Превращение энергии в клетке

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И

ЛЕКЦИЯ №6

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.

Совокупность реакций ассимиляции и диссимиляции, лежащих в основе жизнедеятельности и обуславливающих связь организма с окружающей средой, называется обменом веществ.

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.

Энергетический обмен – это совокупность реакций ферментативного расщепления сложных органических соединений, сопровождающихся выделением энергии.

Выделяют три этапа энергетического обмена:

1. подготовительный

2. бескислородный

3. 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 небольшим выделением 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.

Кислородный этап энергетического обмена имеет место только у аэробных организмов. Этот процесс протекает в митохондриях с участием ферментов и кислорода и сопровождается выделением энергии, достаточной для синтеза 36 молекул АТФ (1440 кДж).

Таким образом, в ходе второго и третьего этапов энергетического обмена образуется 38 молекул АТФ. На это расходуется 1520 кДж, а всего выделяется 2800 кДж энергии. Следовательно, 55% энергии 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.

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 закодирована последовательностью нуклеотидов в соответствующем участке молекулы ДНК – гене. 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 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).

Система записи генетической информации в ДНК в виде определенной последовательности нуклеотидов называется генетическим кодом.

Свойства генетического кода:

1. триплетность – одной аминокислоте в полипептидной цепочке соответствуют три расположенных рядом нуклеотида молекулы ДНК, называемые триплетом или кодоном.

2. универсальность – одинаковые кодоны кодируют одну и ту же аминокислоту у всех живых организмов.

3. неперекрываемость – один нуклеотид не может входить одновременно в состав нескольких кодонов.

4. 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. После завершения синтеза белковая молекула отделяется от рибосомы и преобретает свойственную ей (вторичную, третичную, четвертичную) структуры.Биосинтез белка идет довольно быстро. Скорость биосинтеза зависит от активности ферментов, катализирующих процессы траскрипции и трансляции, от температуры, концентрации водородных ионов, наличия АТФ и свободных аминокислот и других факторов.

В клетках есть специальные механизмы, регулирующие активность генов, благодаря чему в каждый 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 относят грибы, бактерии и животных.

Автотрофными называются организмы, способные создавать из неорганических веществ органические, служащие строительным материалом и источником энергии. К ним относят пигментированные бактерии и все зеленые растения. Автотрофные организмы подразделяются на:

- хемосинтезирующие, потребляют энергию, выделяющуюся при окислении некоторых неорганических веществ

- фотосинтезтрующие используют энергию солнечного света

Зеленые растения способны при помощи пигмента хлорофилла, содержащегося в хлоропластах, преобразовывать световую энергию Солнца в энергию химических связей органических веществ. 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 переходит 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). Электроны гидроксильных групп возвращаются в молекулу хлорофилла на место возбужденных. В процессе переходов протоны и электроны накапливаются по разные стороны мембраны грана хлоропласта и создают разность потенциалов. Когда разность потенциалов достигает критического уровня, протоны проходят по специальным каналам мембран, в которых находятся ферменты, синтезирующие АТФ. Таким образом, в световую фазу фотосинтеза, которая протекает в гранах хлоропластов только на свету, происходят следующие процессы: фотолиз воды с выделением кислорода, синтез АТФ.

В темновую фазу фотосинтеза накопленная в световую фазу энергия используется для синтеза моносахаридов из диоксида углерода и водорода. 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.

Значение фотосинтеза огромно. Это главный процесс, протекающий в биосфере. При этом атмосфера обогащается кислородом и очищается от избытка диоксида углерода.

Дата добавления: 2013-12-12