Біологія в класі

  1. енергетичний обмін
  2. біосинтез білків
  3. фотосинтез

Постійний обмін речовин з навколишнім середовищем - одне з основних властивостей живих систем. У клітинах безперервно йдуть процеси біосинтезу (асиміляція, або пластичний обмін), т. Е. За участю ферментів з простих органічних сполук утворюються складні: з амінокислот - білки, з моносахаридів - полісахариди, з нуклеотидів - нуклеїнові кислоти і т. Д. Всі процеси синтезу ідуть з поглинанням енергії. Приблизно з такою ж швидкістю йде і розщеплення складних молекул до більш простих з виділенням енергії (дисиміляція, або енергетичний обмін). Завдяки цим процесам зберігається відносна сталість складу клітин. Синтезовані речовини використовуються для побудови клітин і їх органоїдів і заміни витрачених або зруйнованих молекул. При розщепленні високомолекулярних сполук до більш простих виділяється енергія, необхідна для реакцій біосинтезу.

Сукупність реакцій асиміляції і дисиміляції, що лежать в основі життєдіяльності і обумовлюють зв'язок організму з навколишнім середовищем, називається обміном речовин.

Для реакцій обміну характерна висока організованість і впорядкованість. Кожна реакція протікає за участю специфічних білків-ферментів. Вони розташовуються в основному на мембранах органоїдів і в гіалоплазме клітин в строго визначеному порядку, що забезпечує необхідну послідовність реакцій. Завдяки ферментним системам реакції обміну йдуть швидко і ефективно в звичайних умовах - при температурі тіла і нормальному тиску.

Пластичний і енергетичний обміни нерозривно пов'язані. Вони є протилежними сторонами єдиної процесу обміну речовин. Реакції біосинтезу потребують затрати енергії, яка постачається реакціями енергетичного обміну. Для здійснення реакцій енергетичного обміну необхідний постійний біосинтез ферментів і структур органоїдів, які в процесі життєдіяльності поступово руйнуються.

Процеси асиміляції не завжди знаходяться в рівновазі з процесами дисиміляції. Так, в організмі, що росте процеси асиміляції переважають над процесами дисиміляції, завдяки чому забезпечується накопичення речовин і зростання організму. При інтенсивній фізичній роботі і в старості переважають процеси дисиміляції. У першому випадку це компенсується посиленим харчуванням, а в другому відбувається поступове виснаження і в кінцевому підсумку загибель організму.

енергетичний обмін

Енергетичний обмін - це сукупність реакцій ферментативного розщеплення складних органічних сполук, що супроводжуються виділенням енергії. Частина енергії розсіюється у вигляді тепла, а частина акумулюється в макроергічних зв'язках АТФ і використовується потім для забезпечення різноманітних процесів життєдіяльності клітини: біосинтетичних реакцій, надходження речовин в клітину, проведення імпульсів, скорочення м'язів, виділення секретів і ін.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ, аденозинтрифосфат) є обов'язковим компонентом будь-який живий клітини. АТФ - мононуклеотид, що складається з азотистої основи аденіну, пятиуглеродного моносахарида рибози та трьох залишків фосфорної кислоти, які з'єднані один з одним високоенергетичними (макроергічними) зв'язками. АТФ розщеплюється під дією особливих ферментів в процесі гідролізу - приєднання води. При цьому відщеплюєтьсямолекула фосфорної кислоти і АТФ перетворюється в АДФ (аденозиндифосфат), а при подальшому відщепленні фосфорної кислоти - в АМФ (аденозинмонофосфат). Відщеплення однієї молекули фосфорної кислоти супроводжується виділенням 40 кДж енергії. Зворотний процес перетворення АМФ в АДФ і АДФ в АТФ відбувається переважно в мітохондріях шляхом приєднання молекул фосфорної кислоти з виділенням води і поглинанням більшого (більше 40 кДж на кожен етап) кількості енергії.

Виділяють три етапи енергетичного обміну:

* Підготовчий,
* Безкисневий,
* Кисневий.

Підготовчий етап протікає в травному тракті тварин і людини або в цитоплазмі клітин усіх живих істот. На цьому етапі великі органічні молекули під дією ферментів розщеплюються на мономери: білки до амінокислот, жири до гліцерину і жирних кислот, крохмаль і глікоген до моносахаридів, нуклеїнові кислоти до нуклеотидів. Розпад речовин на цьому етапі супроводжується виділенням невеликої кількості енергії, яка розсіюється у вигляді тепла.

Безкисневий (анаеробний) етап енергетичного обміну протікає в цитоплазмі клітин. Мономери, що утворилися на першому етапі, піддаються подальшому багатоступінчатому розщепленню без участі кисню. Наприклад, при гліколізі (розщеплення глюкози, що відбувається в тваринних клітинах) одна молекула глюкози розщеплюється на дві молекули піровиноградної кислоти (С3Н4О3), яка в деяких клітинах, наприклад м'язових, відновлюється до молочної кислоти. При цьому виділяється близько 200 кДж енергії. Частина її (близько 80 кДж) йде на синтез двох молекул АТФ, а решта (близько 120 кДж) розсіюється у вигляді тепла. Сумарне рівняння цієї реакції виглядає наступним чином:

С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 -> 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О.

В клітинах рослинних організмів і деяких дріжджових грибків розпад глюкози йде шляхом спиртового бродіння. При цьому піровиноградна кислота, що утворилася в процесі гліколізу, декарбоксилируется з утворенням оцтового альдегіду, а потім відновлюється до етилового спирту.

В ході безкисневого етапу енергетичного обміну розпад однієї молекули глюкози супроводжується синтезом двох молекул АТФ. У анаеробних організмів (деякі бактерії, внутрішньокишкові паразити) цей етап бути кінцевим. Гліколіз протікає в деяких тканинах багатоклітинних організмів, які здатні функціонувати в анаеробних умовах, приміром у поперечно-смугастих м'язах під час великих навантажень. При цьому в м'язах накопичується молочна кислота, що є однією з причин їх стомлення. Під час відпочинку м'язів вона включається в наступний (кисневий) етап енергетичного обміну. Реакції гліколізу щодо неефективні, так як кінцеві продукти містять в собі ще велика кількість енергії.

Кисневий (аеробний) етап енергетичного обміну має місце тільки у аеробних організмів. Він полягає в подальшому окисленні молочної (або піровиноградної) кислоти до кінцевих продуктів - СО2 і Н2О. Цей процес протікає в мітохондріях за участю ферментів і кисню. На перших стадіях кисневого етапу від молочної кислоти поступово відщеплюються протони й електрони, що накопичуються по різні боки внутрішньої мембрани мітохондрії і створюють різницю потенціалів. Коли вона досягає критичного значення, протони, проходячи по спеціальних каналах мембрани, в яких знаходяться ферменти, які синтезують АТФ, віддають свою енергію для приєднання залишку фосфорної кислоти до АМФ або АДФ. Цей процес супроводжується виділенням енергії, достатньої для синтезу 36 молекул АТФ (1440 кДж). Рівняння кисневого етапу виглядає так:

2С3Н6О3 + 6O2 + 36Н3РO4 + 36АДФ -> 36АТФ + 6СО2 + 42Н2О.

Сумарне рівняння анаеробного і аеробного етапів енергетичного обміну має такий вигляд:

C6H12O6 + 38АДФ + 38Н3РО4 + 6О2 -> 38АТФ + 6СО2 + 44Н2О.

Таким чином, в ході другого і третього етапів енергетичного обміну при розщепленні однієї молекули глюкози утворюється 38 молекул АТФ. На це витрачається 1520 кДж (40 кДж * 38), а всього виділяється 2800 кДж енергії. Отже, 55% енергії, що вивільняється при розщепленні глюкози, акумулюється клітиною в молекулах АТФ, а 45% розсіюється у вигляді тепла. Основну роль в забезпеченні клітин енергією грає кисневий етап.

Аналогічним чином в енергетичний обмін можуть вступати білки і жири. При розщепленні амінокислот крім діоксиду вуглецю і води утворюються азотовмісні продукти (аміак, сечовина), що виводяться через систему виділення.

Пластичним обміном називається сукупність реакцій біологічного синтезу, при якому з надійшли в клітку речовин утворюються речовини, специфічні для даної клітини. До пластичного обміну відноситься біосинтез білків, фотосинтез, синтез нуклеїнових кислот, жирів і вуглеводів.

біосинтез білків

Здійснюється у всіх клітинах про- та еукаріотичних організмів, це невід'ємна властивість живого. Інформація про первинну структуру білкової молекули, від якої залежать всі інші структури і властивості, закодована послідовністю нуклеотидів в відповідній ділянці молекули ДНК - гені. Оскільки інформація про структуру молекули білка знаходиться в ядрі, а його збірка йде в цитоплазмі (у рибосомах), в клітці є посередник, що копіює і передає цю інформацію. Таким посередником є ​​інформаційне РНК (і-РНК). Спеціальний фермент (РНК-полімераза) розщеплює подвійну ланцюжок ДНК, і на одній з її ланцюгів за принципом комплементарності шикуються нуклеотиди РНК. Таким чином, синтезована молекула і-РНК повторює порядок нуклеотидів в ДНК Цей процес називається транскрипцією (переписуванням). Синтезована таким способом (матричний синтез) молекула і-РНК виходить в цитоплазму, і на один її кінець нанизуються малі субодиниці рибосом.

Система запису генетичної інформації в ДНК (і-РНК) у вигляді певної послідовності нуклеотидів називається генетичним кодом.

Властивості генетичного коду:

* Триплетність - однієї амінокислоті в поліпептидного ланцюжку відповідають три розташованих поруч нуклеотиду молекули ДНК (і-РНК), звані кодоном або кодоном;
* Універсальність - однакові кодони кодують одну і ту ж амінокислоту у всіх живих організмів;
* Неперекриваемость - один нуклеотид не може входити одночасно у складі кількох кодонів;
* Надмірність - одну амінокислоту можуть кодувати кілька різних триплетів.

Наступний етап в біосинтезі білка - переклад послідовності нуклеотидів в молекулі і-РНК в послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюжку - трансляція. Транспортні РНК (т-РНК) «приносять» амінокислоти в рибосому. Молекула т-РНК має складну конфігурацію. На деяких ділянках її між комплементарними нуклеотидами утворюються водневі зв'язки, і молекула за формою стає схожою на лист конюшини. На його верхівці розташований триплет вільних нуклеотидів, які за своїм генетичним кодом відповідають даній амінокислоті (він називається антикодоном), а підстава служить місцем прикріплення цієї амінокислоти. Кожна т-РНК може переносити тільки свою амінокислоту, отже, їх 20, як і амінокислот. Т-РНК активується спеціальними ферментами, після чого приєднує свою амінокислоту і транспортує її в рибосому. Усередині рибосоми в кожний даний момент знаходиться всього два кодону і-РНК. Якщо антикодон т-РНК є комплементарним кодону і-РНК, то відбувається тимчасове приєднання т-РНК з амінокислотою до і-РНК. До другого кодону приєднується друга т-РНК, що несе свою амінокислоту. Амінокислоти розташовуються у активного центру великої субодиниці рибосоми, і за допомогою ферментів між ними встановлюється пептидний зв'язок. Одночасно руйнується зв'язок між першою амінокислотою і її т-РНК, і т-РНК йде з рибосоми за наступною амінокислотою. Рибосома переміщується на один триплет, і процес повторюється. Так поступово нарощується молекула поліпептиду, в якій амінокислоти розташовуються в строгій відповідності з порядком кодують їх триплетів (матричний синтез). Часто на одну і-РНК нанизується не одна рибосома, а кілька (такі структури називаються полисомой); при цьому синтезується кілька однакових білкових молекул.

Після завершення синтезу білкова молекула відділяється від рибосоми і набуває властиву їй (вторинну, третинну або четвертинних) структуру. Біосинтез білка йде досить швидко. За 1 з бактеріальна рибосома утворює поліпептид з 20 амінокислот. Швидкість біосинтезу залежить від активності ферментів, які каталізують процеси транскрипції і трансляції, від температури, концентрації водневих іонів, наявності АТФ і вільних амінокислот і інших чинників.

Схема біосинтезу білка:   1 - т-РНК з амінокислотами, 2 - т-РНК, 3 - Амінокислота, 4 - Мала субодиниця рибосоми, 5 - і-РНК, 6 - Кодон, 7 - Антикодон, 8 - Велика субодиниця рибосоми
Схема біосинтезу білка:
1 - т-РНК з амінокислотами, 2 - т-РНК, 3 - Амінокислота, 4 - Мала субодиниця рибосоми, 5 - і-РНК, 6 - Кодон, 7 - Антикодон, 8 - Велика субодиниця рибосоми

Слід підкреслити, що в клітинах є спеціальні механізми, що регулюють активність генів, завдяки чому в кожен даний момент синтезуються тільки ті білки, які їй необхідні.

фотосинтез

За типом харчування живі організми діляться на дві групи - автотрофні і гетеротрофні.

Гетеротрофних називаються організми, які не здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних і використовують в якості їжі (джерела енергії) готові органічні сполуки. До гетеротрофам відноситься більшість бактерій, грибів і тварин.

Автотрофними називаються організми, здатні створювати з неорганічних речовин органічні, службовці будівельним матеріалом і джерелом енергії. До них відносяться деякі пігментовані бактерії і всі зелені рослини. Автотрофні організми підрозділяються на хемосинтезирующие і фотосинтезуючі. Хемосинтезирующие організми (бактерії) споживають енергію, що виділяється при окисленні деяких неорганічних речовин (наприклад, нитрифицирующие бактерії послідовно окислюють аміак до нітритів а потім нітрити до нітратів). Фотосинтезуючі організми (зелені рослин) використовують енергію світла.

Зелені рослини здатні за допомогою пігменту хлорофілу, що міститься в хлоропластах, перетворювати світлову енергію Сонця в енергію хімічних зв'язків органічних речовин. Зокрема, з енергетично бідних речовин СО2 і Н2О вони синтезують багаті енергією вуглеводи і виділяють кисень. Цей процес називається фотосинтезом. Він протікає в дві фази: світлову та темновую.

Процес фотосинтезу починається з моменту освітлення хлоропласта видимим світлом. При поглинанні молекулою хлорофілу кванта світла один з її електронів переходить в «порушену» стан і піднімається на більш високий енергетичний рівень. Одночасно під дією світла відбувається фотоліз води з утворенням іонів Н + і ОН-. Збуджений електрон приєднується до іона водню (Н +), відновлюючи його до атома (Н). Далі атоми водню з'єднуються з нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат (НАДФ) і відновлюють його до НАДФН2. Іони гідроксилу, залишившись без противоионов Н +, віддають свої електрони і перетворюються в вільні радикали ОН, які, взаємодіючи один з одним, утворюють воду і вільний кисень:

4ОН -> 2Н2О + О2

Електрони гідроксильних груп повертаються в молекулу хлорофілу на місце порушених. В процесі переходів протони й електрони накопичуються по різні боки мембрани грани хлоропласта (протони на внутрішній, а електрони на зовнішній поверхні) і створюють різницю потенціалів. Коли різниця потенціалів досягає критичного рівня, протони проходять по спеціальних каналах мембран, в яких знаходяться ферменти, які синтезують АТФ. Енергія протонів і електронів використовується ферментами для приєднання залишку фосфорної кислоти до АМФ або АДФ. Таким чином, в світлову фазу фотосинтезу, яка протікає в гранах хлоропластів тільки на світлі, відбуваються такі процеси: іонізація води з виділенням кисню, відновлення НАДФН2 і синтез АТФ.

У темновую фазу фотосинтезу накопичена в світлову фазу енергія використовується для синтезу моносахаридів з діоксиду вуглецю (надходить з повітря через продихи) і водню (від'єднується від НАДФH2) шляхом складних ферментативних реакцій. У підсумку виходить:

6СO2 + 24Н -> С6Н12O6 + 6Н2O.

Надалі можуть утворюватися ди-, полісахариди та інші органічні сполуки (амінокислоти, жирні кислоти та ін.). Цей процес не вимагає прямої участі світла, тому його називають темнової фазою фотосинтезу. Він протікає в стромі хлоропластів як на світлі, так і в темряві. Коефіцієнт корисної дії фотосинтезу досягає 60%.

Значення фотосинтезу величезна. Це головний процес, що протікає в біосфері. Енергія Сонця акумулюється в хімічних зв'язках органічних сполук, які йдуть на харчування всіх гетеротрофів. При цьому атмосфера збагачується киснем і очищається від надлишку діоксиду вуглецю.