Обмен веществ и энергии

Живые организмы осуществляют постоянный обмен веществ и энергии с окружающей средой.

В организмах постоянно идут процессы биосинтеза.

Биосинтез
— это построение из простых веществ более сложных.

В клетках обнаружено более 1000 ферментов.

Любые реакции, происходящие в клетке, идут с поглощением Q.

Различают первичный метаболизм — синтез и распад белков, НК, липидов, углеводов и аскорбиновой кислоты (характерен для всех живых организмов); и вторичный метаболизм — это образование и превращение других классов органических веществ (характерен для грибов, растений и некоторых прокариот (антибиотики)).

Пластический обмен — это совокупность реакций биологического синтеза. Из веществ, поступающих из вне, образуются соединения подобные веществам клетки.

Биосинтез белка

Свойства белка определяются его первичной структурой.

Каждой аминокислоте на молекуле ДНК и РНК соответствует три нуклеотида, т.е. последовательность нуклеотидов ДНК (РНК) — это генетический код, несущий информацию о структуре белка.

Генетический код всех организмов обладает общими свойствами:

  1. Избыточность
    Г, Ц, Т, А: 43 = 64 — общее число возможных комбинаций, но кодируется всего 20 аминокислот; т.е. одной аминокислоте соответствует несколько кодов.
    Избыточность повышает надежность генетического кода на случай мутаций.
  2. Специфичность. Один триплет всегда соответствует только одной аминокислоте.
  3. Универсальность. Подобный механизм биосинтеза белка характерен для всех живых организмов — от вируса до человека (ТТТ — отвечает за аминокислоту лизин у всех видов).
  4. Дискретность. Триплеты не перекрываются. У некоторых вирусов это свойство не всегда проявляется.
  5. В одной молекуле ДНК записана информация о нескольких сотнях различных белков.
  6. Гены, отвечающие за синтез белков, в молекуле ДНК разграничены между собой триплетами:
    • триплеты-инициаторы начинают синтез и-РНК (АУГ, ГУГ);
    • триплеты-терминаторы прекращают синтез и-РНК (УАА, УАГ, УГА).
  7. И-РНК несет информацию об одном белке.
  8. Доставка информации к рибосомам, где происходит синтез белка, происходит в два этапа:
    a. транскрипция — синтез и-РНК на ДНК;
    b. трансляция (от лат. "перенесение").

У эукариот и-РНК выносится из ядра в цитоплазму. У прокариот синтез белка может начаться еще во время синтеза и-РНК.

У эукариот образуется комплекс между специальными белками и и-РНК, который и переходит в цитоплазму.

В цитоплазме со стороны триплета-инициатора подходит рибосома и начинается синтез полипептида (белка).

Триплеты распознаются т-РНК, которая может переносить только одну аминокислоту.

Схема синтеза белка

За 1 секунду 1 рибосома способна присоединить 20 аминокислот.

Энергетический обмен (диссимиляция, катаболизм)

Энергетический обмен
- это совокупность реакций ферментативного расщепления богатых энергией органических веществ и образование соединений с макроэргетическими связями.

При разрыве макроэргической связи выделяется большое количество энергии (АТФ, ГТФ и др.).

Эти вещества обеспечивают в организме проведение импульсов, синтез и распад различных веществ, активный транспорт веществ и др.

В органических соединениях химическая энергия заключена в виде ковалентных связей между атомами (в одном моле глюкозы (180 г) заключено примерно 2800 кДж).

В одной клетке содержится порядка 1 млрд. АТФ.

Энергетический обмен делится на 3 этапа:

  1. Подготовительный (пищеварение)
    Происходит вне клетки. При этом выделяется небольшая часть Q, которая рассеивается в виде тепла.
    Полимеры распадаются до мономеров.
  2. Бескислородный
    Мономеры поступают в клетку.
    a. Гликолиз — бескислородное ферментативное расщепление глюкозы:
    C6H12O6 + 2H3PO4 + 2АДФ → 2C3H4O3 + 2H2O + 2АТФ
    C3H4O3 — ПВК (пируват, пировиноградная кислота) восстанавливается до молочной кислоты C3H4O3.
    Гликолиз характерен для всех живых организмов и является древнейшим способом получения энергии.
    У низших животных молочная кислота в результате брожения может перейти в этанол (дрожжи), ацетон (некоторые прокариоты). У многоклеточных молочная кислота способна накапливаться при сильных и длительных нагрузках.
    b. Брожение
    Распространено широко.
    Большинство веществ поддается сбраживанию.
    Конечные продукты брожения — этанол, ацетон, масляная кислота, бутанол.
    Образование АТФ малоэффективно, т.к. образуются соединения со многими ковалентными связями.
  3. Кислородный (дыхание)
    Окисление протекает в митохондриях.
    Конечными продуктами расщепления являются CO2 и H2O:
    C6H12O6 (2C3H6O3)+ 6O2 + 36Ф + 36АДФ → 6CO2 + 6H2O + 36АТФ

Выводы:

  • Кислородный этап в 18 раз эффективнее бескислородного.
  • Учитывая бескислородный и кислородный этапы в результате расщепления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.

В митохондриях кроме глюкозы расщепляются жирные кислоты.

Типы питания
По типу питания все живые организмы делятся на две группы:

  • Автотрофы ("сам себя питает") - фототрофы и хемотрофы
  • Гетеротрофы — сапрофиты и паразиты

Фототрофы:

  1. Источник органического вещества CO2, H2O, минеральные вещества.
  2. Источник энергии — солнце.
  3. Представители — эвглена зеленая, все виды растений, цианобактерии, оксифотобактерии.

Хемотрофы:

  1. NH3, H2S, FeO, H2O.
  2. Экзотермические окислительно-восстановительные реакции.
  3. Нитробактерии, серобактерии, железобактерии.

Сапрофиты:

  1. Мертвые тела.
  2. Экзотермические реакции окисления органических веществ.
  3. Большинство животных, грибы, бактерии.

Паразиты:

  1. Органические вещества живых тел.
  2. Аналогично сапрофитам.
  3. Насекомые, круглые и плоские черви, простейшие, вирусы, фаги, грибы (микозы), растения (петров крест).

Существует ряд организмов питающихся автотрофно и гетеротрофно (подкласс растительных жгутиконосцев — эвглена зеленая).

Фотосинтез

В год растениями фиксируется примерно 170*106 тонн углерода.

В результате образуется примерно 40*106 тонн органических веществ.

КПД фотосинтеза около 1%.

Продуктивность растений = 1 г/м2*ч (грамм на квадратный метр в час).

КПД у одноклеточной водоросли хлореллы достигает 10%.

Фотосинтез в хлоропластах протекает в два этапа. В тилакоидах гран протекают реакции, вызванные светом (световые реакции). В строме (матриксе) хлоропласта протекают реакции, несвязанные со светом (темновые реакции).

Световые реакции:

  1. Свет (hν) попадает на молекулу хлорофилла, находящуюся в мембране теллакоида граны. Это вызывает потерю одного e- у Mg. Электроны накапливаются на наружной стороне мембраны, создавая отрицательный заряд.
    Накопление заряда в хлорофилле под действием света
  2. Место ушедшего электрона занимает e- воды.
    Реакция фотолиза:
    H2O ↔ H+ + OH- (катализатор hν)
    OH- - 1e- → OH
    4OH → 2H2O + O2
  3. Протоны водорода накапливаются на внутренней стороне мембраны, создавая положительный заряд.
    Между внутренней и наружной сторонами создается разность потенциалов.
  4. При достижении критического уровня разности потенциалов, что равно 200мВ (милливольт), протоны водорода устремляются наружу по протонному каналу фермента АТФ-синтетазы.
    Синтез АТФ

    Полученная при этом энергия идет на синтез АТФ.
  5. Водород на внешней стороне мембраны соединяется с e- и восстанавливает фермент НАДФ (никотинаминоадениндинуклиотидфосфат):
    НАДФ+ (окисленная форма) + 2e- + H+ → НАДФ-H (восстановленная форма)

В световые реакции поступают hν, H2O, АДФ и НАДФ+. В результате образуются O2, АТФ, НАДФ-H.

АТФ и восстановленный НАДФ поступают в темновые реакции.

Темновые реакции (цикл Кальвина):
Открыл Кальвин в 1962 г.

Темновые реакции проходят в строме хлоропласта, куда поступают АТФ, восстановленный НАДФ-H, CO2. Кроме этого в строме постоянно находятся пентозы — C5H10O5.

  1. К пентозе присоединяется CO2, при этом образуется неустойчивая гексоза:
    C5... + CO2 → C6...
    , которая сразу же распадается на две триозы:
    C6... → 2C3...
  2. Триозы насыщаются от АТФ энергией в виде фосфорного остатка с макроэргической связью:
    C3... + АТФ → C3...~Ф + АДФ
  3. Далее триозы восстанавливается НАДФ-Н (насыщаются водородом):
    C3...~Ф + НАДФ-H → H-C3...~Ф + НАДФ+
  4. a. Из двух триоз образуется гексоза (глюкоза), которая уходит из хлоропласта:
    2H-C3...~Ф → C6H12O6
    b. Часть триоз объединяется в пентозы, которые возвращаются в цикл Кальвина:
    5C3... → 5C5...

Схема световой и темновой фаз фотосинтеза:

Схема световой и темновой фаз фотосинтеза