Metabolismul substanțelor și energiei (metabolismul) are loc la toate nivelurile corpului: celular, tisular și organism. Oferă consistență mediu intern organism – homeostazia – în condiții de existență în continuă schimbare. Două procese au loc simultan în celulă - metabolismul plastic (anabolism sau asimilare) și metabolismul energetic (fatabolism sau disimilare).
Metabolismul plastic este un set de reacții de biosinteză sau crearea de molecule complexe din cele simple. Celula sintetizează constant proteine din aminoacizi, grăsimi din glicerol și acizi grași, carbohidrați din monozaharide, nucleotide din baze azotate și zaharuri. Aceste reacții necesită energie. Energia folosită este eliberată prin schimbul de energie. Metabolismul energetic este un set de reacții pentru descompunerea complexului compusi organici la molecule mai simple. O parte din energia eliberată în acest caz merge către sinteza moleculelor de ATP (acid adenozin trifosforic) bogate în legături energetice. Despică materie organică efectuate în citoplasmă și mitocondrii cu participarea oxigenului. Reacțiile de asimilare și de disimilare sunt strâns legate între ele și de mediul extern. Organismul primește nutrienți din mediul extern. În Mediul extern se eliberează substanțe reziduale.
Enzimele (enzimele) sunt proteine specifice, catalizatori biologici care accelerează reacțiile metabolice în celulă. Toate procesele dintr-un organism viu sunt efectuate direct sau indirect cu participarea enzimelor. O enzimă catalizează o singură reacție sau acționează asupra unui singur tip de legătură. Acest lucru asigură reglarea fină a tuturor proceselor vitale (respirație, digestie, fotosinteză etc.) care au loc în celulă sau corp. În molecula fiecărei enzime există un loc care face contact între moleculele enzimei și o substanță specifică (substrat). Centrul activ al enzimei este o grupare funcțională (de exemplu, OH - grupa serină) sau un aminoacid separat.
Viteza reacțiilor enzimatice depinde de mulți factori: temperatura, presiunea, aciditatea mediului, prezența inhibitorilor etc.
Etape ale metabolismului energetic:
- pregătitoare- apare în citoplasma celulelor. Sub acțiunea enzimelor, polizaharidele sunt descompuse în monozaharide (glucoză, fructoză etc.), grăsimile sunt descompuse în glicerol și acizi grași, proteinele în aminoacizi și acizii nucleici în nucleotide. În același timp, nu iese în evidență un numar mare de energie care este disipată sub formă de căldură.
- Fara oxigen(respirație anaerobă sau glicoliză) - descompunerea în mai multe etape a glucozei fără participarea oxigenului. Se numește fermentație. În muşchi, ca urmare a respiraţiei anaerobe, o moleculă de glucoză se descompune în două molecule de acid liruvic (C 3 H 4 O 3), care sunt apoi reduse la acid lactic (C 3 H 6 O 3). Acidul fosforic și ADP sunt implicate în descompunerea glucozei.
Ecuația generală pentru această etapă: C 6 H 12 O 6 + 2H 3 PO 4 + 2ADP -> 2C 3 H 6 O 3 + 2ATP + 2H 2 O
În ciupercile de drojdie, se transformă o moleculă de glucoză fără participarea oxigenului etanolși dioxid de carbon (fermentație alcoolică). La alte microorganisme, glicoliza poate duce la formarea de acetonă, acid acetic etc. Descompunerea unei molecule de glucoză produce două molecule de ATP, în legăturile cărora este stocată 40% din energie, restul de energie este disipată în forma căldurii.
- Respirația cu oxigen- stadiul respirației aerobe sau clivajului cu oxigen, care are loc pe pliurile membranei interne a mitocondriilor - cristae. În această etapă, substanțele din etapa anterioară sunt descompuse în produșii finali de descompunere - apă și dioxid de carbon. Ca urmare a descompunerii a două molecule de acid lactic, se formează 36 de molecule de ATP. Condiția principală pentru cursul normal al defalcării oxigenului este integritatea membranelor mitocondriale. Respirația cu oxigen este pasul principal în furnizarea celulelor cu oxigen. Este de 20 de ori mai eficient decât stadiul fără oxigen.
Ecuația generală pentru divizarea oxigenului este: 2C 3 H 6 0 3 + 60 2 + 36H 3 PO 4 + 36ADP -> 6CO 2 + 38H 2 O + 36ATP
Conform metodei de obținere a energiei, toate organismele sunt împărțite în două grupe - autotrofe și heterotrofe.
Metabolismul energetic în celulele aerobe ale plantelor, ciupercilor și animalelor se desfășoară în același mod. Acest lucru indică relația lor. Numărul de mitocondrii din celulele țesuturilor variază, depinde de activitatea funcțională a celulelor. De exemplu, există multe mitocondrii în celulele musculare.
Descompunerea grăsimilor în glicerol și acizi grași este efectuată de enzime - lipaze. Proteinele sunt mai întâi descompuse în oligopeptide și apoi în aminoacizi.
Enzime (din latinescul „fermentum” - fermentație, drojdie), enzime, proteine specifice care măresc viteza de curgere reacții chimiceîn celulele tuturor organismelor vii. După natura chimică - proteine care au activitate optimă la un anumit pH, prezența coenzimelor și cofactorilor necesari și absența inhibitorilor. Enzimele sunt numite și biocatalizatori prin analogie cu catalizatorii din chimie. Fiecare tip de enzimă catalizează transformarea anumitor substanțe (substraturi), uneori doar o singură substanță într-o singură direcție. Prin urmare, numeroase reacții biochimice în celule sunt efectuate de un număr mare de enzime diferite. Ele sunt împărțite în 6 clase: oxidoreductaze, transferaze, hidrolaze, lază, izomeraze și ligaze. Multe enzime au fost izolate din celulele vii și obținute sub formă cristalină (pentru prima dată în 1926).
Rolul enzimelor în organism
Enzimele sunt implicate în toate procesele metabolice și în implementarea informației genetice. Digestia și absorbția nutrienților, sinteza și descompunerea proteinelor, acizi nucleici, grăsimi, carbohidrați și alți compuși din celulele și țesuturile tuturor organismelor - toate aceste procese sunt imposibile fără participarea enzimelor. Orice manifestare a funcțiilor unui organism viu - respirație, contracție musculară, activitate neuropsihică, reproducere etc. - este asigurată de acțiunea enzimelor. Caracteristicile individuale ale celulelor care îndeplinesc anumite funcții sunt în mare măsură determinate de un set unic de enzime, a căror producție este programată genetic. Absența chiar și a unei enzime sau a unui defect al acesteia poate duce la grave consecințe negative pentru corp.
Proprietățile catalitice ale enzimelor
Enzimele sunt cei mai activi dintre toți catalizatorii cunoscuți. Majoritatea reacțiilor din celulă au loc de milioane și miliarde de ori mai repede decât dacă ar avea loc în absența enzimelor. Astfel, o moleculă a enzimei catalaze este capabilă să transforme până la 10 mii de molecule de peroxid de hidrogen, toxic pentru celule, formate în timpul oxidării diferiților compuși, în apă și oxigen într-o secundă. Proprietățile catalitice ale enzimelor se datorează capacității lor de a reduce semnificativ energia de activare a compușilor care reacționează, adică, în prezența enzimelor, este necesară mai puțină energie pentru a „porni” o anumită reacție.
Istoria descoperirii enzimelor
Procesele care au loc cu participarea enzimelor sunt cunoscute omului din cele mai vechi timpuri, deoarece prepararea pâinii, brânzei, vinului și oțetului se bazează pe procese enzimatice. Dar abia în 1833, pentru prima dată, din boabele de orz germinate a fost izolată o substanță activă, care a transformat amidonul în zahăr și a fost numită diastază (acum această enzimă se numește amilază). La sfârşitul secolului al XIX-lea. S-a dovedit că sucul obținut prin măcinarea celulelor de drojdie conține un amestec complex de enzime care asigură procesul de fermentație alcoolică. Din acel moment, a început studiul intensiv al enzimelor - structura și mecanismul lor de acțiune. Deoarece rolul biocatalizei a fost relevat în studiul fermentației, cu acest proces au fost asociate două consacrate cu secolul al XIX-lea. denumirile sunt „enzimă” (tradusă din greacă „din drojdie”) și „enzimă”. Adevărat, ultimul sinonim este folosit numai în literatura în limba rusă, deși direcția științifică implicată în studiul enzimelor și proceselor cu participarea lor se numește în mod tradițional enzimologie. În prima jumătate a secolului XX. s-a stabilit că, prin natura chimică, enzimele sunt proteine, iar în a doua jumătate a secolului pentru multe sute de enzime a fost deja determinată secvența reziduurilor de aminoacizi, structura spatiala. În 1969 a fost implementat pentru prima dată sinteza chimica enzimă ribonuclează. S-au făcut progrese extraordinare în înțelegerea mecanismului de acțiune al enzimelor.
Localizarea enzimelor în organism
Într-o celulă, unele enzime sunt localizate în citoplasmă, dar mai ales enzimele sunt asociate cu anumite structuri celulare, unde își exercită acțiunea. În nucleu, de exemplu, există enzime responsabile de replicare - sinteza ADN-ului (ADN polimerază), iar pentru transcripția acestuia - formarea ARN (ARN polimerază). Mitocondriile conțin enzime responsabile de stocarea energiei; lizozomii conțin majoritatea enzimelor hidrolitice implicate în descompunerea acizilor nucleici și a proteinelor.
Condiții de acțiune a enzimelor
Toate reacțiile care implică enzime apar în principal într-un mediu neutru, ușor alcalin sau ușor acid. Cu toate acestea, activitatea maximă a fiecărei enzime individuale are loc la valori ale pH-ului strict definite. Pentru acțiunea majorității enzimelor la animalele cu sânge cald, temperatura cea mai favorabilă este de 37-40oC. La plante, la temperaturi sub 0o C, acţiunea enzimelor nu se opreşte complet, deşi activitatea vitală a plantelor este redusă brusc. Procesele enzimatice, de regulă, nu pot avea loc la temperaturi peste 70o C, deoarece enzimele, ca orice proteine, sunt supuse denaturarii termice (distrugerea structurală).
Dimensiunile enzimelor și structura lor
Greutatea moleculară a enzimelor, ca toate celelalte proteine, se află în intervalul 10 mii - 1 milion (dar poate fi mai mult). Ele pot consta din unul sau mai multe lanţuri polipeptidice şi pot fi reprezentate proteine complexe. Acesta din urmă, împreună cu componenta proteică (apoenzima), include compuși cu molecul scăzut - coenzime (cofactori, coenzime), inclusiv ioni metalici, nucleotide, vitamine și derivații acestora. Unele enzime se formează sub formă de precursori inactivi (proenzime) și devin active după anumite modificări ale structurii moleculei, de exemplu, după scindarea unui fragment mic din aceasta. Acestea includ enzimele digestive tripsina și chimotripsina, care sunt sintetizate de celulele pancreatice sub formă de precursori inactivi (tripsinogen și chimotripsinogen) și devin active în intestinul subtire ca parte a sucului pancreatic. Multe enzime formează așa-numitele complexe enzimatice. Astfel de complexe, de exemplu, sunt încorporate în membranele celulelor sau organelelor celulare și sunt implicate în transportul de substanțe.
Substanța în curs de transformare (substrat) se leagă de o parte specifică a enzimei, centrul activ, care este format din lanțuri laterale de aminoacizi, adesea localizate în secțiuni ale lanțului polipeptidic care sunt semnificativ îndepărtate unele de altele. De exemplu, centrul activ al moleculei de chimotripsină este format din resturi de histidină situate în lanțul polipeptidic la poziția 57, serină la poziția 195 și acidul aspartic la poziția 102 (în total sunt 245 de aminoacizi în molecula de chimotripsină). Astfel, aranjarea complexă a lanțului polipeptidic în molecula proteică - enzimă oferă posibilitatea ca mai multe lanțuri laterale de aminoacizi să apară în mod strict. anumit locși la o anumită distanță unul de celălalt. Coenzimele fac, de asemenea, parte din centrul activ (partea proteică și componenta neproteică separat nu au activitate enzimatică și dobândesc proprietățile unei enzime numai atunci când sunt combinate împreună).
Procese care implică enzime
Majoritatea enzimelor sunt caracterizate de o specificitate ridicată (selectivitate) de acțiune, atunci când conversia fiecărui reactant (substrat) într-un produs de reacție este efectuată de o enzimă specială. În acest caz, acțiunea enzimei poate fi limitată strict la un singur substrat. De exemplu, enzima ureaza, care este implicată în descompunerea ureei în amoniac și dioxid de carbon, nu reacționează la metiluree, care este similară ca structură. Multe enzime acționează asupra mai multor compuși înrudiți structural sau asupra unui tip de legătură chimică (de exemplu, fosfatazele enzimatice care scindează legătura fosfodiesterică). Enzima își desfășoară acțiunea prin formarea unui complex enzimă-substrat, care apoi se descompune pentru a forma produșii reacției enzimatice și eliberează enzima. Ca urmare a formării complexului enzimă-substrat, substratul își schimbă configurația; în acest caz, legătura enzimă-chimică convertită este slăbită și reacția decurge cu o cheltuială inițială de energie mai mică și, prin urmare, cu o viteză mult mai mare. Viteza unei reacții enzimatice este măsurată prin cantitatea de substrat convertită pe unitatea de timp sau cantitatea de produs format. Multe reacții enzimatice, în funcție de concentrația substratului și a produsului de reacție în mediu, pot avea loc atât în direcția înainte, cât și în cea inversă (un exces de substrat deplasează reacția către formarea produsului, în timp ce cu acumularea excesivă a din urmă, va avea loc sinteza substratului). Aceasta înseamnă că reacțiile enzimatice pot fi reversibile. De exemplu, anhidraza carbonică din sânge transformă dioxidul de carbon provenit din țesuturi în acid carbonic (H2CO3), iar în plămâni, dimpotrivă, catalizează conversia acidului carbonic în apă și dioxid de carbon, care este îndepărtat în timpul expirației. Cu toate acestea, trebuie amintit că enzimele, ca și alți catalizatori, nu pot schimba echilibrul termodinamic al unei reacții chimice, ci doar accelerează semnificativ atingerea acestui echilibru.
Nomenclatura numelor enzimelor
Când numiți o enzimă ca bază, luați numele substratului și adăugați sufixul „aza”. Așa au apărut, în special, proteinazele - enzime care descompun proteinele (proteinele), lipazele (descompun lipidele sau grăsimile) etc. Unele enzime au primit denumiri speciale (triviale), de exemplu, enzime digestive - pepsină, chimotripsină și tripsina .
Câteva mii de reacții metabolice diferite au loc în celulele corpului și, prin urmare, există același număr de enzime. Pentru a aduce o astfel de diversitate în sistem, a fost adoptat un acord internațional privind clasificarea enzimelor. În conformitate cu acest sistem, toate enzimele, în funcție de tipul de reacții pe care le catalizează, au fost împărțite în șase clase principale, fiecare dintre acestea incluzând un număr de subclase. În plus, fiecare enzimă a primit un număr de cod din patru cifre (cifr) și un nume care indică reacția pe care o catalizează enzima. Enzime care catalizează aceeași reacție în organisme tipuri diferite, pot diferi semnificativ unele de altele în structura lor proteică, dar în nomenclatură au denumirea comunăși un număr de cod.
Boli asociate cu producerea afectată de enzime
Absența sau scăderea activității oricărei enzime (de multe ori activitate excesivă) la om duce la dezvoltarea unor boli (enzimopatii) sau moartea organismului. Astfel, o boală moștenită a copiilor - galactozemia (conduce la retard mintal) - se dezvoltă ca urmare a unei încălcări a sintezei enzimei responsabile de transformarea galactozei în glucoză ușor digerabilă. Cauza unei alte boli ereditare - fenilcetonurie, însoțită de tulburare activitate mentala, este pierderea capacității celulelor hepatice de a sintetiza enzima care catalizează conversia aminoacidului fenilalanină în tirozină. Determinarea activității multor enzime din sânge, urină, cefalorahidian, seminal și alte fluide corporale este utilizată pentru a diagnostica o serie de boli. Folosind această analiză a serului de sânge, este posibil să se detecteze stadiu timpuriu infarct miocardic, hepatită virală, pancreatită, nefrită și alte boli.
Utilizarea umană a enzimelor
Deoarece enzimele își păstrează proprietățile în afara corpului, ele sunt utilizate cu succes în diverse industrii. De exemplu, enzima proteolitică de papaya (din suc de papaya) - în prepararea berii, pentru înmuierea cărnii; pepsină - în producția de cereale „gata preparate” și ca produs medicinal; tripsină - în producția de produse alimentare pentru copii; renin (cheag din stomacul unui vițel) - în fabricarea brânzeturilor. Catalaza este utilizată pe scară largă în industria alimentară și a cauciucului, iar celulazele și pectidazele care descompun polizaharidele sunt folosite pentru a clarifica sucurile de fructe. Enzimele sunt necesare în stabilirea structurii proteinelor, acizilor nucleici și polizaharidelor, în Inginerie genetică etc Cu ajutorul enzimelor se obtine medicamenteleși compuși chimici complecși.
A fost descoperită capacitatea unor forme de acizi ribonucleici (ribozime) de a cataliza reacții individuale, adică de a acționa ca enzime. Poate că, în timpul evoluției lumii organice, ribozimele au servit ca biocatalizatori înainte ca funcția enzimatică să fie transferată la proteine mai potrivite pentru a îndeplini această sarcină.
Tine minte!
Ce este metabolismul?
(din grecescul μεταβολή - „transformare, schimbare”) sau metabolism - un set de reacții chimice care apar într-un organism viu pentru a menține viața. Aceste procese permit organismelor să crească și să se reproducă, să-și mențină structurile și să răspundă la influențele mediului.
În ce două procese interconectate constă?
Metabolismul energetic și metabolismul plastic
Unde în corpul uman se descompun majoritatea substanțelor organice din alimente?
Inițial, în tractului digestiv, apoi în celule și organele lor (mitocondrii, citoplasmă).
Revizuiți întrebările și temele
1. Ce este disimilarea? Enumerați etapele acesteia.
Setul de reacții de descompunere a compușilor cu molecule înalte, care sunt însoțite de eliberarea și stocarea energiei, se numește schimb de energie sau disimilare. Energia este stocată în principal sub formă de compus universal cu consum mare de energie - ATP.
1) pregătitoare
2) Oxidare fără oxigen
3) Oxidarea oxigenului
2. Care este rolul ATP-ului în metabolismul celular?
Acidul adenozin trifosforic (ATP) este o nucleotidă formată dintr-o bază azotată (adenină), zahăr riboză și trei resturi de acid fosforic (Fig. 53). ATP este principala moleculă de energie a celulei, un fel de acumulator de energie. Toate procesele din organismele vii care necesită consum de energie sunt însoțite de conversia moleculei de ATP în ADP (acid adenozin difosforic). Când reziduul de acid fosforic este eliminat, se eliberează o cantitate mare de energie - 40 kJ/mol. Există două astfel de legături de înaltă energie (așa-numitele de înaltă energie) în molecula de ATP. Restaurarea structurii ATP din ADP și acid fosforic are loc în mitocondrii și este însoțită de absorbția de energie.
3. Ce structuri celulare realizează sinteza ATP?
Mitocondriile
4. Povestește-ne despre metabolismul energetic într-o celulă folosind exemplul defalcării glucozei.
1) Etapa pregătitoare Descompunerea carbohidraților are loc în tractul digestiv la un simplu carbohidrat - glucoză, în timp ce puțină energie este eliberată și este disipată în organism sub formă de căldură.
2) Etapa lipsită de oxigen a descompunerii glucozei este glicoliza (oxidarea anaerobă). Etapa are loc în citoplasmă în absența oxigenului liber. Glucoză C6H12O6 acid piruvic (PVA) C3H4O3. Glucoza este descompusă în PVK cu eliberarea de 4ATP. 2ATP este apoi utilizat în această etapă pentru a transforma în continuare PVA în acid lactic. Și ca rezultat, în a doua etapă, 2ATP este eliberat.
3) Oxidarea oxigenului – oxidare aerobă (sau respirație celulară). Etapa în urma căreia acidul lactic este descompus sub influența oxigenului molecular până la produșii finali de descompunere - dioxid de carbon și apă. Apare în mitocondriile de pe lanțul respirator al enzimelor, care sunt situate pe cresta mitocondriilor. Ca urmare a acestei etape, se eliberează 36 ATP. Astfel, în două etape - cu oxidarea completă a 1 mol de glucoză (1 moleculă), se eliberează 38 ATP (2ATP + 36ATP). Sinteza finală și rezerva de ATP se realizează în mitocondrii - aceste organele sunt numite centre energetice ale celulei.
6. Sinonime pentru cuvintele „disimilare” și „asimilare” sunt termenii „catabolism” și „anabolism”. Explicați originea acestor termeni.
Catabolism (din grecescul Καταβολή, „deversare, distrugere”) sau metabolism energetic sau disimilare - procesul de dezintegrare metabolică, descompunere în mai multe substanțe simple(diferențierea) sau oxidarea unei substanțe, care apare de obicei cu eliberarea de energie sub formă de căldură și sub formă de ATP. Anabolismul (din grecescul ἀναβολή, „ascensiune”) este numele dat tuturor proceselor de creare a unor noi substanțe, celule și țesuturi ale corpului. Exemple de anabolism: sinteza proteinelor și hormonilor în organism, crearea de noi celule, acumularea de grăsime, crearea de noi fibre musculare - totul este anabolism.
Gândi! Tine minte!
Deoarece în celule toți compușii organici sunt legați între ei prin metaboliții principali (PVC, acetil-CoA) prin care unele substanțe organice pot fi transformate în exces în altele. De exemplu, excesul de carbohidrați se transformă în grăsimi.
Energia care este eliberată în timpul metabolismului energetic merge către procesele din metabolismul plastic. Și substanțele din metabolismul plastic sunt descompuse în metabolismul energetic.
3. De ce crezi că după o muncă fizică grea, pentru a calma rapid durerile musculare, este recomandat să faci o baie caldă?
Durerea musculară determină acumularea de acid lactic în timpul glicolizei, concentrarea acestuia acționează asupra receptorilor, iritându-i, provocând o senzație de arsură. Pentru a elimina acest efect, este necesar un jet de sânge cu oxigen, oxigen pentru a descompune acidul lactic în produsele finale de descompunere. O modalitate este să faci o baie caldă. În același timp, corpul se încălzește, vasele se dilată și sângele cu oxigen curge și hrănește toți mușchii, astfel acidul lactic este oxidat în dioxid de carbon și apă, eliminat. senzații dureroaseîn muşchi.
Conținutul principal al subiectului este conceptul de metabolism ca ansamblu de reacții chimice care asigură creșterea, activitatea vitală, reproducerea și contactul și schimbul constant cu mediu inconjurator. Toate reacțiile chimice ale unei celule vii pot fi împărțite în două tipuri: reacții de sinteză (biosinteză), cu ajutorul cărora se realizează schimbul plastic și reacții de scindare - schimb de energie.
Metabolismul energetic este format din trei etape. Primul: PREGĂTITOR etapă. În această etapă, moleculele mari de proteine, acizi nucleici, grăsimi, carbohidrați sunt descompuse în altele mai mici: glucoză, glicerol, acizi grași, nucleotide. Aceasta eliberează o cantitate mică de energie, care este disipată sub formă de căldură.
A doua etapă este fără oxigen sau ANAEROB. Această etapă poate fi luată în considerare folosind exemplul defalcării glucozei. Rețineți că acesta nu utilizează oxigen și produce doar două molecule. ATP. Trebuie avut în vedere că în formular ATP Doar 40% din energie este stocată, restul este disipată sub formă de căldură.
A treia etapă este oxigenul sau AEROBIC. Particularitate această etapă este că oxigenul participă la reacțiile de glicoliză și se formează 36 de molecule ATP.
Rețineți că, în cazurile de mare nevoie de energie în celulele eucariote, procesul de metabolism energetic poate continua doar până la a doua etapă, adică numai glicoliza anaerobă a anumitor substante organice apare (glucide, grasimi, proteine, acizi nucleici).
FOTOSINTEZĂ este procesul de formare a substanțelor organice din cele anorganice folosind energia luminoasă. Materiile prime pentru fotosinteză sunt dioxidul de carbon și apa, care conțin mult mai puțină energie decât glucoza. În consecință, în timpul procesului de fotosinteză, energia solară este transformată în energie chimică. (Energia se schimbă de la o formă la alta.) Vă rugăm să rețineți: procesul de fotosinteză are mai multe puncte cheie. Molecula de clorofilă conține un atom de Mg. Electronii din orbitalii exteriori ai unui metal sunt instabili. Când este lovit de un foton, un electron este ejectat din atom. Dar el nu poate exista mult timp în această stare. Trebuie să se întoarcă la locul său, după ce a emis în prealabil energia primită de la foton, sau să o dea departe. La plante, această energie nu se pierde în cloroplaste. Este parțial utilizat pentru sinteză ATP, dar, cel mai important, acest electron merge la fotoliza apei. Ionii de hidrogen rezultați sunt utilizați pentru sinteza substanțelor organice, iar oxigenul este eliberat în atmosferă. Acestea sunt reacții în fază ușoară. Următoarea fază se numește în mod convențional întuneric. Aceasta este o serie de reacții enzimatice în care dioxidul de carbon este legat și carbohidrații sunt sintetizați. Aceasta consumă energie ATPși atomii de hidrogen reacțiile de biosinteză includ reacții de sinteză a proteinelor. Înainte de a studia această parte a subiectului, revizuiți structura proteinelor, structura și funcțiile acizilor nucleici ( ADNȘi ARN), principiul complementarității ( LA,C-G).Biosinteza proteinelor are loc cu participarea ribozomilor. Acest proces complex începe cu sinteza pe o moleculă ADN molecule ARNm, care apare în nucleu. Mai departe ARNm transportat de la nucleu la locul sintezei proteinelor. Vă rugăm să rețineți - molecule ARNm sunt strict individuale și poartă informații despre o singură proteină. Proces de sinteză ARNm numit TRANSCRIERE. În citoplasmă ARNm unul sau mai mulți ribozomi sunt înșirați împreună. Procesul de citire a informațiilor și sinteza proteinelor se numește EMISIUNI. Joacă un rol deosebit în difuzare ARNt(transport ARN), acestea asigură coerența informațiilor ARNm compozitia proteinelor. Mai mult, la fiecare trei nucleotide ARNm un aminoacid corespunde, corespondența se realizează printr-o caracteristică structurală ARNt. Un aminoacid este atașat la un capăt, iar la celălalt există un triplet de nucleotide care corespunde acelui aminoacid. În timpul biosintezei proteinelor, principiul complementarității este strict respectat. Corespondența tripletului este fixată pe ribozom ARNm triplet ARNtși fixarea aminoacidului, urmată de atașarea acestuia la lanțul proteic sintetizat pe măsură ce catena proteică este sintetizată, aceasta se pliază imediat într-o structură secundară și terțiară. Ribozomul se deplasează ARNm de la triplet la triplet. Toate reacțiile de biosinteză au loc cu participarea enzimelor și cu cheltuirea energiei.
Schema de biosinteză a proteinelor poate fi prezentată pe scurt după cum urmează: GENĂ(complot ADN) - I-ARN - RIBOZOMI cu T-ARN - PROTEINĂ.
ÎN PROCESELE GENERALE DE METABOLISM CELULAR(spre deosebire de reacțiile chimice obișnuite) SE CARACTERIZAȚI PRIN DIRECȚIA LOR, LOCALIZAREA CLARĂ ÎN CELULĂ, DELIMITAREA ÎN SPAȚIUL CELULEI A PROCESELOR DE SINTEZĂ ȘI DIVIZIUNE ÎN CARE SE APAR SIMULTAN, VITEZĂ INCREDIBILĂ, SINTEZĂ MATRICALĂ A BIOPOLIMERILOR.
Întrebarea nr. 2
Omul aparține clasei mamiferelor, ordinului primatelor. Rudele evolutive cele mai apropiate ale oamenilor sunt cimpanzeii, gorilele și urangutanii. Acest lucru face ca scheletul uman să fie foarte asemănător cu scheletele altor mamifere și în special cu cele ale primatelor.
Scheletul uman, ca și scheletele altor mamifere, este format din coloana vertebrală, craniul, pieptul, brâurile membrelor și scheletul membrelor în sine. Cu toate acestea, oamenii au un creier mai dezvoltat decât alte mamifere. Aceste caracteristici și-au pus amprenta asupra structurii scheletului uman.
O serie comparativă de schelete, indicând diferențele și asemănările în structura lor:
1 – gorilă; 2 – Neanderthal; 3 – omul modern
Astfel, volumul cavității craniene umane este mai mare decât cel al oricărui animal cu aceeași dimensiune a corpului. Dimensiunile părții faciale a craniului la oameni sunt mai mici decât creierul, dar la animale este invers. Acest lucru se datorează faptului că animalele mănâncă hrană crudă, care este greu de măcinat și, prin urmare, au fălci și dinți mari, care sunt și organe de protecție. Volumul creierului animalelor în raport cu dimensiunea corpului este mult mai mic decât cel al oamenilor. Coloana vertebrală la animale nu are curbe semnificative, dar la om are 4 curburi: cervicală, toracică, lombară și sacră. Aceste curbe au apărut în legătură cu mersul vertical și oferă elasticitate coloanei vertebrale la mers, alergare și sărituri.
Cutia toracică la animale este comprimat din față în spate. La animale, greutatea corporală este distribuită între toate cele patru membre, iar pelvisul nu este foarte masiv. La om, întreaga greutate a corpului se sprijină pe membrele inferioare, pelvisul este larg și puternic.
Scheletul membrelor anterioare și posterioare ale animalelor nu diferă foarte mult unul de celălalt. La om, oasele extremităților inferioare sunt mai groase și mai puternice decât cele ale extremităților superioare. Există, de asemenea, diferențe puternice în structura piciorului și mâinii umane. Structura degetelor permite unei persoane să performeze specii complexe lucrări
Oamenii, ca și alte mamifere, au trei tipuri de dinți: canini, incisivi și molari, dar numărul și forma acestor dinți la oameni și reprezentanții altor ordine de mamifere variază foarte mult.
Asemănări între scheletul uman și maimuțe minunate este una dintre dovezile că oamenii au strămoși comuni cu aceste maimuțe
Întrebarea #3
Rolul gimnospermelor în natură. Gimnospermele formează conifere și păduri mixte, ocupând suprafețe uriașe. Ele îmbogățesc aerul cu oxigen, motiv pentru care sunt adesea numite „ plămânii planetei" Pădurile reglează topirea zăpezii, nivelul apei în râuri, absorb zgomotul, slăbesc forța vântului și fixează nisipul. Pădurea este habitatul multor specii de animale care se hrănesc cu lăstari, semințe și conuri de plante conifere.
Plante conifere Ei eliberează continuu cantități mari de fitoncide în aer (din grecescul phyton și lat. tsedo - ucid) - substanțe care inhibă activitatea altor organisme. Acest lucru se întâmplă mai ales intens în pădurile de molid. Astfel, conform oamenilor de știință, 1 m3 de aer de pădure de conifere nu conține mai mult de 500 de celule de bacterii patogene, în timp ce aerul urban conține până la 30-40 de mii păduri de conifere găzduiește sanatorie și spitale pentru persoanele cu boli respiratorii.
Gimnospermele joacă un rol uriaș, fie și numai pentru că cea mai mare parte a terenului acoperit cu vegetație este acoperită cu gimnosperme - taiga. Este principalul furnizor de oxigen în biosferă, hrană și adăpost pentru animale, materiale de construcție, combustibil, hârtie, materii prime
Biletul nr. 7 Întrebarea nr. 1
Metabolismul și energia în celulă (Biletul nr. 6 Întrebarea nr. 1)
Caracteristicile procesului respirator:
Celularsau respirația tisulară- un set de reactii biochimice care au loc in celulele organismelor vii, in timpul carora are loc oxidarea carbohidratilor, lipidelor si aminoacizilor la dioxid de carbon si apa.
Deci, respirația celulară are loc în celulă. Dar unde mai exact? Care organelă realizează acest proces?
Toate etapele respirației celulare au loc în mitocondrii. După cum știți, principalul produs al mitocondriilor - moleculele de ATP - este sinonim cu conceptul de „energie” în biologie. Într-adevăr, principalul produs al acestui proces este energia, moleculele de ATP.
Schimbul constant de substanțe cu mediul este una dintre principalele proprietăți ale sistemelor vii. Procesele de biosinteză (asimilare sau schimb plastic) au loc continuu în celule, adică, cu participarea enzimelor, se formează compuși organici complecși: proteine din aminoacizi, polizaharide din monozaharide, acizi nucleici din nucleotide etc. Sinteza tuturor proceselor are loc cu absorbtia energiei. Descompunerea moleculelor complexe în molecule mai simple cu eliberarea de energie are loc aproximativ cu aceeași viteză (disimilare sau schimb de energie). Datorită acestor procese, se menține constanta relativă a compoziției celulare. Substanțele sintetizate sunt folosite pentru a construi celulele și organelele lor și pentru a înlocui moleculele uzate sau distruse. Când compușii cu molecule înalte sunt descompuși în alții mai simpli, energia necesară reacțiilor de biosinteză este eliberată.
Setul de reacții de asimilare și disimilare care stau la baza activității vieții și determină legătura organismului cu mediul se numește metabolism.
Reacțiile de schimb sunt caracterizate prin organizare și ordine ridicate. Fiecare reacție are loc cu participarea proteinelor enzimatice specifice. Ele sunt localizate în principal pe membranele organelelor și în hialoplasma celulelor într-o ordine strict definită, ceea ce asigură succesiunea necesară de reacții. Datorită sistemelor enzimatice, reacțiile metabolice apar rapid și eficient în conditii normale- la temperatura corpului si presiunea normala.
Plasticul și metabolismul energetic sunt indisolubil legate. Sunt laturi opuse un singur proces metabolism. Reacțiile de biosinteză necesită energie, care este furnizată de reacțiile de metabolism energetic. Pentru a desfășura reacții de metabolism energetic, este necesară biosinteza constantă a enzimelor și a structurilor organite, care sunt distruse treptat în procesul vieții.
Procesele de asimilare nu sunt întotdeauna în echilibru cu procesele de disimilare. Astfel, într-un organism în creștere, procesele de asimilare prevalează asupra proceselor de disimilare, ceea ce asigură acumularea de substanțe și creșterea organismului. Cu intens munca fizica iar la bătrâneţe predomină procesele de disimilare. În primul caz, aceasta este compensată de o nutriție sporită, iar în al doilea, are loc epuizarea treptată și eventuala moarte a corpului.
Schimb de energie
Metabolismul energetic este un set de reacții de descompunere enzimatică a compușilor organici complecși, însoțite de eliberarea de energie. O parte din energie este disipată sub formă de căldură, iar o parte se acumulează în legăturile macroergice ale ATP și este apoi folosită pentru a asigura diferite procese vitale ale celulei: reacții de biosinteză, intrarea substanțelor în celulă, conducerea impulsurilor, mușchi. contracție, secreție de secreții etc.
Adenozin trifosfat (ATP, adenozin trifosfat) este o componentă esențială a oricărei celule vii. ATP este o mononucleotidă constând din adenină de bază azotată, riboză monozaharidă cu cinci atomi de carbon și trei resturi de acid fosforic, care sunt conectate între ele prin legături de înaltă energie (macroergice). ATP este descompus de enzime speciale în timpul procesului de hidroliză - adăugarea de apă. În acest caz, o moleculă de acid fosforic este separată și ATP este transformat în ADP (adenozin difosfat) și, odată cu îndepărtarea ulterioară a acidului fosforic - în AMP (adenozin monofosfat). Scindarea unei molecule de acid fosforic este însoțită de eliberarea a 40 kJ de energie. Procesul invers de conversie a AMP în ADP și ADP în ATP are loc în principal în mitocondrii prin adăugarea de molecule de acid fosforic cu eliberarea de apă și absorbția unei cantități mai mari (mai mult de 40 kJ pentru fiecare etapă) de energie.
Există trei etape ale metabolismului energetic:
* pregătitoare,
* fara oxigen,
* oxigen.
Etapa pregătitoare are loc în tractul digestiv al animalelor și al omului sau în citoplasma celulelor tuturor ființelor vii. În această etapă, moleculele organice mari, sub acțiunea enzimelor, sunt descompuse în monomeri: proteinele în aminoacizi, grăsimile în glicerol și acizi grași, amidonul și glicogenul în monozaharide, acizii nucleici în nucleotide. Descompunerea substanțelor în această etapă este însoțită de eliberarea unei cantități mici de energie, disipată sub formă de căldură.
Etapa fără oxigen (anaerobă) a metabolismului energetic are loc în citoplasma celulelor. Monomerii formați în prima etapă suferă o scindare în mai multe etape fără participarea oxigenului. De exemplu, în timpul glicolizei (descompunerea glucozei care are loc în celulele animale), o moleculă de glucoză este împărțită în două molecule de acid piruvic (C3H4O3), care în unele celule, cum ar fi celulele musculare, este redusă la acid lactic. Aceasta eliberează aproximativ 200 kJ de energie. O parte din ea (aproximativ 80 kJ) merge la sinteza a două molecule de ATP, iar restul (aproximativ 120 kJ) este disipată sub formă de căldură. Ecuația generală pentru această reacție este următoarea:
C6H12O6 + 2ADP + 2H3PO4 —> 2C3H6O3 + 2ATP + 2H2O.
În celulele organismelor vegetale și a unor drojdii, descompunerea glucozei are loc prin fermentație alcoolică. În acest caz, acidul piruvic format în timpul glicolizei este decarboxilat pentru a forma acetaldehidă și apoi redus la alcool etilic.
Etapa de oxigen (aerobă) a metabolismului energetic are loc numai la organismele aerobe. Constă în oxidarea ulterioară a acidului lactic (sau piruvic) la produsele finale - CO2 și H2O. Acest proces are loc în mitocondrii cu participarea enzimelor și a oxigenului. În primele etape ale etapei de oxigen, protonii și electronii sunt separați treptat de acidul lactic, acumulându-se de-a lungul laturi diferite membrana interioară a mitocondriilor și creând o diferență de potențial. Când atinge o valoare critică, protonii, trecând prin canale membranare speciale în care se află enzimele care sintetizează ATP, renunță la energia lor pentru a atașa reziduul de acid fosforic de AMP sau ADP. Acest proces este însoțit de eliberarea de energie suficientă pentru sinteza a 36 de molecule de ATP (1440 kJ). Ecuația etapei oxigenului arată astfel:
2C3H6O3 + 6O2 + 36H3PO4 + 36ADP -> 36ATP + 6CO2 + 42H2O.
Ecuația generală pentru etapele anaerobe și aerobe ale metabolismului energetic este următoarea:
C6H12O6 + 38ADP + 38H3PO4 + 6O2 —> 38ATP + 6CO2 + 44H2O.
Astfel, în timpul celei de-a doua și a treia etape ale metabolismului energetic, descompunerea unei molecule de glucoză produce 38 de molecule de ATP. Acesta consumă 1520 kJ (40 kJ * 38) și se eliberează un total de 2800 kJ de energie. În consecință, 55% din energia eliberată în timpul descompunerii glucozei este acumulată de celulă în molecule de ATP, iar 45% este disipată sub formă de căldură. Etapa de oxigen joacă rolul principal în furnizarea energiei celulelor.
În mod similar, proteinele și grăsimile pot intra în metabolismul energetic. La descompunerea aminoacizilor, pe lângă dioxid de carbon și apă, se formează produse care conțin azot (amoniac, uree), care sunt excretați prin sistemul excretor.
Metabolismul plastic este un ansamblu de reacții de sinteză biologică în care substanțele specifice unei celule date sunt formate din substanțe care intră într-o celulă. LA schimb plastic include biosinteza proteinelor, fotosinteza, sinteza acizilor nucleici, grăsimilor și carbohidraților.
Biosinteza proteinelor
Apare în toate celulele organismelor pro- și eucariote, aceasta este o proprietate integrală a ființelor vii. Informațiile despre structura primară a moleculei de proteine, de care depind toate celelalte structuri și proprietăți, sunt codificate de o secvență de nucleotide în secțiunea corespunzătoare a moleculei de ADN - gena. Deoarece informațiile despre structura unei molecule de proteine se află în nucleu, iar asamblarea acesteia are loc în citoplasmă (în ribozomi), celula are un intermediar care copiază și transmite această informație. Un astfel de intermediar este ARN mesager(i-ARN). O enzimă specială (ARN polimeraza) desparte dubla catenă a ADN-ului, iar nucleotidele ARN sunt aliniate pe unul dintre lanțurile sale conform principiului complementarității. Astfel, molecula de ARNm sintetizată repetă ordinea nucleotidelor din ADN Acest proces se numește transcripție (rescriere). Molecula de ARNm sintetizată în acest mod (sinteză șablon) intră în citoplasmă, iar subunitățile ribozomale mici sunt înșirate la un capăt.
Sistemul de înregistrare a informațiilor genetice în ADN (ARNm) sub forma unei secvențe specifice de nucleotide se numește cod genetic.
Proprietățile codului genetic:
* tripletitate - un aminoacid dintr-un lanț polipeptidic corespunde la trei nucleotide adiacente ale unei molecule de ADN (ARNm), numit triplet sau codon;
* universalitate - aceiași codoni codifică același aminoacid în toate organismele vii;
* nesuprapune - o nucleotidă nu poate face parte simultan din mai mulți codoni;
* redundanță - un aminoacid poate fi codificat de mai multe triplete diferite.
Următoarea etapă în biosinteza proteinelor este translația secvenței de nucleotide din molecula de ARNm în secvența de aminoacizi din lanțul polipeptidic - translație. ARN-urile de transfer (ARNt) „aduc” aminoacizi la ribozom. Molecula de ARNt are o configurație complexă. În unele părți ale acestuia, se formează legături de hidrogen între nucleotide complementare, iar molecula devine forma unei frunze de trifoi. În vârful său există un triplet de nucleotide libere, care în felul lor cod genetic corespund unui aminoacid dat (se numește anticodon), iar baza servește ca loc de atașare a acestui aminoacid. Fiecare ARNt poate purta doar propriul aminoacid, prin urmare există 20 dintre ei, la fel ca aminoacizii. T-ARN este activat de enzime speciale, după care își atașează aminoacidul și îl transportă la ribozom. În interiorul ribozomului din fiecare acest moment Există doar doi codoni de ARNm. Dacă anticodonul t-ARN este complementar codonului i-ARN, atunci t-ARN-ul cu un aminoacid este atașat temporar de i-ARN. Al doilea ARNt este atașat de al doilea codon, purtând aminoacidul său. Aminoacizii sunt localizați în centrul activ al subunității mari a ribozomului, iar cu ajutorul enzimelor se stabilește o legătură peptidică între ei. În același timp, legătura dintre primul aminoacid și t-ARN-ul său este distrusă, iar t-ARN părăsește ribozomul după următorul aminoacid. Ribozomul mișcă un triplet și procesul se repetă. În acest fel, se construiește treptat o moleculă polipeptidică, în care aminoacizii sunt aranjați în strictă ordine cu tripleții care îi codifică (sinteza matricei). Adesea, nu un ribozom, ci mai mulți sunt înșirați pe un ARNm (astfel de structuri se numesc polizomi); în acest caz, se sintetizează mai multe molecule identice de proteine.
După terminarea sintezei, molecula proteică este separată de ribozom și capătă structura sa caracteristică (secundară, terțiară sau cuaternară). Biosinteza proteinelor are loc destul de repede. În 1 s, ribozomul bacterian formează o polipeptidă de 20 de aminoacizi. Viteza de biosinteză depinde de activitatea enzimelor care catalizează procesele de transcripție și translație, de temperatură, concentrația ionilor de hidrogen, prezența ATP și a aminoacizilor liberi și alți factori.
1 - t-ARN cu aminoacizi, 2 - t-ARN, 3 - Aminoacid, 4 - Subunitate ribozomală mică, 5 - i-ARN, 6 - Codon, 7 - Anticodon, 8 - Subunitate ribozomală mare
Trebuie subliniat faptul că celulele conțin mecanisme speciale, reglând activitatea genelor, datorită căreia în orice moment sunt sintetizate doar acele proteine de care are nevoie.
Fotosinteză
În funcție de tipul de nutriție, organismele vii sunt împărțite în două grupe - autotrofe și heterotrofe.
Organismele care nu sunt capabile să sintetizeze substanțe organice din substanțe anorganice și care folosesc compuși organici gata preparati ca hrană (sursă de energie) sunt numite heterotrofe. Majoritatea bacteriilor, ciupercilor și animalelor sunt heterotrofe.
Organismele autotrofe sunt organisme care pot crea substante anorganice organic, de servire material de construcțiiși o sursă de energie. Acestea includ unele bacterii pigmentate și toate plantele verzi. Organismele autotrofe sunt împărțite în chimiosintetice și fotosintetice. Organismele chemosintetice (bacterii) consumă energia eliberată în timpul oxidării anumitor substanțe anorganice (de exemplu, bacteriile nitrificatoare oxidează succesiv amoniacul în nitriți și apoi nitriții în nitrați). Organismele fotosintetice (plantele verzi) folosesc energia luminii.
Plantele verzi sunt capabile, folosind pigmentul de clorofilă conținut în cloroplaste, să transforme energia luminoasă a Soarelui în energia legăturilor chimice ale substanțelor organice. În special, din substanțele sărace în energie CO2 și H2O, ei sintetizează carbohidrați bogati în energie și eliberează oxigen. Acest proces se numește fotosinteză. Are loc în două faze: lumină și întuneric.
Procesul de fotosinteză începe atunci când cloroplastul este iluminat de lumina vizibilă. Când o moleculă de clorofilă absoarbe o cantitate de lumină, unul dintre electronii săi intră într-o stare „excitată” și se ridică la o stare superioară. nivel de energie. În același timp, sub influența luminii, are loc fotoliza apei cu formarea de ioni H+ și OH-. Electronul excitat se atașează la un ion de hidrogen (H+), reducându-l la un atom (H). Apoi, atomii de hidrogen se combină cu nicotinamidă adenin dinucleotidă fosfat (NADP) și îl reduc la NADPH2. Ionii hidroxil, rămași fără contraionii H+, renunță la electroni și se transformă în radicali liberi OH, care, interacționând între ei, formează apă și oxigen liber:
4OH -> 2H2O + O2
Electronii grupărilor hidroxil revin la molecula de clorofilă în locul celor excitate. În timpul procesului de tranziție, protonii și electronii se acumulează pe părțile opuse ale membranei granei de cloroplast (protoni pe interior și electroni pe suprafata exterioara) și creează o diferență de potențial. Când diferența de potențial atinge un nivel critic, protonii trec prin canale speciale de membrană care conțin enzime care sintetizează ATP. Energia protonilor și electronilor este folosită de enzime pentru a atașa un reziduu de acid fosforic la AMP sau ADP. Astfel, în timpul fazei luminoase a fotosintezei, care are loc în granul cloroplastelor numai la lumină, au loc următoarele procese: fotoliza apei cu eliberarea de oxigen, reducerea NADPH2 și sinteza ATP.
În timpul fazei întunecate a fotosintezei, energia acumulată în timpul fazei de lumină este utilizată pentru a sintetiza monozaharide din dioxid de carbon (provine din aer prin stomată) și hidrogen (desprins din NADPH2) prin reacții enzimatice complexe. Rezultatul este:
6СO2 + 24Н —> С6Н12O6 + 6Н2O.
Ulterior, se pot forma di-, polizaharide și alți compuși organici (aminoacizi, acizi grași etc.). Acest proces nu necesită participarea directă a luminii, motiv pentru care se numește faza întunecată a fotosintezei. Apare în stroma cloroplastelor atât la lumină, cât și la întuneric. Coeficient acțiune utilă fotosinteza ajunge la 60%.
Importanța fotosintezei este enormă. Acesta este principalul proces care are loc în biosferă. Energia Soarelui se acumulează în legăturile chimice ale compușilor organici, care sunt folosiți pentru a hrăni toți heterotrofii. În același timp, atmosfera este îmbogățită cu oxigen și curățată de excesul de dioxid de carbon.
