможны без участия ферментов. Любое проявление функций живого организма - дыхание, мышечное сокращение, нервно-психическая деятельность, размножение и др. - обеспечивается действием ферментов. Индивидуальные особенности клеток, выполняющих определенные функции, в значителной мере определяются уникальным набором ферментов, производство которых генетически запрограммировано. Отсутствие даже одного фермента или какой-нибудь его дефект могут привести к серьезным отрицательным последствиям для организма.
Каталитические свойства ферментов
Ферменты - самые активные среди всех известных катализаторов. Большинство реакций в клетке протекает в миллионы и миллиарды раз быстрее, чем если бы они протекали в отсутствие ферментов. Так, одна молекула фермента каталазы способна за секунду превратить в воду и кислород до 10 тыс. молекул токсичной для клеток перекиси водорода, образующейся при окислении различных соединений. Каталитические свойства ферментов обусловлены их способностью существенно уменьшать энергию активации вступающих в реакцию соединений, то есть в присутствии ферментов требуется меньше энергии для «запуска» данной реакции.
История открытия ферментов
Процессы, протекающие при участии ферментов, известны человеку с глубокой древности, ведь в основе приготовления хлеба, сыра, вина и уксуса лежат ферментативные процессы. Но только в 1833 году впервые из прорастающих зерен ячменя было выделено активное вещество, осуществляющее превращение крахмала в сахар и получившее название диастазы (ныне этот фермент называется амилазой). В конце 19 в. было доказано, что сок, получаемый при растирании дрожжевых клеток, содержит сложную смесь ферментов, обеспечивающих процесс спиртового брожения. С этого времени началось интенсивное изучение ферментов - их строения и механизма действия. Так как роль биокатализа была выявлена при изучении брожения, то именно с этим процессом были связаны два установившихся еще с 19 в. названия - «энзим» (в переводе с греч. «из дрожжей») и «фермент». Правда, последний синоним применяется только в русскоязычной литературе, хотя научное направление, занятое изучением ферментов и процессов с их участием, традиционно называется энзимологией. В первой половине 20 в. было установлено, что по химической природе ферменты yвляются белками, а во второй половине века для многих сотен ферментов уже была определена последовательность аминокислотных остатков, установлена пространственная структура. В 1969 впервые был осуществлен химический синтез фермента рибонуклеазы. Огромные успехи были достигнуты в понимании механизма действия ферментов.
Местонахождение ферментов в организме
В клетке часть ферментов находится в цитоплазме, но в основном ферменты связаны с определенными клеточными структурами, где и проявляют свое действие. В ядре, например, находятся ферменты, ответственные за репликацию - синтез ДНК(ДНК-полимеразы), за ее транскрипцию - образование РНК (РНК-полимеразы). В митохондриях присутствуютферменты, ответственные за накопление энергии, в лизосомах - большинство гидролитических ферментов, участвующих в распаде нуклеиновых кислот и белков.
Условия действия ферментов
Все реакции с участием ферментов протекают, в основном, в нейтральной, слабощелочной или слабокислой среде. Однако максимальная активность каждого отдельного фермента проявляется при строго определенных значениях pH. Для действия большинства ферментов теплокровных животных наиболее благоприятной температурой является 37-40oС. У растений при температуре ниже 0o С действие ферментов полностью не прекращается, хотя жизнедеятельность растений при этом резко снижается. Ферментативные процессы, как правило, не могут протекать при температуре выше 70o С, так как ферменты, как и всякие белки подвержены тепловой денатурации (разрушению структуры).
Размеры ферментов и их строение
Молекулярная масса ферментов, как и всех остальных белков, лежит в пределах 10 тыс. - 1 млн. (но может быть и больше). Они могут состоять из одной или нескольких полипептидных цепей и могут быть представлены сложными белками. В состав последних наряду с белковым компонентом (апоферментом) входят низкомолекулярные соединения - коферменты (кофакторы, коэнзимы), в том числе ионы металлов, нуклеотиды, витамины и их производные. Некоторые ферменты образуются в форме неактивных предшественников (проферментов) и становятся активными после тех или иных изменений в структуре молекулы, например, после отщепления от нее небольшого фрагмента. К их числу относятся пищеварительные ферменты трипсин и химотрипсин, которые синтезируются клетками поджелудочной железы в форме неактивных предшественников (трипсиногена и химотрипсиногена) и обретают активность в тонком кишечнике в составе поджелудочного сока. Многие ферменты образуют так называемые ферментные комплексы. Такие комплексы, например, встроены в мембраны клеток или клеточных органелл и участвуют в транспорте веществ.
Подвергающееся превращению вещество (субстрат) связывается с определенным участком фермента, aго активным центром, который формируется боковыми цепями аминокислот, находящимися часто в значительно удаленных друг от друга участках полипептидной цепи. Например, активный центр молекулы химотрипсина образуют остатки гистидина, находящегося в полипептидной цепи в положении 57, серина в положении 195 и аспарагиновой кислоты в положении 102 (всего в молекуле химотрипсина 245 аминокислот). Таким образом, сложная укладка полипептидной цепи в молекуле белка - ферменте обеспечивает возможность нескольким боковым цепям аминокислот оказаться в строго определенном месте и на определенном расстоянии друг от друга. Коферменты также входят в состав активного центра (белковая часть и небелковый компонент в отдельности ферментативной активностью не обладают и приобретают свойства фермента, лишь соединившись вместе).
Протекание процессов с участием ферментов
Большинство ферментов отличается высокой специфичностью (избирательностью) действия, когда превращение каждого реагирующего вещества (субстрата) в продукт реакции осуществляется специальным ферментом. При этом действие фермента может быть строго ограничено одним субстратом. Например, фермент уреаза, участвующий в распаде мочевины до аммиака и углекислого газа, не реагирует на сходную по строению метилмочевину. Многие ферменты aействуют на несколько родственных по структуре соединений или на один тип химической связи (например, расщепляющие фосфодиэфирную связь фермент фосфатазы). Фермент осуществляет свое действие через образование фермент-субстративного комплекса, который затем распадается с образованием продуктов ферментативной реакции и освобождением фермента. A результате образования фермент-субстратного комплекса субстрат изменяет свою конфигурацию; при этом преобразуемая фермент-химическая связь ослабляется и реакция протекает с меньшей начальной затратой энергии и, следовательно, с намного большей скоростью. Мерой скорости ферментативной реакции служит количество субстрата, подвергшегося превращению в единицу времени, или количество образовавшегося продукта. Многие ферментативные реакции в зависимости от концентрации в среде субстрата и продукта реакции могут протекать как в прямом, так и в обратном направлении (избыток субстрата сдвигает реакцию в сторону образования продукта, в то время как при чрезмерном накоплении последнего будет происходить синтез субстрата). Это означает, что ферментативные реакции могут быть обратимыми. Например, карбоангидраза крови превращает поступающий из тканей углекислый газ в угольную кислоту (H2CO3), а в легких, напротив, катализирует превращение угольной кислоты в воду и углекислый газ, который удаляется при выдохе. Однако следует помнить, что ферменты, как и другие катализаторы, не могут сдвигать термодинамическое равновесие химической реакции, а лишь значительно ускоряют достижение этого равновесия.
Номенклатура названий ферментов
При наименовании фермента cа основу берут название субстрата и добавляют суффикс «аза». Так появились, в частности, протеиназы - ферменты, расщепляющие белки (протеины), липазы (расщепляют липиды, или жиры) и т. д. Некоторые ферменты получили специальные (тривиальные) названия, например, пищеварительные ферменты- пепсин, химотрипсин и трипсин.
В клетках организма протекает несколько тысяч различных реакций обмена веществ и, следовательно, имеется столько же ферментов. Aля того, чтобы привести такое многообразие в систему, было принято международное соглашение о классификации ферментов. A соответствии с этой системой все ферменты a зависимости от типа катализируемых ими реакций были поделены на шесть основных классов, каждый из которых включает ряд подклассов. Кроме того, каждый фермент получил четырехзначный кодовый номер (шифр) и название, указывающее на реакцию, которую yтот фермент катализирует. Ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию у организмов разных видов, могут существенно различаться между собой по своей белковой структуре, но в номенклатуре имеют общее название и один кодовый номер.
Болезни, связанные с нарушением выработки ферментов
Отсутствие или снижение активности какого-либо фермента (нередко и избыточная активность) у человека приводит к развитию заболеваний (энзимопатий) или гибели организма. Так, передаваемое по наследству заболевание детей - галактоземия (приводит к умственной отсталости) - развивается вследствие нарушения синтеза фермента, ответственного за превращение галактозы в легко усваиваемую глюкозу. Причиной другого наследственного заболевания - фенилкетонурии, сопровождающегося расстройством психической деятельности, является потеря клетками печени способности синтезировать фермент, катализирующий превращение аминокислоты фенилаланина в тирозин. Определение активности многих ферментов a крови, моче, спинно-мозговой, семенной и других жидкостях организма используется для диагностики ряда заболеваний. С помощью такого анализа сыворотки крови возможно обнаружение на ранней стадии инфаркта миокарда, вирусного гепатита, панкреатита, нефрита и других заболеваний.
Использование ферментов человеком
Так как ферменты сохраняют свои свойства и вне организма, их успешно используют в различных отраслях промышленности. Например, протеолитический фермент папайи (из сока папайи) - в пивоварении, для мягчения мяса; пепсин - при производстве «готовых» каш и как лекарственный препарат; трипсин - при производстве продуктов для детского питания; реннин (сычужный фермент из желудка теленка) - в сыроварении. Каталаза широко применяется в пищевой и резиновой промышленности, а расщепляющие полисахариды целлюлазы и пектидазы - для осветления фруктовых соков. Ферменты необходимы при установлении структуры белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов, в генетической инженерии и т. д. С помощью ферментов получают лекарственные препараты и сложные химические соединения.
Обнаружена способность некоторых форм рибонуклеиновых кислот (рибозимов) катализировать отдельные реакции, то есть выступать в качестве ферментов. Возможно, в ходе эволюции органического мира рибозимы служили биокатализаторами до того, как ферментативная функция перешла к белкам, более приспособленным к выполнению этой задачи.
Вспомните!
Что такое метаболизм?
(от греч. μεταβολή - «превращение, изменение»), или обмен веществ - набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Эти процессы позволяют организмам расти и размножаться, сохранять свои структуры и отвечать на воздействия окружающей среды.
Из каких двух взаимосвязанных процессов он состоит?
Энергетический обмен и пластический обмен
Где в организме человека происходит расщепление большей части органических веществ, поступающих с пищей?
Первоначально, в пищеварительном тракте, затем в клетках и их органоидах (митохондрии, цитоплазма).
Вопросы для повторения и задания
1. Что такое диссимиляция? Перечислите её этапы.
Совокупность реакций расщепления высокомолекулярных соединений, которые сопровождаются выделением и запасанием энергии, называют энергетическим обменом или диссимиляцией. В основном энергия запасается в виде универсального энергоёмкого соединения - АТФ.
1) Подготовительный
2) Бескислородное окисление
3) Кислородное окисление
2. В чём заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - нуклеотид, состоящий из азотистого основания (аденина), сахара рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты (рис. 53). АТФ является главной энергетической молекулой клетки, своего рода аккумулятором энергии. Все процессы в живых организмах, требующие затрат энергии, сопровождаются превращением молекулы АТФ в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту). При отщеплении остатка фосфорной кислоты высвобождается большое количество энергии - 40 кДж/моль. Таких высокоэнергетических (так называемых макроэргических) связей в молекуле АТФ две. Восстановление структуры АТФ из АДФ и фосфорной кислоты происходит в митохондриях и сопровождается поглощением энергии.
3. Какие структуры клетки осуществляют синтез АТФ?
Митохондрии
4. Расскажите об энергетическом обмене в клетке на примере расщепления глюкозы.
1) Подготовительный этап расщепления углеводов идет в пищеварительном тракте до простого углевода – глюкозы, при этом энергии выделяется мало и она рассеивается в организме в виде тепла.
2) Бескислородный этап расщепления глюкозы – гликолиз (анаэробное окисление). Этап протекает в цитоплазме в отсутствие свободного кислорода. Глюкоза С6Н12О6 пировиноградная кислота (ПВК) С3Н4О3. Глюкоза расщепляется до ПВК с выделением 4АТФ. Затем 2АТФ используются в этом этапе для дальнейшего превращения ПВК в молочную кислоту. И в итоге во втором этапе выделяется 2АТФ.
3) Кислородное окисление – аэробное окисление (или клеточное дыхание). Этап, в результате которого молочная кислота расщепляется под действием молекулярного кислорода до конечных продуктов распада – углекислого газа и воды. Протекает в митохондриях на дыхательной цепи ферментов, которые располагаются на кристах митохондрий. Вт результате этого этапа выделяется 36 АТФ. Таким образом, за два этапа – при полном окислении 1 моль глюкозы (1 молекулы) выделяется 38 АТФ (2АТФ + 36АТФ). Итоговый синтез и запас АТФ осуществляется в митохондриях – эти органоиды называются энергетическими центрами клетки.
6. Синонимами слов «диссимиляция» и «ассимиляция» являются термины «катаболизм» и «анаболизм». Объясните происхождение этих терминов.
Катаболизм (от греч. Καταβολή, «сбрасывание, разрушение») или энергетический обмен, или диссимиляция - процесс метаболического распада, разложения на более простые вещества (дифференциация) или окисления какого-либо вещества, обычно протекающий с освобождением энергии в виде тепла и в виде АТФ. Анаболизм (от греч. ἀναβολή, «подъём») – так называются все процессы создания новых веществ, клеток и тканей организма. Примеры анаболизма: синтез в организме белков и гормонов, создание новых клеток, накопление жиров, создание новых мышечных волокон – это все анаболизм.
Подумайте! Вспомните!
Так как в клетках все органические соединения соединены друг с другом основными метаболитами (ПВК, ацетил-КоА) через которые одни органические вещества могут превращаться при избытке в другие. Наример, избыток углеводов превращаются в жиры.
Энергия, которая высвобождается при энергетическом обмене идет на процессы в пластическом обмене. И вещества пластического обмена расщепляются в энергетическом обмене.
3. Как вы считаете, почему после тяжёлой физической работы, для того чтобы быстрее снять боли в мышцах, рекомендуют принять тёплую ванну?
Боль в мышцах вызывает накопление молочной кислоты при гликолизе, ее концентрация действует на рецепторы, раздражая их, вызывая жжение. Чтобы снять это действие необходим прилив крови с кислородом, кислород расщепить молочную кислоту до конечных продуктов распада. Одним из способов служит принятие теплой ванны. При этом тело разогревается, сосуды расширяются и кровь с кислородом приливает и питает все мышцы, тем самым молочная кислота окисляется до углекислого газа и воды, снимается болевые ощущения в мышцах.
Основное содержание темы составляет понятие об обмене веществ как совокупности химических реакций, обеспечивающих рост жизнедеятельность, воспроизведение и постоянный контакт, и обмен с окружающей средой. Все химические реакций живой клетки можно разделить на два типа: реакции синтеза (биосинтеза), с помощью которых осуществляется пластический обмен, и реакции расщепления - энергетический обмен.
Энергетический обмен состоит из трех этапов. Первый из них: ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЙ этап. На этом этапе крупные молекулы белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов расщепляются на более мелкие: глюкозу, глицерин, жирные кислоты, нуклеотиды. При этом выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде тепла.
Второй этап - бескислородный или АНАЭРОБНЫЙ . Этот этап можно рассмотреть на примере расщепления глюкозы. Обратите внимание на то, что при этом не используется кислород и образуется всего две молекулы АТФ . Необходимо учитывать, что в виде АТФ запасается всего 40% энергии, остальное рассеивается в виде тепла.
Третий этап - кислородный или АЭРОБНЫЙ . Особенность данного этапа состоит в том, что в реакциях гликолиза участвует кислород и образуется 36 молекул АТФ .
Имейте в виду, что в случаях большой надобности в энергии в клетках эукариот может идти процесс энергетического обмена только до второго этапа, то есть только анаэробный гликолиз.При изучении пластического обмена обратите внимание на то, в каких органоидах клетки происходит синтез тех или иных органических веществ (углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот).
ФОТОСИНТЕЗ -это процесс образования органических веществ из неорганических с помощью световой энергии. Исходными для фотосинтеза являются углекислый газ и вода, содержащие значительно меньше энергии, чем глюкоза. Следовательно, в процессе фотосинтеза солнечная энергия преобразуется в химическую. (Энергия переходит из одной формы в другую).Обратите внимание: процесс фотосинтеза имеет несколько ключевых моментов. Молекула хлорофилла содержит атом Mg. Электроны на внешних орбиталях металла неустойчивы. При ударе фотоном электрон вылетает из атома. Но в таком состоянии он долго существовать не может. Он должен вернуться на свое место, излучив предварительно энергию, полученную от фотона, или отдать ее. У растений в хлоропластах эта энергия не теряется. Она частично идет на синтез АТФ , но, самое важное, этот электрон идет на фотолиз воды. Образовавшиеся ионы водорода идут на синтез органических веществ, а кислород выделяется в атмосферу. Это реакции световой фазы. Следующая фаза условно получила название темновой. Это ряд ферментативных реакций, в процессе которых связывется углекислый газ и синтезируются углеводы. При этом расходуется энергия АТФ и атомы водорода.К реакциям биосинтеза относятся реакции синтеза белка. Перед изучением этой части темы повторите строение белков, строение и функции нуклеиновых кислот (ДНК и РНК ), принцип комплементарности (А-Т ,Ц-Г ).Биосинтез белка происходит при участии рибосом. Начинается этот сложный процесс с синтеза на молекуле ДНК молекулы и-РНК , который происходит в ядре. Далее и-РНК переносится из ядра к месту синтеза белка. Следует учесть - молекулы и-РНК строго индивидуальны и переносят информацию только об одном белке. Процесс синтеза и-РНК называется ТРАНСКРИПЦИЕЙ . В цитоплазме на и-РНК нанизывается одна или несколько рибосом. Процесс считывания информации и синтеза белка получил название ТРАНСЛЯЦИИ . Особую роль в трансляции играют т-РНК (транспортные РНК ), она обеспечивают соответствие информации и-РНК составу белка. При этом каждым трем нуклеотидам и-РНК соответствует одна аминокислота, соответствие достигается особенностью строения т-РНК . На одном конце прикрепляется аминокислота, а на другом находится триплет нуклеотидов, который соответствует данной аминокислоте. При биосинтезе белка строго соблюдается принцип комплементарности. На рибосоме фиксируется соответствие триплета и-РНК триплету т-РНК и фиксация аминокислоты, с последующим присоединением ее к синтезируемой цепочке белка По мере синтеза белковой нити она сворачивется сразу во вторичную и третичную структуру. Рибосома движется по и-РНК от триплета к триплету. Все реакции биосинтеза происходят при участии ферментов и с затратой энергии.
Схему биосинтеза белка можно кратко представить в следующем виде: ГЕН (участок ДНК ) - И-РНК - РИБОСОМЫ с участием Т-РНК - БЕЛОК .
В ЦЕЛОМ ПРОЦЕССЫ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ КЛЕТКИ (в отличие от обычных химических реакций) ХАРАКТЕРИЗУЮТСЯ СВОЕЙ НАПРАВЛЕННОСТЬЮ, ЧЕТКОЙ ЛОКАЛИЗАЦИЕЙ В КЛЕТКЕ, РАЗГРАНИЧЕННОСТЬЮ В ПРОСТРАНСТВЕ КЛЕТКИ ОДНОВРЕМЕННО ПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ СИНТЕЗА И РАСЩЕПЛЕНИЯ, ОГРОМНОЙ СКОРОСТЬЮ, МАТРИЧНЫМ СИНТЕЗОМ БИОПОЛИМЕРОВ.
Вопрос №2
Человек относится к классу млекопитающих, отряду приматов. Ближайшими эволюционными родственниками человека являются шимпанзе, гориллы и орангутанги. Это обусловливает очень большое сходство скелета человека со скелетами других млекопитающих, и особенно приматов.
Скелет человека, так же как скелеты других млекопитающих, состоит из позвоночника, черепа, грудной клетки, поясов конечностей и скелета собственно конечностей. Однако у человека лучше, чем у других млекопитающих, развит мозг, человек отличается способностью к труду и прямохождением. Эти особенности наложили отпечаток на строение скелета человека.
Сравнительный ряд скелетов, свидетельствующий о различии и сходстве в их строении:
1 – горилла; 2 – неандерталец; 3 – современный человек
Так, объем черепной полости человека больше, чем у любого животного с такими же размерами тела. Размеры лицевой части черепа у человека меньше, чем мозговой, а у животных – наоборот. Это связано с тем, что животные питаются сырой пищей, которую трудно измельчать, и поэтому они имеют большие челюсти и зубы, которые являются еще и органами защиты. Объем же мозга у животных относительно размеров тела гораздо меньше, чем у человека. Позвоночник у животных не имеет значительных изгибов, а у человека имеет 4 изгиба: шейный, грудной, поясничный и крестцовый. Эти изгибы появились в связи с прямохождением и обеспечивают позвоночнику упругость при ходьбе, беге, прыжках.
Грудная клетка у животных сжата спереди назад. У животных масса тела распределена между всеми четырьмя конечностями и таз не очень массивен. У человека вся масса тела опирается на нижние конечности, таз – широкий и прочный.
Скелет передних и задних конечностей у животных не очень сильно различается между собой. У человека кости нижних конечностей толще и прочнее, чем верхних. Имеются также сильные различия в строении стопы и кисти человека. Строение пальцев рук дает возможность человеку выполнять сложные виды работ.
Человек так же, как и другие млекопитающие, имеет зубы трех видов: клыки, резцы и коренные, однако число и форма этих зубов у человека и представителей других отрядов млекопитающих очень сильно различаются.
Сходство скелета человека и человекообразных обезьян является одним из доказательств того, что у человека имеются общие с этими обезьянами предки
Вопрос №3
Роль голосеменных в природе. Голосеменные образуют хвойные и смешанные леса, занимающие огромные площади. Они обогащают воздух кислородом, поэтому их часто называют «легкими планеты». Леса регулируют таяние снега, уровень воды в реках, поглощают шумы, ослабляют силу ветров, закрепляют пески. Лес – место обитания многих видов животных, которые питаются побегами, семенами, шишками хвойных растений.
Хвойные растения непрерывно выделяют в воздух большое количество фитонцидов (от греч. фитон и лат. цедо – убиваю) – веществ, угнетающих деятельность других организмов. Особенно интенсивно это происходит в еловых лесах. Так, по данным ученых, в 1 м3 воздуха хвойного леса содержится не более 500 клеток болезнетворных бактерий, тогда как городского – до 30–40 тыс. Поэтому в хвойных лесах размещают санатории и больницы для людей с заболеваниями дыхательной системы.
Голосеменные играют огромную роль хотя бы потому, что большая часть суши, покрытой растительностью, покрыта именно голосеменными - тайга. Это основной поставщик кислорода в биосфере, корм и убежище для животных, строительные материалы, топливо, бумага, сырье
Билет №7 Вопрос №1
Обмен веществ и энергии в клетке (Билет №6 Вопрос №1)
Характеристика процесса дыхания:
Клеточное или тканевое дыхание - совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов, в ходе которых происходит окисление углеводов, липидов и аминокислот до углекислого газа и воды.
Итак, клеточное дыхание происходит в клетке. Но где именно? Какая органелла осуществляет этот процесс?
Все этапы клеточного дыхания происходят в митохондриях. Как известно, основной продукт работы митохондрии - молекулы АТФ - синоним понятия «энергия» в биологии. Действительно, основным продуктом этого процесса является энергия, молекулы АТФ.
Постоянный обмен веществ с окружающей средой — одно из основных свойств живых систем. В клетках непрерывно идут процессы биосинтеза (ассимиляция, или пластический обмен), т. е. при участии ферментов из простых органических соединений образуются сложные: из аминокислот — белки, из моносахаридов — полисахариды, из нуклеотидов — нуклеиновые кислоты и т. д. Все процессы синтеза идут с поглощением энергии. Примерно с такой же скоростью идет и расщепление сложных молекул до более простых с выделением энергии (диссимиляция, или энергетический обмен). Благодаря этим процессам сохраняется относительное постоянство состава клеток. Синтезированные вещества используются для построения клеток и их органоидов и замены израсходованных или разрушенных молекул. При расщеплении высокомолекулярных соединений до более простых выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза.
Совокупность реакций ассимиляции и диссимиляции, лежащих в основе жизнедеятельности и обусловливающих связь организма с окружающей средой, называется обменом веществ.
Для реакций обмена характерна высокая организованность и упорядоченность. Каждая реакция протекает с участием специфических белков-ферментов. Они располагаются в основном на мембранах органоидов и в гиалоплазме клеток в строго определенном порядке, что обеспечивает необходимую последовательность реакций. Благодаря ферментным системам реакции обмена идут быстро и эффективно в обычных условиях — при температуре тела и нормальном давлении.
Пластический и энергетический обмены неразрывно связаны. Они являются противоположными сторонами единого процесса обмена веществ. Реакции биосинтеза нуждаются в затрате энергии, которая поставляется реакциями энергетического обмена. Для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный биосинтез ферментов и структур органоидов, которые в процессе жизнедеятельности постепенно разрушаются.
Процессы ассимиляции не всегда находятся в равновесии с процессами диссимиляции. Так, в растущем организме процессы ассимиляции преобладают над процессами диссимиляции, благодаря чему обеспечивается накопление веществ и рост организма. При интенсивной физической работе и в старости преобладают процессы диссимиляции. В первом случае это компенсируется усиленным питанием, а во втором происходит постепенное истощение и в конечном итоге гибель организма.
Энергетический обмен
Энергетический обмен — это совокупность реакций ферментативного расщепления сложных органических соединений, сопровождающихся выделением энергии. Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть аккумулируется в макроэргических связях АТФ и используется затем для обеспечения разнообразных процессов жизнедеятельности клетки: биосинтетических реакций, поступления веществ в клетку, проведения импульсов, сокращения мышц, выделения секретов и др.
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ, аденозинтрифосфат) является обязательным компонентом любой живой клетки. АТФ — мононуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, пятиуглеродного моносахарида рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, которые соединены друг с другом высокоэнергетическими (макроэргическими) связями. АТФ расщепляется под действием особых ферментов в процессе гидролиза — присоединения воды. При этом отщепляется молекула фосфорной кислоты и АТФ превращается в АДФ (аденозиндифосфат), а при последующем отщеплении фосфорной кислоты — в АМФ (аденозинмонофосфат). Отщепление одной молекулы фосфорной кислоты сопровождается выделением 40 кДж энергии. Обратный процесс превращения АМФ в АДФ и АДФ в АТФ происходит преимущественно в митохондриях путем присоединения молекул фосфорной кислоты с выделением воды и поглощением большего (более 40 кДж на каждый этап) количества энергии.
Выделяют три этапа энергетического обмена:
* подготовительный,
* бескислородный,
* кислородный.
Подготовительный этап протекает в пищеварительном тракте животных и человека или в цитоплазме клеток всех живых существ. На этом этапе крупные органические молекулы под действием ферментов расщепляются на мономеры: белки до аминокислот, жиры до глицерина и жирных кислот, крахмал и гликоген до моносахаридов, нуклеиновые кислоты до нуклеотидов. Распад веществ на этом этапе сопровождается выделением небольшого количества энергии, рассеивающейся в виде тепла.
Бескислородный (анаэробный) этап энергетического обмена протекает в цитоплазме клеток. Мономеры, образовавшиеся на первом этапе, подвергаются дальнейшему многоступенчатому расщеплению без участия кислорода. Например, при гликолизе (расщепление глюкозы, происходящее в животных клетках) одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты (С3Н4О3), которая в некоторых клетках, например мышечных, восстанавливается до молочной кислоты. При этом выделяется около 200 кДж энергии. Часть ее (около 80 кДж) идет на синтез двух молекул АТФ, а остальная (около 120 кДж) рассеивается в виде тепла. Суммарное уравнение этой реакции выглядит следующим образом:
С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 —> 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О.
В клетках растительных организмов и некоторых дрожжевых грибков распад глюкозы идет путем спиртового брожения. При этом пировиноградная кислота, образовавшаяся в процессе гликолиза, декарбоксилируется с образованием уксусного альдегида, а затем восстанавливается до этилового спирта.
Кислородный (аэробный) этап энергетического обмена имеет место только у аэробных организмов. Он заключается в дальнейшем окислении молочной (или пировиноградной) кислоты до конечных продуктов — СО2 и Н2О. Этот процесс протекает в митохондриях с участием ферментов и кислорода. На первых стадиях кислородного этапа от молочной кислоты постепенно отщепляются протоны и электроны, накапливающиеся по разные стороны внутренней мембраны митохондрии и создающие разность потенциалов. Когда она достигает критического значения, протоны, проходя по специальным каналам мембраны, в которых находятся ферменты, синтезирующие АТФ, отдают свою энергию для присоединения остатка фосфорной кислоты к АМФ или АДФ. Этот процесс сопровождается выделением энергии, достаточной для синтеза 36 молекул АТФ (1440 кДж). Уравнение кислородного этапа выглядит так:
2С3Н6О3 + 6O2 + 36Н3РO4 + 36АДФ —> 36АТФ + 6СО2 + 42Н2О.
Суммарное уравнение анаэробного и аэробного этапов энергетического обмена выглядит следующим образом:
C6H12O6 + 38АДФ + 38Н3РО4 + 6О2 —> 38АТФ + 6СО2 + 44Н2О.
Таким образом, в ходе второго и третьего этапов энергетического обмена при расщеплении одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. На это расходуется 1520 кДж (40 кДж * 38), а всего выделяется 2800 кДж энергии. Следовательно, 55 % энергии, высвобождаемой при расщеплении глюкозы, аккумулируется клеткой в молекулах АТФ, а 45 % рассеивается в виде тепла. Основную роль в обеспечении клеток энергией играет кислородный этап.
Аналогичным образом в энергетический обмен могут вступать белки и жиры. При расщеплении аминокислот помимо диоксида углерода и воды образуются азотсодержащие продукты (аммиак, мочевина), выводящиеся через выделительную систему.
Пластическим обменом называется совокупность реакций биологического синтеза, при котором из поступивших в клетку веществ образуются вещества, специфические для данной клетки. К пластическому обмену относится биосинтез белков, фотосинтез, синтез нуклеиновых кислот, жиров и углеводов.
Биосинтез белков
Осуществляется во всех клетках про- и эукариотических организмов, это неотъемлемое свойство живого. Информация о первичной структуре белковой молекулы, от которой зависят все остальные структуры и свойства, закодирована последовательностью нуклеотидов в соответствующем участке молекулы ДНК — гене. Так как информация о структуре молекулы белка находится в ядре, а его сборка идет в цитоплазме (в рибосомах), в клетке имеется посредник, копирующий и передающий эту информацию. Таким посредником является информационная РНК (и-РНК). Специальный фермент (РНК-полимераза) расщепляет двойную цепочку ДНК, и на одной из ее цепей по принципу комплементарности выстраиваются нуклеотиды РНК. Таким образом, синтезированная молекула и-РНК повторяет порядок нуклеотидов в ДНК, Этот процесс называется транскрипцией (переписыванием). Синтезированная таким способом (матричный синтез) молекула и-РНК выходит в цитоплазму, и на один ее конец нанизываются малые субъединицы рибосом.
Система записи генетической информации в ДНК (и-РНК) в виде определенной последовательности нуклеотидов называется генетическим кодом.
Свойства генетического кода:
* триплетность — одной аминокислоте в полипептидной цепочке соответствуют три расположенных рядом нуклеотида молекулы ДНК (и-РНК), называемые триплетом или кодоном;
* универсальность — одинаковые кодоны кодируют одну и ту же аминокислоту у всех живых организмов;
* неперекрываемость — один нуклеотид не может входить одновременно в состав нескольких кодонов;
* избыточность — одну аминокислоту могут кодировать несколько различных триплетов.
Следующий этап в биосинтезе белка — перевод последовательности нуклеотидов в молекуле и-РНК в последовательность аминокислот в полипептидной цепочке — трансляция. Транспортные РНК (т-РНК) «приносят» аминокислоты в рибосому. Молекула т-РНК имеет сложную конфигурацию. На некоторых участках ее между комплементарными нуклеотидами образуются водородные связи, и молекула по форме становится похожей на лист клевера. На его верхушке расположен триплет свободных нуклеотидов, которые по своему генетическому коду соответствуют данной аминокислоте (он называется антикодоном), а основание служит местом прикрепления этой аминокислоты. Каждая т-РНК может переносить только свою аминокислоту, следовательно, их 20, как и аминокислот. Т-РНК активируется специальными ферментами, после чего присоединяет свою аминокислоту и транспортирует ее в рибосому. Внутри рибосомы в каждый данный момент находится всего два кодона и-РНК. Если антикодон т-РНК является комплементарным кодону и-РНК, то происходит временное присоединение т-РНК с аминокислотой к и-РНК. Ко второму кодону присоединяется вторая т-РНК, несущая свою аминокислоту. Аминокислоты располагаются у активного центра большой субъединицы рибосомы, и с помощью ферментов между ними устанавливается пептидная связь. Одновременно разрушается связь между первой аминокислотой и ее т-РНК, и т-РНК уходит из рибосомы за следующей аминокислотой. Рибосома перемещается на один триплет, и процесс повторяется. Так постепенно наращивается молекула полипептида, в которой аминокислоты располагаются в строгом соответствии с порядком кодирующих их триплетов (матричный синтез). Часто на одну и-РНК нанизывается не одна рибосома, а несколько (такие структуры называются полисомами); при этом синтезируется несколько одинаковых белковых молекул.
После завершения синтеза белковая молекула отделяется от рибосомы и приобретает свойственную ей (вторичную, третичную или четвертичную) структуру. Биосинтез белка идет довольно быстро. За 1 с бактериальная рибосома образует полипептид из 20 аминокислот. Скорость биосинтеза зависит от активности ферментов, катализирующих процессы транскрипции и трансляции, от температуры, концентрации водородных ионов, наличия АТФ и свободных аминокислот и других факторов.
1 — т-РНК с аминокислотами, 2 — т-РНК, 3 — Аминокислота, 4 — Малая субъединица рибосомы, 5 — и-РНК, 6 — Кодон, 7 — Антикодон, 8 — Большая субъединица рибосомы
Следует подчеркнуть, что в клетках есть специальные механизмы, регулирующие активность генов, благодаря чему в каждый данный момент синтезируются только те белки, которые ей необходимы.
Фотосинтез
По типу питания живые организмы делятся на две группы — автотрофные и гетеротрофные.
Гетеротрофными называются организмы, не способные синтезировать органические вещества из неорганических и использующие в качестве пищи (источника энергии) готовые органические соединения. К гетеротрофам относится большинство бактерий, грибов и животных.
Автотрофными называются организмы, способные создавать из неорганических веществ органические, служащие строительным материалом и источником энергии. К ним относятся некоторые пигментированные бактерии и все зеленые растения. Автотрофные организмы подразделяются на хемосинтезирующие и фотосинтезирующие. Хемосинтезирующие организмы (бактерии) потребляют энергию, выделяющуюся при окислении некоторых неорганических веществ (например, нитрифицирующие бактерии последовательно окисляют аммиак до нитритов а затем нитриты до нитратов). Фотосинтезирующие организмы (зеленые растения) используют энергию света.
Зеленые растения способны при помощи пигмента хлорофилла, содержащегося в хлоропластах, преобразовывать световую энергию Солнца в энергию химических связей органических веществ. В частности, из энергетически бедных веществ СО2 и Н2О они синтезируют богатые энергией углеводы и выделяют кислород. Этот процесс называется фотосинтезом. Он протекает в две фазы: световую и темновую.
Процесс фотосинтеза начинается с момента освещения хлоропласта видимым светом. При поглощении молекулой хлорофилла кванта света один из ее электронов переходит в «возбужденное» состояние и поднимается на более высокий энергетический уровень. Одновременно под действием света происходит фотолиз воды с образованием ионов Н+ и ОН-. Возбужденный электрон присоединяется к иону водорода (Н+), восстанавливая его до атома (Н). Далее атомы водорода соединяются с никотинамидадениндинуклеотидфосфатом (НАДФ) и восстанавливают его до НАДФН2. Ионы гидроксила, оставшись без противоионов Н+, отдают свои электроны и превращаются в свободные радикалы ОН, которые, взаимодействуя друг с другом, образуют воду и свободный кислород:
4ОН —> 2Н2О + О2
Электроны гидроксильных групп возвращаются в молекулу хлорофилла на место возбужденных. В процессе переходов протоны и электроны накапливаются по разные стороны мембраны граны хлоропласта (протоны на внутренней, а электроны на наружной поверхности) и создают разность потенциалов. Когда разность потенциалов достигает критического уровня, протоны проходят по специальным каналам мембран, в которых находятся ферменты, синтезирующие АТФ. Энергия протонов и электронов используется ферментами для присоединения остатка фосфорной кислоты к АМФ или АДФ. Таким образом, в световую фазу фотосинтеза, которая протекает в гранах хлоропластов только на свету, происходят следующие процессы: фотолиз воды с выделением кислорода, восстановление НАДФН2 и синтез АТФ.
В темновую фазу фотосинтеза накопленная в световую фазу энергия используется для синтеза моносахаридов из диоксида углерода (поступает из воздуха через устьица) и водорода (отсоединяется от НАДФH2) путем сложных ферментативных реакций. В итоге получается:
6СO2 + 24Н —> С6Н12O6 + 6Н2O.
В дальнейшем могут образовываться ди-, полисахариды и другие органические соединения (аминокислоты, жирные кислоты и др.). Этот процесс не требует прямого участия света, поэтому его называют темновой фазой фотосинтеза. Он протекает в строме хлоропластов как на свету, так и в темноте. Коэффициент полезного действия фотосинтеза достигает 60 %.
Значение фотосинтеза огромно. Это главный процесс, протекающий в биосфере. Энергия Солнца аккумулируется в химических связях органических соединений, которые идут на питание всех гетеротрофов. При этом атмосфера обогащается кислородом и очищается от избытка диоксида углерода.
