ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ

Метаболизм – совокупность всех ферментативных реакций клетки, связанных между собой и с внешней средой.

Клеточный метаболизм складывается из двух взаимосвязанных, одновременно протекающих процессов:

ü Ассимиляция (анаболизм, пластический обмен) – совокупность реакций биологического синтеза, протекающих с поглощением энергии.

ü Диссимиляция (катаболизм, энергетический обмен) – совокупность реакций расщепления, протекающих с выделением энергии.

Синтез веществ, идущий в клетке, называется биологическим синтезом – биосинтез.

Биологический смысл метаболизма состоит в создании необходимых организму веществ и обеспечении его энергией.

Метаболизм

АнаболизмКатаболизм

(Биосинтез сложных молекул из простых) (Распад органических веществ)

Синтез белков Синтез углеводов

Синтез нуклеиновых кислот

(происходит в ядре во время деления)

ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН.

Совокупность реакций биологического синтеза, при котором из поступивших в клетку веществ образуются вещества специальные для данной клетки. К пластическому обмену можно отнести биосинтез белков, фотосинтез, синтез нуклеиновых кислот, жиров, углеводов.

Фотосинтез.

Фотосинтез – процесс синтеза органических веществ из неорганических за счет энергии света, с выделением кислорода. Характерен для растений и некоторых бактерий.

Суммарное уравнение фотосинтеза: 6CO₂ + 6 H₂O + свет → C₆H₁₂O₆ + 6O₂↑

Фотосинтез происходит в:

ü хлоропластах – высшие растения;

ü хроматофоры – водоросли;

ü специализированные впячивания клеточных мембран – фотосинтезированные прокариоты.

Фотосинтез – сложный многоступенчатый процесс, в котором можно выделить две фазы: световую и тепловую.

Световая фаза.

1) Под действием квантового света молекула пигмента хлорофилла расположенная во внутренней мембране хлоропласта, переходит в возбужденное состояние и теряет электроны.

2) Выбитый электрон либо возвращается обратно, либо попадает на цепь окисляющих друг друга ферментов.

3) Цепь ферментов передает электроны на внешнюю сторону мембраны тилакоида к переносчику электронов. Мембрана заряжается отрицательно с наружной стороны.

4) Одновременно под действием света происходит фотолиз воды с образованием ионов H⁺и OH^-. Разложение воды идет внутри тилакоида на внутренней стороне мембраны, в результате деятельности специальных фермента. H₂O → H⁺+ OH^-

5) Образовавшиеся в ходе фотолиза H₂O протоны увеличивают содержание протонов в H⁺ резервуаре, создавая положительный заряд внутренней поверхности мембраны тилакоида.

6) Возникает разность потенциалов наружной и внутренней поверхности мембраны тилакоида. Когда величина протонного потенциала достигает критического уровня, протоны, через протонный канал фермента АТФ-синтезы, поступают на наружную поверхность мембраны тилакоида.

7) Освободившаяся энергия тратится на синтез АТФ из АДФ и фосфата – этот процесс называется фотофосфорилирование.

8) Ионы гидроксила оставшись без противоионов H⁺, отдают свои электроны и превращаются в свободные радикалы OH,

9) которые, взаимодействуя с друг другом, образуют воду и свободный кислород.

4OH → 2H₂O + O₂↑

10) Далее на внешней поверхности возбужденный электрон присоединяется к иону H⁺ восстанавливая его до атома H.

11) Далее атомы водорода соединяется с никотинамидадениндинуклеотидфосфатом (НАДФ) и восстанавливает его до НАДФ ž H₂.

12) Водород в таком связанном виде поступает в реакции темновой фазы.

Таким образом, в световую фазу фотосинтеза происходят следующие процессы: фотолиз воды с выделением O₂, восстановление НАДФ, синтез АТФ.

Темновая фаза (фаза фиксации углерода)

Осуществляется в строме хлоропласта, куда поступают АТФ, накопленная в световую фазу, НАДФžH от тилакоидов гран и CO₂ из воздуха. Кроме того, там постоянно находятся пятиуглеродные соединения, пентозы C_5, которые образуются в цикле Кальвина (цикл фиксации CO₂) (М. Кальвин американский биохимик, впервые описал фиксацию углекислого газа и превращение С в углеводы.)

Цикл Кальвина можно проследить на углероде, как главном элементе углеводов.

ü К пентозе C₅ присоединяется CO₂ , в результате чего появляется нестойкое шестиуглеродное соединение C₆, которое расщепляется на две трехуглеродные группы 2C₃ – триозы.

ü Каждая из триоз принимает по одной фосфатной группе от 2 АТФ, что обогащает молекулы энергией.

ü Каждая из триоз присоединяет по одному атому H от 2 НАДФžH.

ü После чего: одни триозы объединяются, образуя углеводы; 2С₃ → С₆ → С₆Н₁₂О₆другие триозы объединяются, образуя пентозы (5С₃ → 3С₅), и вновь включаются в цикл фиксации углекислого газа.

В результате фотосинтеза на Земле ежегодно образуются более 250 млрд. тонн органические вещества. В атмосферу поступают более 200 млрд.тонн свободного кислорода. Наземные растения ежегодно извлекают из атмосферы 20 млрд. тонн углерода, в форме СО₂, а все растительные сообщества ( включая водоросли) - 150 млрд. тонн.

Продуктивность фотосинтеза – 1г органики на 1 м² поверхности листьев за 1 час.

Космическую роль растений описана А.К. Тимирязевым:

ü выделяющийся кислород поддерживает жизнь всех аэробных организмов;

ü источник свободного кислорода;

ü из кислорода образуется озон, который защищает живые организмы от УФ радиации;

ü вовлечение диоксида углерода в круговорот веществ приводит к снижению его содержания в воде и атмосфере и препятствует накоплению его в различных средах жизни.

Хемосинтез.

Хемосинтез – процесс синтеза органических соединений из неорганических, который осуществляется за счет энергии, получаемой при окислении неорганических соединений (сероводорода, серы, аммиака, водорода, азотистой кислоты, закисных соединений железа и марганца). Хем - форма автотрофной ассимиляции, свойственная некоторым бактериям, которые называются хемосинтетики.

Хемосинтез был открыт в 1887г. русским микробиологом С.Н. Виноградским.

Наибольше значение имеют нитрифицирующие, железобактерии и серобактерии. Нитрифицирующие бактерии способны окислять: аммиак до нитрита (азотистая кислота), а затем до нитрата (азотная кислота). Азотная кислота реагируя с минеральными соединениями почвы, превращается в соли азотистой кислоты, которые хорошо усваиваются растениями.

Бесцветные серобактерии окисляют сероводород и накапливают в своих клетках серу. Железобактерии переводят закисное железо в окисное.

Получаемая, в ходе реакций, энергия используется бактериями для синтеза молекул АТФ, которая затем расходуется в реакциях синтеза органических соединений из неорганических по типу синтеза глюкозы в темновой фазе фотосинтеза.

Роль хемосинтеза в биосфере:

- учавствует в очистке сточных вод;

- увеличение плодородия почвы;

- способность накапливать минеральные вещества в почве;

- участвует в образовании руд железа и магния;

- участвует процессах коррозии;

- способствует вымыванию удобрений из почвы.

Биосинтез белка.

Биосинтез белка - важнейшая форма пластического обмена; создание молекулы белка на основе информации о последовательности аминокислот в его первично структуре, заключенной в структуре ДНК.

Многообразие свойств белков определяется их первичной структурой, то есть последовательностью аминокислот. Каждой аминокислоте в полипептидной цепочке соответствует комбинация из трех нуклеотидов – триплет.

Пример: участок цепи ДНК ТТТ соответствует аминокислоте лизину, отрезок АЦА – цистеину, и т.д.

Определенные сочетания нуклеотидов, и последовательность их расположения в молекуле ДНК, является кодом, несущим информацию о структуре белка, или генетическим кодом.

Свойства генетического кода:

1) Выраженность (избыточность). Каждая аминокислота зашифрована несколькими кодонами. Исключение – метионин и триптофан (кодируются одним кодоном). Для кодирования 20 аминокислот используются 61 комбинация нуклеотидов. Триплет АУГ, кодирующий метионин, называется стартовым. С него начинается синтез белка. Триплеты УАД, УГА, УАГ – стопкодоны (не кодируют аминокислоты), несут информацию о прекращении синтеза белка, их называют терминаторы.

2) Триплетность: одну аминокислоту кодирует последовательность из трех нуклеотидов. Пример: ЦУУ – лейцин, ГЦА – аланин.

3) Универсальность: одни и те же триплеты кодируют одинаковые аминокислоты у всех организмов на Земле (от бактерий до млекопитающих).

4) Специфичность: один и тот же триплет не может соответствовать нескольким аминокислотам.

5) Дискретность (неперекрываемость): кодовые триплеты никогда не перекрываются. То есть транслируются всегда целиком.

6) Колинеарность: последовательность аминокислот в синтезированной молекуле белка совпадает с последовательностью триплетов в иРНК (мРНК).

7) Однонаправленность: считывание информации с кодирующей цепочки ДНК идет в направлении 3'→ 5'.

Участок ДНК, содержащий информацию об аминокислотной последовательности одного белка, транспортной или рибосомальной РНК, называется геном. В эукариотических клетках гены находятся в хромосомах, расположенных в ядре клетки, отделенном от цитоплазмы ядерной оболочкой. Для того чтобы синтезировался белок, информация о последовательности нуклеотидов в его первичной структуре должна быть доставлена к рибосомам. Этот процесс включает несколько этапов.

Гены дискретны: кодирующие последовательности прерываются участками, не кодирующими информацию о синтезе белка (интроны). Интроны удаляются из иРНК, в результате чего образуется матричная РНК. На основании информации, находящейся в мРНК, осуществляется синтез белка в цитоплазме на рибосомах.

<12 13 141516 17 18 >

Дата добавления: 2016-06-15; просмотров: 3063;