Главная страница
qrcode

биолог. УМО. Социального развития российской федерации астраханская государственная


Скачать 10.36 Mb.
НазваниеСоциального развития российской федерации астраханская государственная
Дата15.10.2020
Размер10.36 Mb.
Формат файлаdocx
Имя файлабиолог. УМО.docx
ТипУчебное пособие
#43478
страница6 из 11
Каталог
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

8. Обмен веществ и энергии


Все живые организмы, обитающие на Земле, представляют собой открытые системы, существующие во взаимосвязи с внешней средой. В результате таких взаимодействий в организмы поступают вещества и энергия, а выводятся продукты жизнедеятельности. Таким образом, обмен веществ и энергии является одним из важнейших свойств живого. Обмен веществ – это совокупность биохимических процессов, протекающих в живом организме и обеспечивающих все процессы жизнедеятельности. В зависимости от особенности обмена веществ живые организмы разделяют на две группы:

Автотрофы – способные синтезировать органические вещества из неорганических. Автотрофы, использующие для синтеза органических веществ энергию солнечного света, получили название фотосинтезирующих, а организмы, использующие энергию химических реакций – хемосинтезирующих.

Гетеротрофы – организмы способные питаться только готовыми органическими веществами.

Существуют так же миксотрофные организмы, сочетающие автотрофный и гетеротрофный тип питания. Примером может служить эвглена зеленая.

Обмен веществ у гетеротрофных организмов состоит из двух взаимосвязанных и одновременно взаимопротивоположных процессов – диссимиляции и ассимиляции.
8.1 Диссимиляция (энергетический обмен, катаболизм) – процесс расщепления сложных макромолекул на более простые, сопровождающийся выделением энергии. В организме человека и животных процесс диссимиляции протекает в три этапа.

Подготовительный этап – проходит в организме, в организме человека и животных в желудочно-кишечном тракте под действием пищеварительных ферментов, а так же в цитоплазме клеток. На этом этапе белки расщепляются до аминокислот, жиры до глицерина и жирных кислот, полисахариды до моносахаридов. Вся выделяющаяся на этом этапе энергия выделяется в виде тепла, не запасаясь в АТФ

Бескислородный этап происходит в цитоплазме клетки под действием цитоплазматических ферментов. Образовавшиеся на первом этапе диссимиляции мономеры расщепляются без участия кислорода. Примером может служить процесс анаэробного расщепления глюкозы – гликолиз или брожение. Глюкоза, образовавшаяся на подготовительном этапе диссимиляции, попадает в ворсинки тонкого кишечника, откуда проникает в кровеносный сосуд и переносится током крови в клетки. В клетках глюкоза расщепляется до пировиноградной кислоты, а затем в зависимости от типа клеток до молочной кислоты, уксусной, масляной кислот или этилового спирта. В процессе гликолиза глюкоза не только распадается на две молекулы пировиноградной кислоты, но и теряет четыре атома Н+, то есть происходит ее окисление. Акцептором Н+ и электронов в этих реакциях является НАД – никотинамидадениндинуклеотид.

Суммарная реакция гликолиза следующая:

С
В зависимости от вида брожения в отсутствии кислорода пировиноградная кислота в клетках животных и молочнокислых бактерий восстанавливается до молочной кислоты.

С
Далее с током крови молочная кислота поступает в печень для синтеза гликогена и в клетки в митохондрии. В растительных клетках в процессе спиртового брожения от пировиноградной кислоты отщепляется СО
С
СН
На этом этапе выделяется 200 кДЖ энергии, 60% которой – 120 кДЖ, расходуется в виде тепла, а 40% – 80 кДЖ запасается в двух молекулах АТФ. Для предотвращения перегрева клеток и организма происходит поглощение большей части выделившейся энергии водой, входящей в состав клеток, так как вода обладает большой теплоемкостью.

Кислородный этап – расщепление органических веществ начинается в цитоплазме клеток под действием дыхательных ферментов и заканчивается в митохондриях при участии окислительно-восстановительных ферментов, находящихся на кристах. Молочная кислота, поступившая в митохондрии, соединяется с водой и образуется водород.

С
Атом водорода с помощью ферментов переносчиков переносится в межмембранное пространство, но перед переносом он отдает электрон. В результате чего атом водорода приобретает «+» и становится протоном Н+, создавая в межмембранном пространстве митохондрий протонный резервуар. Электроны накапливаются на внутренней поверхности мембран крист, присоединяются к молекуле О
+ + 2О
Суммарная реакция кислородного этапа окисления:

8.2 Ассимиляция (пластический обмен, анаболизм)

от латинского assimilacio – делать себе подобным.

В процессе ассимиляции из мономеров энергии, образовавшихся во время диссимиляции, происходит синтез органических веществ, свойственных данному организму. Рассмотрим процесс ассимиляции на примере биосинтеза белка. Биосинтез белка протекает в несколько этапов.

Транскрипция – переписывание информации с молекулы ДНК на информационную или матричную РНК (и-РНК или м-РНК). Процесс транскрипции происходит в ядре клетки, причем переписывается информация не со всей молекулы ДНК, а с определенных участков – генов. Транскрипции происходит одновременно с нескольких генов - как расположенных в одной, так и в разных хромосомах. В транскрипции участвуют ферменты, относящиеся к группе эндонуклеаз (эндо – внутри, нуклеус – ядро).

Фермент ДНК – топоизомераза раскручивает правозакрученную спираль ДНК, а фермент геликаза проникает между двумя цепочками ДНК, разрывая водородные связи и одна полинуклеотидная цепь отходит от другой. Затем фермент РНК – полимераза прикрепляется к исходной молекуле ДНК и двигаясь от 3/ к 5/ концу выстраивает молекулу и-РНК (м-РНК). Цепочка ДНК с которой осуществляется транскрипция называется кодогенной. Синтез молекулы и-РНК происходит по принципу комплиментарности из свободных нуклеотидов, поступающих в ядро клетки из цитоплазмы. В процессе синтеза и-РНК после прохождения РНК-полимеразы вдоль молекулы ДНК две цепи ДНК вновь объединяются в двойную спираль.

Образующаяся в процессе транскрипции и-РНК содержит точную копию информации, записанную в соответствующем участке ДНК.

Начало и окончание синтеза и-РНК, как и всех других видов РНК (т-РНК и р-РНК) на матрице молекулы ДНК, строго фиксированы специальными триплетами, осуществляющие запуск – инициацию и остановку – терминацию транскрипции. Участок ДНК, который указывает место начала транскрипции, называется промотор. Именно к промотору прикрепляется РНК-полимераза при переписывании наследственной информации. Последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК, достигнув которых РНК-полимераза открепляется от ДНК и прекращает транскрипцию, называется терминатор. Фрагмент молекулы ДНК, включающий промотор, переписываемую последовательность нуклеотидов и терминатор составляют единицу транскрипции, называемую транскриптон.

У эукариот вначале синтезируется незрелая и-РНК или про-и-РНК. Это связано с тем, что в состав генов у этих организмов входят как кодирующие аминокислоты участки – экзоны, так и не кодирующие – интроны. Ферменты рестриктазы, находящиеся в ядре клетки, вырезают и разрушают участки переписавшиеся с интронов, осуществляя так называемый процессинг. Ферменты лигазы сшивают оставшиеся части про-и-РНК, переписавшиеся с экзонов. Этот процесс называется сплейсинг. Только после процессинга и сплейсинга формируется зрелая или истинная и-РНК (м-РНК), содержащая информацию, переписанную с кодирующих аминокислоты нуклеотидов.

Трансляция – процесс переноса информации из ядра в цитоплазму и синтез, на основе этой информации, белковой молекулы. Синтезировавщаяся в ядре клетки зрелая и-РНК, через поры в ядерной оболочке выходит в цитоплазму и поступает на рибосомы, располагаясь между большой и малой субъединицами, объединяя их в единую органеллу. В присоединении к субъединицам рибосом и-РНК большую роль играет рибосомальная РНК. В синтезе белковой молекулы одновременно принимают участие сразу группа рибосом, называемых полирибосома или пролисома.

В цитоплазме клетки находятся т-РНК, отличающиеся находящимися на одной из петель триплетами – антикодонами, кодирующими одну из 26 аминокислот, входящих в состав белков. Антикодон комплиментарен строго определенному кодону и-РНК. На другой стороне т-РНК, располагается концевой триплет ЦЦА, одинаковый у всех видов т-РНК. Именно к этому триплету присоединяется строго определенная аминокислота, кодируемая антикодоном и транспортируемая данной т-РНК.

Присоединение аминокислоты к т-РНК требует затрат энергии, получаемой из АТФ и происходит при участии ферментов аминоацил – т-РНК – синтетаз. После присоединения аминокислоты к т-РНК образуется специфический комплекс – аминоацил т -РНК.


Схема. Синтез белка в рибосоме. 1. – рибосома, 2. и - РНК, 3. т-РНК с аминокислотами, 4. – белок.
Транспортные РНК с присоединившимися аминокислотами направляются к рибосомам, в большой субъединице которых располагаются два центра – аминоацильный и пептидильный (А-центр и Р-центр). В любой и-РНК первым располагается стартовый кодон АУГ, записывающий аминокислоту метионин. Этот кодон и-РНК располагается в рибосоме в области пептидильного центра. С этим кодоном комплиментарно соединяются т-РНК, несущая метионин.

Следующий за стартовым кодоном триплет и-РНК располагается в области аминоацильного центра. Транспортная РНК, имеющая антикодон комплиментарный данному триплету, переносит в рибосому еще одну аминокислоту и присоединяется к и-РНК. После этого, аминокислота метионин, перенесенная первой т-РНК, открепляется от нее и присоединяется к новой аминокислоте, образуя дипептид.

Освободившаяся т-РНК покидает рибосому и уходит в цитоплазму, а и-РНК перемещается на один триплет в сторону пептидильного центра, освобождая аминоацильный центр для еще одной т-РНК. Сборка белковой молекулы на рибосомах происходит достаточно быстро – каждую секунду добавляют две новых аминокислоты. Завершение синтеза полипептидной молекулы происходит тогда, когда в аминоацильный центр приходит один из терминирующих триплетов и-РНК – УАА, УАГ, УГА. Ни одна из т-РНК не имеет антикодона комплиментарного данным триплетам.

Биосинтез белковой молекулы завершается стадией конформации – формированием соответствующей пространственной структуры (первичной, вторичной, тритичной, четвертичной). После завершения синтеза белка молекула и-РНК распадается.
8.3 Автотрофное питание

Автотрофные клетки способны к самостоятельному синтезу органических соединений из СО
Фотосинтез – процесс преобразования энергии света в химическую энергию органических веществ, синтезируемых растениями. Фотосинтезирующими органеллами клетки являются хлоропласты. Структурной единицей хлоропластов являются тилакоиды, имеющие форму плоских мешочков и уложенные в стопки, называемые граны. Внутри тилакоидов располагаются особые структуры, называемые – квантосомы. Квантосомы более мелких размеров образуют фотосистему 1 (ФС-1), более крупные – фотосистему 2 (ФС-2). В центре квантосом находятся фотосинтезирующие пигменты – хлорофиллы и каратиноиды (каротины, ксантофиллы и некоторые другие).

Около 10 различных видов хлорофиллов отличаются по химическому строению, распространению в живых организмах и способности воспринимать свет с разной длиной волны – А, В, С, D, Е и другие. У высших растений имеются хлорофиллы а и в. Хлорофиллы С и D содержатся в клетках водорослей. В клетках фотосинтезирующих бактерий содержатся бактериохлорофиллы.

Хлорофиллы поглощают свет в синей и красной областях спектра, каратиноиды – в синей и синезеленой.

Каждая квантосома содержит около 200 молекул хлорофилла, из которых только 10 связаны с ферментативным комплексом. Ферментативный комплекс содержит группу белков – ферментов, называемых цитохромы, способных передавать свободный электрон. Центральное место в молекуле хлорофилла занимает атом магния.

Свет поглощают все пигменты, но только основные – синтетически активные принимают непосредственное участие в фотосинтезе. Вспомогательные пигменты – хлорофилл В и каротиноиды только передают энергию поглощенных квантов света активному, основному пигменту – хлорофиллу А. Процесс фотосинтеза протекает в две фазы – световую и темновую.

Световая фаза включает в себя процессы фотосинтетического фосфорилирования и фотолиз воды. Квант света выбивает электроны из хлорофиллов, входящих в состав ФС-1 и ФС-2, переводя их на более высокий уровень. Возбужденный электрон из ФС-2 переносится на молекулу специфического акцептора О
+ + 2ОН

Ферменты, осуществляющие процесс фотолиза, располагаются на внутренней мембране тилакоидов. В ФС-1 выбитые энергией света электроны соединяются с акцептором, представляющим собой железосодержащий белок. Далее эти электроны вместе с протонами поступают к коферменту НАДФ, который восстанавливается до НАДФ×Н

Таким образом, в световую фазу фотосинтеза, проходящую внутри тилакоидов, образуется два богатых энергией соединения – АТФ и НАДФ×Н
Темновая фаза фотосинтеза (цикл Кальвина) протекает в строме хлоропластов, куда поступают НАДФ×Н
6СО
Результатом фотосинтеза является образование 150 млрд. тонн органических веществ и выделение около 200 млрд. тонн свободного кислорода в год. Процесс фотосинтеза в бактериальных клетках, имеющих зеленые и пурпурные пигменты, протекает практически так же, как и у зеленых растений. Однако, источником водорода, используемого для восстановления соответствующих соединений, является не вода, а сероводород, а изредка карбоновые кислоты.

Бактериальный фотосинтез протекает без выделения кислорода:

6СО
Помимо фотосинтеза автотрофы используют для синтеза органических соединений энергию окисления неорганических веществ – сероводорода, серы, аммиака, азотистой кислоты, закисных соединений железа и некоторых других.

Хемосинтез присущ прокариотическим бактериальным организмам и был открыт русским ученым С.Н. Виноградским. Одной из важнейших групп хемосинтезирующих организмов являются нитрофицирующие бактерии, способные переводить аммиак, образующийся в процессе гниения до нитрита, а затем до нитрата.

2NH
2HNO
Азотная кислота в почве превращается в соли азотной кислоты, которые затем легко усваиваются растениями.

Серобактерии, огромное количество которых находится в черном море, окисляют H
2H
При недостатке H
2S +3O
Железобактерии переводят закисное железо в окисное, осуществляя тем самым, круговорот железа и образуя железную руду:

4FeCO
Энергия, образующаяся при окислении вышеприведенных веществ, расходуется хемосинтезирующими бактериями для синтеза органических веществ – углеводов, липидов, белков и других.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

перейти в каталог файлов


связь с админом