2. Обмен веществ. Пластический и энергетический обмен

Тест «Метаболизм», 9 класс, 1 вариант

1. Совокупность реакций синтеза органических веществ, идущих с затратами энергии:

А) пластический обмен (ассимиляция, анаболизм)

Б) метаболизм

В) энергетический обмен (диссимиляция, катаболизм)

Г) катаболизм

2. Все реакции метаболизма осуществляются при участии:

А) ферментов В) жиров

Б) углеводов Г) витаминов

3. Второй этап энергетического обмена – это

А) полное окисление органических веществ до неорганических

Б) расщепление полимеров до мономеров

В) неполное окисление веществ в цитоплазме клеток

Г) образование крахмала из молекул глюкозы

4. В результате какого этапа энергетического обмена из одной молекулы глюкозы образуются 2 молекулы АТФ?

А) подготовительного В) бескислородного

Б) полного окисления (дыхания) Г) хемосинтеза

5. Третий этап энергетического обмена происходит в:

А) рибосомах В) митохондриях

Б) аппарате Гольджи Г) ядре

6. На третьем этапе энергетического обмена образуются:

А) 2 молекулы АТФ В) 34 молекулы АТФ

Б) 36 молекул АТФ Г) 38 молекул АТФ

7.Организмы, осуществляющие синтез органических веществ из неорганических за счет солнечной энергии

А) гетеротрофы В) фототрофы

Б) сапротрофы Г) хемотрофы

8. Организмы, питающиеся готовыми органическими веществами:

А) гетеротрофы В) фототрофы

Б) автотрофы Г) хемотрофы

9. Каждые три нуклеотида молекулы ДНК образуют:

А) витамин В) фермент

Б) кодон Г) аминокислоту

10. Перевод последовательности нуклеотидов в нуклеиновой кислоте в аминокислотную последовательность белка – это:

А) специфичность В) транскрипция

Б) трансляция Г) универсальность

11. Процесс переписывания генетической информации с ДНК на и-РНК:

А) рудубликация В) транскрипция

Б) репликация Г) трансляция

12. Синтез всех видов РНК осуществляется

А) на рибосомах В) на ДНК

Б) в митохондриях Г) на клеточной мембране

13. Установите соответствие между биологическим процессом и видом обмена :

1 — Энергетический обмен 2 — Пластический обмен

А. Синтез сложных веществ из простых

Б. Расщепление углеводов до углекислого газа и воды

В. Расщепление сложных веществ до простых

Г. Синтез углеводов из углекислого газа и воды

Д. Окисление молочной кислоты

Е. Синтез белков из аминокислот

14. ДНК – последовательность: Ц-А-Т-Т-Т-Т-Г-А-Т

Сколько аминокислот закодировано? Проведите транскрипцию, синтезируйте и-РНК.

15. Сколько молекул АТФ будет синтезировано:

А) на первом подготовительном этапе диссимиляции

Б) на втором этапе гликолиза

В) на третьем этапе аэробного дыхания

Г) при полном окислении фрагмента молекулы крахмала, состоящего из 10 остатков глюкозы?

Брожение

Примеры процессов брожения известны из повседневной жизни, производственной деятельности.

  1. Спиртовое брожение заключается в метаболическом превращении углеводов микроорганизмами, преимущественно дрожжами. В результате образуется этиловый спирт, АТФ и вода, выделяется углекислый газ. Энергию микроорганизмы используют для жизнедеятельности, деления клеток. Спиртовое брожение используется в производстве алкогольных напитков. Пекарские дрожжи в хлебопечении тоже перерабатывают углеводы на этанол и углекислый газ, разрыхляющий тесто.
  2. Молочнокислое брожение завершается образованием молекул молочной кислоты, АТФ, водорода и воды. Так скисает молоко, получается пахта, йогурт, сметана, творог. (Рисунок 1). Этот же тип брожения происходит при квашении капусты. Молочнокислые бактерии уменьшают рН субстрата, создают кислую среду. Они не нуждаются в кислороде, но выживают и в кислородной среде.
  3. Уксуснокислое брожение приводит к изменениям сока, вина. Сначала, в результате спиртового брожения, вырабатывается этанол. Затем, уксуснокислые бактерии перерабатывают спирт на органические кислоты, в основном яблочную, лимонную, молочную. Так получают натуральный уксус из плодово-ягодного сырья.

Во всех случаях брожения микроорганизмы изменяют углеводы и производят макроэнергетическое вещество — АТФ. Для этого процесса не требуется кислород, что является важнейшим отличием от дыхания. Общий признак — химическая энергия связей в молекуле глюкозы преобразуется в энергию в форме АТФ, которая используется для жизненных процессов.

Брожение — древнейший и не самый совершенный способ выработки энергии. Из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ. Кислородный процесс более эффективен в плане получения энергии.

Организмы, которым необходим кислород для дыхания, являются аэробами (в переводе с греческого «аэр» — воздух). Внешняя сторона процесса заключается в поглощении кислорода из воздуха и выделении диоксида углерода.

Молекулы О2 попадают в организм насекомых через трахеи. Для рыб характерно жаберное дыхание, для млекопитающих — легочное. Переносят кислород к органам и транспортируют диоксид углерода красные кровяные клетки, содержащие гемоглобин.

При отсутствии кислорода начинает происходить ферментация. Ферментация является эволюционно более ранним способом генерирования энергии, чем дыхание, но она менее энергетически выгодна, потому что ферментация производит органическое вещество, которое все еще богато энергией. Различают несколько основных видов брожения: уксусно – кислое, спиртовое, маслянокислое, молочнокислое, метановое и др.

Стало быть, в скелетных мышцах в отсутствие кислорода во время ферментации пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты, тогда как ранее образованные восстановительные эквиваленты расходуются, и остаются только две молекулы АТФ:

2С3Н4О3 + 2НАДН+Н+ → 2С3Н6О3 + 2НАД.

При ферментации с дрожжами пировиноградная кислота в присутствии кислорода преобразуется в этиловый спирт и окись углерода (IV):

С3Н4О3 + НАДН+Н+ → С2Н5ОН + СО2 + НАД+.

Во время ферментации с использованием микроорганизмов пируват также может образовывать уксусную, масляную, муравьиную кислоты и так далее.

Энергия АТФ, которая образуется вследствие энергетического обмена, используется клеткой на различные виды работ:

  • Химическая работа включает в себя биосинтез белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и других важных соединений.
  • Осмотическая работа включает процессы поглощения и удаления веществ из клетки, находящиеся во внеклеточном пространстве в более высоких концентрациях, чем в самой клетке.
  • Электрическая работа неразрывно связана с осмотической, ведь именно из – за перемещения заряженных частиц через мембраны формируется заряд мембраны и приобретаются свойства возбудимости и проводимости.
  • Механическая работа связана с передвижением веществ и структур во внутриклеточном пространстве и непосредственно клетки в целом.
  • К регуляторной работе относят все процессы, которые направлены на координировании процессуальных действий в клетке.

Дыхание

Кислородное дыхание производится в митохондриях, где пировиноградная кислота вначале теряет один атом углерода, что сопровождается синтезом одного восстанавливающего эквивалента молекул НАДН+Н+ и ацетилкофермента A (ацетил-КоА):

С3Н4О3 + НАД+Н ~ КоА → СН3СО ~ КоА + НАДН+Н+ + СО2.

Ацетил-КоА в митохондриальном матриксе участвует в цепочке химических превращений, которые в совокупности называются циклом Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты). Во время этих превращений образуются две молекулы АТФ, ацетил-КоА полностью окисляется до диоксида углерода, а его ионы водорода и электроны присоединяются к водородным векторам НАДН+Н+ и НАДH2. Носители переносят протоны и электроны водорода во внутренние митохондриальные мембраны, которые образуют гребни. При помощи белков-носителей протоны водорода вводятся в межмембранное пространство, а электроны переносятся через, так называемую, дыхательную цепь энзимов, которые расположены во внутренней митохондриальной мембране, и разряжаются в атомы кислорода:

O2 + 2e− → O2−.

Важно то, что в дыхательной цепи имеются белки, содержащие железо и серу.

Протоны водорода переносятся из межмембранного пространства в митохондриальный матрикс благодаря специальным ферментам, АТФ-синтетаз, а энергия, выделенная в результате этого процесса, используется для синтеза 34 молекул АТФ из каждой молекулы глюкозы. Этот процесс называется окислительным фосфорилированием. В митохондриальной матрице протоны водорода, прореагировавшие с радикалами кислорода с образованием воды:

4H+ + O2−→ 2H2O.

Набор кислородных дыхательных реакций можно выразить таким уравнением:

2С3Н4О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ → 6СО2 + 38Н2О + 36АТФ.

Общее уравнение дыхания выглядит следующим образом:

С6Н12О6 + 6О2 + 38Н3РО4 + 38АДФ → 6СО2 + 40Н2О + 38АТФ.

Таким образом, клеточное дыхание в организме человека происходит поэтапно. Гликолиз сопровождается образованием 8 молекул АТФ (2 из них расходуются). Окислительное декарбоксилирование «дает» 6 АТФ, цикл Кребса — 24 АТФ. Итого, разложение молекулы глюкозы приводит к созданию 38 молекул АТФ. Аэробное дыхание — более совершенный способ получения и накопления энергии.

Значение АТФ в обмене веществ

Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме высокоэнергетических соединений, как правило, в форме аденозинтрифосфата (АТФ). По своей химической природе АТФ относится к мононуклеотидам и состоит из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.

Энергия, высвобождающаяся при гидролизе АТФ, используется клеткой для совершения всех видов работы. Значительные количества энергии расходуются на биологические синтезы. АТФ является универсальным источником энергообеспечения клетки. Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования, происходящему с разной интенсивностью при дыхании, брожении и фотосинтезе. АТФ обновляется чрезвычайно быстро (у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 минуты).

Метаболизм

Живые существа способны использовать только два вида энергии: световую (энергию солнечного излучения) и химическую (энергию связей химических соединений). По этому признаку организмы делятся на две группы ― фототрофы и хемотрофы.

Главным источником структурных молекул является углерод. В зависимости от источников углерода живые организмы делят на две группы: автотрофы, использующие неорганический источник углерода (диоксид углерода), и гетеротрофы, использующие органические источники углерода.

Процесс потребления энергии и вещества называется питанием. Известны два способа питания:

  • голозойный ― посредством захвата частиц пищи внутрь тела;
  • голофитный ― без захвата, посредством всасывания растворенных пищевых веществ через поверхностные структуры организма.

Разберемся с процессами, связанными с проникновением веществ в клетку.

Транспорт веществ в клетку

Существует два типа проникновения веществ в клетку через мембраны: пассивный и активный транспорт.

Пассивный транспорт

Пассивный транспорт — перенос веществ по градиенту концентрации из области высокой концентрации в область низкой без затрат энергии (например, диффузия, осмос).

Диффузия — пассивное перемещение вещества из участка большей концентрации к участку меньшей концентрации.

По пути простой диффузии частицы вещества перемещаются сквозь билипидный слой мембраны. Направление простой диффузии определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам мембраны. Путём простой диффузии в клетку проникают гидрофобные вещества (O2, N2, бензол) и полярные маленькие молекулы (CO2, H2O, мочевина). Не проникают полярные относительно крупные молекулы (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) и макромолекулы (ДНК, белки).

Простая диффузия представляет собой процесс, при котором газ или растворенные вещества распространяются и заполняют весь объём вещества. Молекулы или ионы, растворённые в жидкости, находясь в хаотичном состоянии, сталкиваются со стенками клеточной мембраны, что может вызвать двоякий исход: молекула либо отскочит, либо пройдёт через мембрану. Если вероятность последнего велика, то говорят, что мембрана проницаема для данного вещества.

Если концентрация данного вещества по обе стороны мембраны различна, то возникает процесс, который способствует выравниванию концентрации. Через клеточную мембрану проходят как хорошо растворимые (гидрофильные), так и нерастворимые (гидрофобные) вещества.

В случае, когда мембрана плохо проницаема, либо непроницаема для данного вещества, она подвергается действию осмотических сил. При более низкой концентрации вещества в клетке она сжимается, при более высокой концентрации — впускает внутрь воду.

Через биологические мембраны путём простой диффузии проникают многие вещества. Однако вещества, которые имеют высокую полярность и органическую природу, не могут проникать через мембрану путем простой диффузии, эти вещества попадают в клетку путем облегчённой диффузии. Облегчённой диффузией называется диффузия вещества по градиенту его концентрации, которая осуществляется с помощью специальных погружённых в мембрану транспортных белков-переносчиков. Участие белков-переносчиков обеспечивает более высокую скорость облегчённой диффузии по сравнению с простой пассивной диффузией. Облегчённая диффузия не требует специальных энергетических затрат за счёт гидролиза АТФ. Эта особенность отличает облегчённую диффузию от активного трансмембранного транспорта.

Осмос — процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону бо́льшей концентрации растворённого вещества из объёма с меньшей концентрацией растворенного вещества.

Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением. Это осмотическое давление возникает из-за того, что система пытается выровнять концентрацию раствора в обеих средах, разделенных мембраной, и описывается вторым законом термодинамики. Оно равно избыточному внешнему давлению, которое следует приложить со стороны раствора, чтобы прекратить процесс, то есть создать условия осмотического равновесия. Превышение избыточного давления над осмотическим может привести к обращению осмоса — обратной диффузии растворителя.

Активный транспорт

Активный транспорт — перенос вещества через клеточную или внутриклеточную мембрану, или через слой клеток, протекающий против градиента концентрации из области низкой концентрации в область высокой, т. е. с затратой свободной энергии организма. В большинстве случаев источником энергии служит энергия макроэргических связей АТФ.

Калий-натриевый насос

К веществам, активно транспортируемым, по крайней мере, через некоторые клеточные мембраны, относят ионы натрия, калия, кальция, железа, водорода, хлора, йода, мочевой кислоты, некоторые сахара и большинство аминокислот.

Механизм активного транспорта лучше всего изучен для натрий-калиевого насоса (Na+/K+-нaсоса) — транспортного процесса, который выкачивает ионы натрия через мембрану клетки наружу и в то же время закачивает в клетку ионы калия. Этот насос отвечает за поддержание различной концентрации ионов натрия и калия по обе стороны мембраны, а также за наличие отрицательного электрического потенциала внутри клеток.

Рассмотрим работу насоса. Когда 2 иона калия связываются с белком-переносчиком снаружи и 3 иона натрия связываются с ним внутри, активируется АТФ-азная функция белка. Это ведет к расщеплению 1 молекулы АТФ до АДФ с выделением энергии высокоэнергетической фосфатной связи. Полагают, что эта освобожденная энергия вызывает химическое и конформационное изменение молекулы белка-переносчика, в результате 3 иона натрия перемещаются наружу, а 2 иона калия — внутрь клетки.

Рис. 1. Калий натриевый насос.

Фагоцитоз и пиноцитоз

Фагоцитоз и пиноцитоз также относятся к активному транспорту.

Фагоцитоз Фагоцитоз (греч. фаго – пожирать) – поглощение клеткой твердых органических веществ. Оказавшись около клетки, твердая частица окружается выростами мембраны, или под ней образуется углубления мембраны. В результате частица оказывается заключенной в мембранный пузырек – фагосому – внутри клетки. Фагоцитоз свойственен простейшим, кишечнополостным, лейкоцитам, а также клеткам капилляров костного мозга, селезенки, печени, надпочечников. Пиноцитоз Пиноцитоз (греч. пино – пью) – это процесс поглощения клеткой мелких капель жидкости с растворенными в ней высокомолекулярными веществами. Осуществляется путем захвата этих капель выростами цитоплазмы. Захваченные капли погружаются в цитоплазму и там усваиваются. Явление пиноцитоза свойственно животным клеткам и одноклеточным простейшим.

Рис.2. Фагоцитоз.

Рис. 3. Пиноцитоз.

Обмен веществ и превращение энергии – свойства живых организмов

Обмен веществ является комплексом различных химических преобразований, способствующих сохранению и самовоспроизведению биоструктур.

Он заключается в поступлении веществ в организм во время питания и дыхания, метаболизме внутри клетки или обмене веществ, вдобавок, в высвобождении конечных продуктов метаболизма.

Метаболизм неотрывно соединён с процессами преобразований определённых видов энергии в другие. К примеру, в начале процесса фотосинтеза световая энергия скапливается в виде энергии химических связей сложных органических молекул, в процессе же дыхания она освобождается и применяется для синтезирования новых молекул, механические и осмотические работы, рассеянные в виде тепла и т. д.

Поток химических превращений в живых организмах снабжается биологическими катализаторами белковой специфики — ферментами или энзимами. Наряду с остальными катализаторами, энзимы ускоряют течение химических реакций в клетке до нескольких сотен тысяч раз, при этом они не меняют природу или свойства конечных продуктов клетки. Ферменты представляют собой простые или сложные белковые молекулы, которые, помимо части, состоящей из белка, включают небелковый кофактор, по – другому называемый коферментом. Ферментами являются, например: амилаза слюны, которая расщепляет гликаны при длительном жевании и пепсин, который обеспечивает переваривание белков в желудочно-кишечном тракте.

Ферменты различаются с небелковыми катализаторами тем, что имеют высокую специфичность действия, в значительной степени увеличенную скорости реакции, а также возможностью регулирования действия путем смены условий реакции или взаимодействия различных веществ с ними. Кроме того, условия, при которых протекает ферментативный катализ, значительно различаются с теми, при которых происходит неферментативный катализ: оптимальная температура для того, чтобы ферменты могли функционировать в организме человека, составляет 37 ° С, а также необходимо, чтобы давление являлось близким к атмосферному, в то время как кислотность среды может значительно варьироваться. Например, для амилазы необходима щелочная среда, для пепсина же наоборот — кислая.

Механизм действия ферментов заключается в том, чтобы снизить энергию активации веществ (субстратов), которые вступают в реакцию вследствие образования промежуточных фермент-субстратных комплексов.

Зачем изучать метаболизм

Существуют две основные причины для изучения метаболического пути:

  1. для количественного описания химических изменений, катализируемых компонентными ферментами пути;
  2. описать различные внутриклеточный контроль, который определяет скорость, с которой функционирует этот путь.

Исследования с целыми организмами или органами могут предоставить информацию о том, что одно вещество превращается в другое и что этот процесс локализован в определенной ткани. Например, эксперименты могут показать, что мочевина, главный азотсодержащий конечный продукт белкового обмена у млекопитающих, образуется исключительно в печени. Однако они не могут раскрыть детали вовлеченных ферментативных стадий. Ключи к идентичности вовлеченных продуктов и к возможным химическим изменениям, вызванным компонентными ферментами, могут быть предоставлены любым из четырех способов, включающих исследования целых организмов или тканей.

Во-первых, в условиях стресса или дисбалансов, связанных с заболеваниями, определенные метаболиты могут накапливаться в большей степени, чем обычно. Таким образом, во время стресса интенсивных упражнений, молочная кислота появляется в крови, а гликоген, форма, в которой углеводы накапливаются в мышцах, исчезает. Такие наблюдения, однако, не доказывают, что молочная кислота является нормальным промежуточным звеном катаболизма гликогена; скорее они показывают только то, что соединения, способные давать молочную кислоту, могут быть нормальными промежуточными продуктами. Действительно, в этом примере молочная кислота образуется в ответ на ненормальные обстоятельства и не образуется напрямую в путях углеводного катаболизма.

Во-вторых, введение метаболических ядов может привести к накоплению специфических метаболитов. Например, если фторуксусная кислота проглатывается животными, лимонная кислота накапливается в печени. Это правильно указывает на то, что фторуксусная кислота, вводимая как таковая или образующаяся из фторуксусной кислоты через цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), ингибирует фермент окисления цитратов.

В-третьих, за судьбой любого питательного вещества — действительно, часто судьбой конкретной химической группы или атома в питательном веществе — можно относительно легко следить за введением питательного вещества, помеченного изотоп. Изотопы — это формы элемента, которые химически неотличимы друг от друга, но отличаются по физическим свойствам.

Использование нерадиоактивного изотопа азота в 1930-е годы впервые показали динамическое состояние организма составляющих. Ранее считалось, что белки ткани стабильны после формирования, исчезают только с смертью в клетке. При кормлении крыс аминокислотами, меченными изотопным азотом, было обнаружено, что изотоп был включен во многие аминокислоты, содержащиеся в белках печени и кишечника, даже если общее содержание белка в этих тканях не изменилось. Это говорит о том, что белки этих тканей существуют в динамическом устойчивом состоянии, в котором относительно высокие скорости синтеза уравновешены равными скоростями деградации. Таким образом, хотя средняя печеночная клетка имеет продолжительность жизни в несколько месяцев, половина ее белков синтезируется и разлагается каждые пять-шесть дней. С другой стороны, белки мышц или мозга, ткани, которым (в отличие от кишечника или печени) не нужно приспосабливаться к изменениям в химическом составе их среды, не обновляются так быстро.

Наконец, генетически измененные организмы (мутанты) не способны синтезировать определенные ферменты в активной форме. Такие дефекты, если не летальные, приводят к накоплению и выведению субстрата дефектного фермента; в нормальных организмах субстрат не будет накапливаться, потому что на него будет воздействовать фермент. Значение этого наблюдения впервые было осознано в начале 20-го века, когда фраза «врожденные ошибки метаболизма» использовалась для описания наследственных состояний, при которых различные аминокислоты и другие метаболиты выделяются с мочой. У микроорганизмов, у которых относительно легко вызвать генетические мутациии для выбора конкретных мутаций этот метод был очень полезен. В дополнение к их полезности в разгадке метаболических путей, использование мутантов в начале 1940 — х годов привели к постулировании гипотезы один ген-один фермент (лауреатов Нобелевской премии победителей Джорджа Бидла и Эдварда Л. Татума); их открытия открыли область биохимической генетики и впервые выявили природу тонкого контроля метаболизма.

Поскольку детальная информация о механизмах компонентов ферментативных стадий в любом метаболическом пути не может быть получена из исследований с целыми организмами или тканями, были разработаны различные методы для изучения этих процессов — например, нарезанные ткани и гомогенаты и бесклеточные экстракты, которые производится путем физического разрушения клеток и удаления клеточных стенок и другого мусора. Техника нарезанных тканей была успешно использована лауреатом Нобелевской премии Хансом Кребсом в своих исследованиях начала 1930-х годов о механизме образования мочевины в печени. Были проведены измерения стимулирующего воздействия небольших количеств аминокислот как на скорость поглощения кислорода, так и на количество поглощенного кислорода; аминокислоты добавляли в ломтики печени, купавшиеся в питательной среде. Такие измерения выявили циклический характер процесса; специфические аминокислоты действовали как катализаторы , стимулируя дыхание до степени, превышающей ожидаемую от добавленных количеств. Это произошло потому, что добавленный материал был повторно сформирован в ходе цикла.

Следует подчеркнуть, что биохимики понимают, что исследования изолированных и высокоочищенных систем, таких как кратко описанные выше, могут не более чем приблизиться к биологической реальности. Идентификация точного и грубого контроля метаболического пути и (при необходимости) других влияний на этот путь, в конечном счете, должна включать изучение пути во всей клетке или организме. Хотя некоторые методы оказались адекватными для сопоставления результатов в пробирке с ситуацией в живых организмах, изучение более сложных метаболических процессов, таких как те, которые участвуют в дифференцировке и развитии, может потребовать разработки новых экспериментальных подходов.

Понятие метаболизма

Метаболизм или обмен веществ является совокупностью всех биохимических реакций, происходящих на клеточном уровне. Без него невозможно существование любых живых существ. Уникальной особенностью живого организма является способность извлечения физической энергии из окружающей среды, после чего — использование ее для выполнения таких действий, как рост, развитие и размножение.

Обмен веществ характеризуется наличием ферментативных химических реакций, которые постоянно образуются в живом организме. Это позволяет извлекать из окружающей среды нужную синтезированную энергию. На клеточном уровне, все биохимические процессы похожи между собой, что характерно для животных, растений или грибов.

Понятие метаболизма

Некоторые бактерии и вирусы также подвержены молекулярному влиянию. Сотни скоординированных многоэтапных элементов, получаемых из питательных веществ или солнечной энергии, преобразуются в легкодоступные молекулы, нужные для роста и существования.

Биохимические компоненты делятся на следующие группы:

  • углеводы;
  • гормоны;
  • липиды;
  • витамины;
  • жиры;
  • минералы;
  • белки.

Все живое состоит из сложных органических веществ или белков, которые поддерживают правильный рост на клеточном уровне, одновременно выполняя хранение и молекулярную транспортировку. Также они могут использоваться в качестве основных катализаторов, благодаря которым химические реакции протекают одинаково быстро при высокой температуре, относительно низкой концентрации и нейтральных условиях.

Различные катализированные ферменты объединяются в более сложные структурные последовательности, где продукт одной цепи становится субстратным элементом следующей. Эта особенность называется метаболическими путями, которые в свою очередь соединяются между собой, образуя сложные биологические сети.

Составные части метаболизма

Обмен веществ является совокупностью любых биохимических реакций, направленных на рост, размножение, лечение и многих других необходимых процессов.

Ферментативные реакции, которые напрямую связаны с преобразованием полезных веществ, делятся на 2 разных метаболистических обмена: энергетический (катаболизм) и пластический (анаболизм). В здоровом и правильно функционирующем организме, процессы катаболизма и анаболизма находятся в строго сбалансированном виде, что позволяет равномерно распределять энергию.

Пластический обмен в клетке это совокупность реакций ассимиляции, т. е. превращение определенных веществ внутри клетки с момента их поступления до образования конечных продуктов – белков, глюкозы, жиров и пр. Для каждой группы живых организмов характерен особый, генетически закрепленный тип пластического обмена.

Пластический обмен у животных. Животные являются гетеротрофными организмами, т. е. они питаются пищей содержащей готовые органические вещества. В кишечном тракте или кишечной полости они расщепляются: белки до аминокислот, углеводы до моносахаридов, жиры до жирных кислот и глицерина. Продукты расщепления проникают в кровь и непосредственно в клетки тела. В первом случае продукты расщепления опять-таки оказываются в клетках организма. В клетках происходит синтез веществ характерный уже для данной клетки, т. е. формируется специфический набор веществ. Из реакций пластического обмена простейшими являются реакции обеспечивающие синтез белков. Синтез белка происходит на рибосомах, согласно информации о структуре белка содержащийся в ДНК, из аминокислот поступивших в клетку. Синтез ди-, полисахаридов идет из моносахаридов в аппарате Гольджи. Из глицерина и жирных кислот синтезируются жиры. Все реакции синтеза идут с участием ферментов и нуждаются в затрате энергии, энергию для реакций ассимиляции дает АТФ.

Пластический обмен в клетках растений имеет много общего с пластическим обменом в клетках животных, но обладает определенной специфичной связанной со способом питания растений. Растения это аутотрофные организмы. Растительные клетки, содержащие хлоропласты, способны синтезировать органические вещества из простых неорганических соединений с использованием энергии света. Этот процесс известный под названием фотосинтеза позволяет растениям с участием хлорофила из шести молекул углекислого газа и шести молекул воды получать одну молекулу глюкозы и шесть молекул кислорода. В дальнейшем преобразование глюкозы идет по известному нам пути.

Метаболиты возникающие у растений в процессе обмена веществ дают начало составным элементам белков – аминокислотам и жиров – глицерину и жирным кислотам. Синтез белка у растений идет как и у животных на рибосомах, а синтез жиров на цитоплазме. Все реакции пластического обмена у растений идут с участием ферментов и АТФ. В результате пластического обмена образуются вещества обеспечивающие рост и развитие клетки.

Пластический обмен

Энергетический и пластический обмен веществ используют различные методы работы с энергией. Так, при пластических процессах (также называемых анаболизмом и биосинтезом) используются простые молекулы для создания более сложных химических соединений или конечных продуктов.

Пластический обмен

Именно они будут учувствовать в поддержании роста, лечения, размножения или приспособления к изменениям окружающей среды. На клеточном уровне для образования полимеров, анаболические процессы используют более простые мономеры, что приводит к созданию сложных молекулярных структур. К примеру, аминокислоты могут синтезироваться в белковые элементы.

Гормоны, регулирующие пластический обмен в организме человека:

  • Эстроген. Присутствует как у мужчин, так и у женщин. В основном производится в яичниках и надпочечниках. Играет большую роль в укреплении костной массы, регулирует некоторые женские половые признаки и (рост груди и бедер) налаживает менструальный цикл.
  • Тестостерон. Основной мужской половой гормон, который так же присутствует у женщин. Вырабатывается из клеток холестерина в яичниках и семенниках. Характеризуется регуляцией мужских половых особенностей (волосы на лице, грубый голос), укрепляет кости, помогает наращивать и поддерживать мышечную массу. Уровень тестостерона способен влиять на настроение и распределение жировых клеток.
  • Инсулин. Вырабатывается в поджелудочной железе бета-клетками, что способствует корректировке уровню лейкоцитов. Без этого гормона, организм не сможет использовать глюкозу, — основной источник энергии. Нарушения выработки инсулина могут привести к развитию сахарного диабета.
  • Гормон роста. Производится в тканях гипофиза. Стимулирует и регулирует рост в раннем и подростковом возрасте. По окончанию созревания играет большую роль в естественном восстановлении костной массы.

Помимо особого воздействия на человека, пластический обмен также влияет на многие другие организмы. Основные процессы анаболизма включают в себя фотосинтез, хемосинтез и биосинтез — важные элементы существования всей биосферы Земли.

Фотосинтез

Фотосинтез — особо важный процесс для существования всех живых организмов на Земле. Характеризуется преобразованием световой энергии в биохимическую, что приводит к дальнейшему высвобождению в виде сложных молекулярных структур, необходимых для жизнедеятельности.

Основной продукт фотосинтеза — кислород, который преобразуется из молекул воды и углекислого газа, что приводит к образованию глюкозы, вместе с которым выводится кислород. Пластический процесс возможен только под прямым воздействием света, выработанным солнечной энергией.

Фотосинтез

Хоть и фотосинтез выполняется у каждого вида по-разному, процесс всегда начинается с поглощения энергии света белковыми реакционными центрами, которые содержат зеленые пигменты хлорофилла. Подобные белки находятся внутри хлоропласт, что наиболее распространено в клетках листьев, тогда как у бактерий они внедряются в плазматическую мембрану.

Некоторая энергия в светозависимых реакциях используется для удаления веществ, таких как вода, газообразный кислород и другие. Водород, высвобождаемый в результате расщепления воды, используется для создания еще двух соединений, которые служат кратковременным накопителем энергии, позволяя передавать ее для будущих биохимических процессов.

Хемосинтез

Процесс хемосинтеза протекает у большинства микроорганизмов, которые способны к одновременному преобразованию биологических соединений неорганического типа в органические.

К таковым относятся бактерии следующих видов:

  • серобактерии;
  • водородные;
  • железобактерии;
  • нитрифицирующие или аэробные.

Получение энергии хемосинтеза происходит за счет окислительной реакции неорганических соединений: марганцовка, железо, сера, аммиак и другие. Окисление протекает без наличия молекул кислорода. Наиболее значимым элементом является диоксид углерод, при помощи которого синтезируются важные органические соединения.

Белковый биосинтез

Белковый биосинтез — сложный молекулярный процесс, с использованием которого поступающие в организм клетки распадаются на отдельные части, а затем синтезируются белковые структуры. Преобразование происходит в два этапа: транскрипция и трансляция.

Белковый биосинтез

Первая стадия транскрипции характеризуется копированием генетической информации с ДНК на иРНК. Поскольку бимолекулярная комплементарность или соответствие между молекулами и ферментами при считывании со всего кода ведет к дегенеративности, данные используются лишь с одного генетического участка.

В результате чего, аморфно-кристалические вещества полностью воспроизводят небольшую часть ДНК с разницей в эквивалентности компонента урацила к тимину. Трансляция отличается от транскрипции переносом синтезированной информации кода на уже строящийся белковый полипептид, структура которого указывается из имеющихся свойств в скопированном участке.

Весь процесс протекает на немембранных органеллах рибосомах, которые располагаются в цитоплазматическом содержимом клетки.

Этап переноса информации характеризуется несколькими этапами:

  1. Активация аминокислотного соединения с аминоациладенилатом при помощи аденозинтрифосфатов (АТФ) и ферментативных молекул.
  2. Выделение аденозинтрифосфорной кислоты, при которой аминокислота связывается с переносимой РНК.
  3. Молекулярный комплекс, образованный и скопированный на этапе транскрипции объединяется с немембранной рибосомой.
  4. Необходимые аминокислотные соединения заменяются в структуре пептида, что характеризуется одновременным высвобождением цепи тРНК.

На первой стадии белкового синтеза могут активироваться сразу 20 различных протеиногенных аминокислот. Все они этерифицированы специфической для них тРНК. Этот процесс происходит в цитоплазме с помощью аминоацил-тРНК-синтетазы. Энергия высвобождения обеспечивается потреблением аденозинтрифосфатов.

На последнем этапе синтеза белка полипептидная цепь заканчивается сигналами терминации (три специальных стоп-кодона) в структуре мРНК, что приводит к ее отделению от рибосомы.

Высвобождение полипептидных молекул тРНК инициируется специфическим белковым фактором, который присоединяется к рибосоме и гидролитически расщепляет эфирную связь между полипептидом и цепью. Все поступающие биохимические вещества распределяются по живому организму таким образом, чтобы приносить ему как можно больше пользы.

Сравнение фотосинтеза и дыхания эукариот

Энергетический и пластический обмен веществ характеризуются отдельными этапами, которые совершенно разные по функциональному воздействию. Так, главное различие между фотосинтезом и дыханием состоит в том, что первый происходит только у растений и некоторых бактерий, тогда как дыхание — у всех живых организмов.

Другие различия между дыханием эукариот и фотосинтезом представлены в следующей таблице:

Характеристика Фотосинтез Дыхание
Потребляемые для реакции вещества Углекислый газ; в некоторых случаях возможно применение воды Кислород или органические элементы; свет
Место протекания Растительные хлоропласты Митохондрии и гиалоплазма (при неполном типе окисления)
Взаимодействие с солнечной энергией Наличие света является обязательным; преобразование солнечной энергии в биохимическое свойство Может происходить как при свете, так и без него; превращение поступательной энергии в процесс макроэргических молекул аденозинтрифосфата
Важные стадии Восстановительный пентозофосфатный цикл Гликолиз, клеточное дыхание

Важное отличие состоит в функциональной продолжительности каждого процесса. Если фотосинтез происходит в течение дня только потому, что он зависит от света, то дыхание — это непрерывная функция, без которой практически любой живой организм попросту не может существовать.

Фотосинтез преобразует лучистую или световую энергию в химические или органические элементы, включая кислород. Дыхание же высвобождает биологическую потенциальную энергию для некоторых других функций организма.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *