Обмен веществ и энергии в клетке. §13. Обмен веществ и превращение энергии в клетке Как происходит обмен веществ и превращение энергии

В клетке постоянно происходит обмен веществ и энергии с окружающей средой. Обмен веществ (метаболизм) - основное свой- ство живых организмов. На клеточном уровне метаболизм включает два процесса: ассимиляцию (анаболизм) и диссимиляцию (катаболизм). Эти процессы происходят в клетке одновременно.

Ассимиляция (пластический обмен) - совокупность реакций био- логического синтеза. Из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества, характерные для данной клетки. Синтез веществ в клетке происходит с использованием энергии, заключенной в молекулах АТФ.

Диссимиляция (энергетический обмен) - совокупность реакций расщепления веществ. При расщеплении высокомолекулярных соединений выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза.

По типу ассимиляции организмы могут быть автотрофными, гетеротрофными и миксотрофными.

Автотрофная ассимиляция

Автотрофные организмы способны синтезировать органические вещества из неорганических (СО 2 и Н 2 О). К ним относят зеленые растения и микроорганизмы. В зависимости от того, какой источник энергии используется автотрофными организмами для синтеза органических веществ, их делят на две группы: фототрофы и хемотрофы.

Фотосинтез

Зеленые растения - фототрофы. Для ассимиляции они используют энергию, выделяемую при окислении неорганических веществ. Зеленые растения имеют в хлоропластах хлорофилл. При участии хлорофилла происходит фотосинтез. Фотосинтез - процесс преобразования солнечной энергии в потенциальную энергию химических связей в органических веществах. Фотосинтез состоит из двух фаз: световой и темновой.

Световая фаза. Под действием света молекула хлорофилла, находящаяся в гранах хлоропласта, получает избыток энергии. Часть этой энергии идет на расщепление (фотолиз) молекулы воды.

Ионы водорода присоединяют к себе электрон, превращаются в свободный атом водорода.

Водород Н идет на восстановление переносчика НАДФ + (никотинамидадениндинуклеотид фосфат).

НАДФ? Н переходит в строму хлоропласта, где участвует в синтезе углеводов.

Ионы ОН - , отдав электрон, превращаются в свободные радикалы, которые взаимодействуют друг с другом, образуют воду и свободный кислород.

Другая часть энергии используется для синтеза АТФ из АДФ.

В световую фазу фотосинтеза образуются: 1) богатое энергетическими связями вещество - АТФ; 2) свободный кислород - О 2 ; 3) происходит присоединение Н (водорода) к переносчику, образуется НАДФ? Н.

Реакции световой фазы идут без участия ферментов.

Темновая фаза. В темновой фазе происходит связывание СО 2 . В реакциях темновой фазы участвуют молекулы АТФ и атомы водорода, образовавшиеся в процессе фотолиза и связанные с молекулами-переносчиками. Реакции этой фазы происходят в строме хлоропластов при участии ферментов.

Полученные в результате темновой фазы фотосинтеза молекулы моносахарида - глюкозы через ряд ферментативных реак- ций превращаются в полисахариды. Так энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей сложных органических веществ.

Суммарная реакция фотосинтеза:

В результате фотосинтеза образуются органические вещества и кислород атмосферы.

Хемосинтез

Синтез органических веществ у автотрофных бактерий идет с использованием энергии, выделяющейся при химических реакциях окисления неорганических соединений: сероводорода, серы, аммиака, азотистой кислоты. Этот процесс называется хемосинтезом.

К группе автотрофов-хемосинтетиков относят нитрифицирующие бактерии. Одна группа бактерий получает энергию, необ- ходимую для синтеза органических веществ, в результате реакции окисления аммиака в азотистую кислоту.

Хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в круговороте веществ в природе.

Гетеротрофная ассимиляция

Гетеротрофные организмы строят органические вещества своего тела из уже имеющихся готовых органических веществ. К гетеротрофам относят животных, грибы, некоторых бактерий.

Гетеротрофные организмы способны строить свои специфические белки, жиры, углеводы только из белков, жиров, углево-

дов, которые они получают с пищей. В процессе пищеварения эти вещества распадаются до мономеров. Из мономеров в клетках синтезируются вещества, характерные для данного организма. Все эти реакции идут при участии ферментов и с использованием энергии АТФ.

Схема превращения веществ в гетеротрофном организме

Миксотрофная ассимиляция

Миксотрофные организмы (например эвглена зеленая) содержат пигмент хлорофилл и поэтому на свету могут быть автотрофами. При отсутствии света они становятся гетеротрофами.

Диссимиляция

По типу диссимиляции организмы делят на аэробные и анаэробные.

В организме человека, животных и большинства микроорганизмов энергия образуется в результате реакций катаболизма при дыхании или брожении. Эта энергия переходит в особую форму - энергию макроэргических связей молекул АТФ. С использованием энергии АТФ происходит биосинтез, деление клетки, сокращение мышц и другие процессы. Синтез АТФ осуществляется в митохондриях.

Аэробная диссимиляция

Энергетический обмен проходит в 3 этапа. 1-й этап - подготовительный.

На этом этапе молекулы сложных веществ (белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот) распадаются до мономеров. Выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде тепла. Синтез АТФ не происходит.

2-й этап - бескислородный (анаэробный).

Бескислородный распад протекает в цитоплазме клеток. Мономеры, образовавшиеся на первом этапе, расщепляются без участия кислорода, в несколько стадий. Расщепление происходит под действием ферментов с образованием энергии АТФ. Например, в мышцах (в цитоплазме клеток) молекула глюкозы распадается на две молекулы молочной кислоты и две молекулы АТФ.

3-й этап - кислородное расщепление (аэробное дыхание).

Все реакции этой стадии катализируются ферментами и проходят при участии кислорода в митохондриях. Вещества, образо- вавшиеся в предыдущем этапе, окисляются до конечных продуктов - СО 2 и Н 2 О.

При этом выделяется большое количество энергии.

Данный процесс называют клеточным дыханием. При окислении двух молекул молочной кислоты образуется 36 молекул АТФ. В результате второго и третьего этапов при расщеплении одной молекулы С 6 Н 12 О 6 выделяется 38 молекул АТФ.

Суммарное уравнение:

Анаэробная диссимиляция

Распад глюкозы у анаэробных бактерий может идти в бескислородных условиях. Этот процесс называется брожением. При брожении выделяется не вся энергия, заключенная в веществе, а лишь часть ее. Остальная энергия остается в химических связях в образовавшемся веществе.

При спиртовом брожении образуется спирт и две молекулы

АТФ.

Таким образом, при расщеплении глюкозы в аэробных условиях выделяется вся энергия и распад идет до конечных про- дуктов (СО 2 и Н 2 О), а при брожении выделяется часть энергии и распад идет до промежуточных продуктов реакций.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое обмен веществ?

2. Какие процессы включает метаболизм?

3. Что такое ассимиляция?

4. Что такое диссимиляция?

5. Какими могут быть организмы по типу ассимиляции?

6. Какие организмы относят к автотрофным?

7. Что такое фотосинтез?

8. Какие источники энергии могут использовать автотрофные организмы?

9. Из каких фаз состоит фотосинтез?

10.Что происходит в световой стадии фотосинтеза? 11.Что происходит в темновой стадии фотосинтеза? 12.Что образуется в результате фотосинтеза? 13.Что такое хемосинтез?

14.Какую энергию для синтеза используют автотрофные нитрифицирующие бактерии?

15. Какие организмы относят к гетеротрофным? 16.Какие вещества для синтеза используют гетеротрофные организмы?

17.Какие организмы относят к миксотрофным? 18.Какими могут быть организмы по типу диссимиляции? 19.Как происходит распад глюкозы в аэробном организме? 20. Из каких этапов состоит энергетический обмен? 21.Что происходит на подготовительном этапе энергетического обмена?

22.Что происходит на бескислородном этапе энергетического обмена?

23.Что происходит на 3-м этапе энергетического обмена? 24.Как происходит распад глюкозы в анаэробном организме? 25.Как называется процесс распада глюкозы в анаэробном организме?

Ключевые слова темы «Обмен веществ и энергии в клетке»

автотрофы

азотистая кислота

азотная кислота

аминокислоты

аммиак

анаболизм

анаэробы

ассимиляция

атмосфера

атом

аэробы

бактерии

белки

биосинтез

брожение

вещества

водород

восстановление

гетеротрофы

глицерин

глюкоза

граны

грибы

деление

диссимиляция

дыхание

жирные кислоты

жиры

избыток

ионы магния

использование

источник

катаболизм

круговорот

макроэргические связи метаболизм микроорганизмы миксотрофы митохондрии молекула АТФ молочная кислота мономеры

моносахарид

накопление

обмен

окисление

переносчик

пищеварение

полисахарид

природа

радикал

растения

расщепление

реакция

световая фаза

свойство

сера

сероводород синтез

совокупность сокращение мышц

солнечный свет

спирт

среда

стадия

строма

темновая фаза

углеводы

ферменты

фотолиз

фотосинтез

фототрофы

хемосинтез

хемотрофы

хлоропласт

хлорофилл

эвглена зеленая

электрон

Постоянный обмен веществ с окружающей средой - одна из основных свойств живых систем. В клетках непрерывно идут процессы биосинтеза (ассимиляция, или пластический обмен), то есть 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 расщепления сложных молекул до более простых с выделением энергии (диссимиляция, или энергетический обмен). Благодаря этим процессам сохраняется относительное постоянство состава клеток. Синтезированные вещества используются для построения клеток и их органоидов и замены израсходованных или разрушенных молекул. При расщеплении высокомолекулярных соединений до более простых выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза.

Совокупность реакций ассимиляции и диссимиляции, которая лежит в основе жизнедеятельности и обусловливает связь организма с окружающей средой, называется обменом веществ, или метаболизмом.

Для реакций обмена характерна высокая организованность и упорядоченность. Каждая реакция протекает с участием специфических белков - ферментов. Они располагаются в основном на мембранах органоидов и в гіалоплазмі клеток в строго определенном порядке, что обеспечивает необходимую последовательность реакций. Благодаря ферментным системам реакции обмена идут быстро и эффективно в обычных условиях - при температуре тела и нормальном давлении.

Пластический и энергетический обмены неразрывно связаны. Они есть противоположными сторонами единого процесса обмена веществ. Реакции биосинтеза требуют затраты энергии, которая восстанавливается реакциями энергетического обмена. Для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный биосинтез ферментов и структур органоидов, которые в процессе жизнедеятельности постепенно разрушаются.

Процессы ассимиляции не всегда находятся в равновесии с процессами диссимиляции. Так, в растущем организме, процессы ассимиляции преобладают над процессами диссимиляции, благодаря чему обеспечивается накопление веществ и рост организма. При интенсивной физической работе и в старости преобладают процессы диссимиляции. В первом случае это компенсируется усиленнымпитанием, а во втором происходит постепенное истощение и в конечном итоге гибель организма.

Энергетический обмен - это совокупность реакций ферментативного расщепление сложных органических соединений, сопровождающихся выделением энергии. Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть аккумулируется в макроэргических связях АТФ и используется затем для обеспечения разнообразных процессов жизнедеятельности клетки: биосинтетических реакций, поступление веществ в клетку, проведения импульсов, сокращения мышц, выделений секретов и т.д.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ, аденозинтрифосфат) является обязательным компонентом любой живой клетки. АТФ - мононуклеотид, состоящий из азотной основы аденіна, пяти углеродного моносахарида рибози и трех остатков фосфорной кислоты, которые соединены друг с другом высокоэнергетическими (макроергинними) связями. АТФ расщепляется под действием особых ферментов в процессе гидролиза - присоединение воды. При этом отщепляется молекула фосфорной кислоты и АТФ превращается в АДФ (аденозиндифосфат), а при дальнейшем відщеплюванні фосфорной кислоты - в АМФ (аденозинмонофосфат). Отщеплению одной молекулы фосфорной кислоты сопровождается выделением 40 кДж энергии. Обратный процесс превращение АМФ в АДФ и АДФ в АТФ происходит преимущественно в митохондриях путем присоединение молекул фосфорной кислоты с выделением воды и поглощением большего (более 40 кДж на каждый этап) количества энергии.

Выделяют три этапа энергетического обмена: 1) подготовительный, 2) бескислородный и 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 выделением небольшого количества энергии, которая рассеивается в виде тепла.

Бескислородный (анаэробный) этап энергетического обмена протекает в цитоплазме клеток. Мономеры, образовавшиеся на первом этапе, подвергаются дальнейшему многоступенчатому расщеплению без участия кислорода. Например, при гликолизе (расщепления глюкозы, что происходит в животных клетках) одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты (С 3 Н 4 0 3), которая в некоторых клетках, например мышечных,восстанавливается до молочной кислоты. При этом выделяется около 200 кДж энергии. Часть ее (около 80 кДж) идет на синтез двух молекул АТФ, а другая (около 120 кДж) рассеивается в виде тепла. Суммарное уравнение этой реакции выглядит следующим образом:

С 6 Н 2 0 6 + 2АДФ + 2Н 3 Р0 4 - 2С 3 Н 6 0 3 + 2АТФ + 2Н 2 0.

В клетках растительных организмов и некоторых дріжджевих грибков распад глюкозы идет путем спиртного брожения. При этом пировиноградная кислота, образовалась в процессе гликолиза, декарбоксилюється с образованием уксусного альдегида, а затем восстанавливается до этилового спирта.

Кислородный (аэробный) этап энергетического обмена имеет место только в организмов аэробов. Он заключается в последующем окислении молочной (или пировиноградной кислоты до конечных продуктов СО 2 и Н 2 О. Этот процесс протекает в митохондриях с участием ферментов и кислорода. На первых стадиях кислородного этапа от молочной кислоты постепенно відщеплюються протоны и электроны, которые накапливаются по разные стороны внутренней мембраны митохондрии и создают разницу потенциалов. Когда она достигает критического значения, протоны, проходя по специальным каналам мембраны, в которых находятся синтезирующие АТФ ферменты, отдают свою энергию для присоединения остатка фосфорной кислоты до АМФ или АДФ. Этот процесс сопровождается выделением энергии, достаточной для синтеза 36 молекул АТФ (1440 кДж). Уравнение кислородного этапа выглядит так:

2С 3 Н 6 0 3 + 60 2 + 36Н 3 Р0 4 + 36АДФ 36АТФ + 6С0 2 + 42Н 2 0.

Суммарное уравнение анаэробного и обмена этапов энергетического обмена выглядит следующим образом:

С 6 Н 12 0 6 + 38АДФ + 38Н 3 Р0 4 + 60 2 38АТФ + 6С0 2 + 44Н 2 0.

Таким образом, во время второго и третьего этапов энергетического обмена при расщеплении одной молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ. На это тратится 1520 кДж (40 кДж х 38), а всего выделяется 2800 кДж энергии. Итак, 55 % энергии, которая высвобождается при расщеплении глюкозы, аккумулируется клеткой в молекулах АТФ, а 45 % рассеивается в виде тепла. Основную роль в обеспечении клеток энергией играет кислородный этап.

Рис. 130. Схема строения АТФ и превращение ее в АДФ, при котором выделяется энергия, накопленная в макроенергетичній соединении.

Аналогичным образом в энергетический обмен могут вступать белки и жиры. При расщеплении аминокислот кроме двуокиси углерода и воды образуются азотмісткі продукты (аммиак, мочевина) выводятся через выделительную систему.

Пластическим обменом или ассимиляцией, или анаболізмом называется совокупность реакций биологического синтеза, при котором из веществ, поступивших в клетку, образуются вещества, специфические для данной клетки. К пластическому обмена относится биосинтез белков, фотосинтез, синтез нуклеиновых кислот, жиров и углеводов.

Название этого вида обмена отражает его сущность: из веществ, поступают в клетку извне, образуются вещества, подобные веществам клетки.

Рассмотрим одну из важнейших форм пластического обмена - биосинтез белков. Как уже отмечалось, все многообразие свойств белков конец счете определяется их первичной структурой, т.е. последовательностью аминокислот. Огромное количество отобранных в процессе эволюции уникальных сочетаний аминокислот воспроизводится путем синтеза нуклеиновых кислот с такой последовательностью азотных основ, которая соответствует последовательности в белках.

Каждой амінокислоті в поліпептидному цепочке соответствует комбинация из трех нуклеотидов - триплет. Так, амінокислоті цистеина соответствует триплет АЦА, валина - ЦАА, лизина - ТТТ т.д.

Рис. 131. Соотношение последовательности триплетов ДНК, РНК и аминокислот в белковой молекуле.

Генетический код (триплет и-РНК)

Примечание. Триплеты UAA, UAG, UGA не кодируют аминокислот, а являются стоп-сигналами при считывании.

Таким образом, определенные сочетания нуклеотидов и последовательность их расположения в молекуле ДНК является кодом, который несет информацию о структуре белка, или генетическим кодом.

Генетический код разных организмов имеет некоторые общие свойства.

1. Избыточность. Код включает всевозможные сочетания трех (из четырех) азотных оснований. Таких сочетаний может быть 43 = 64, тогда как кодируется только 20 аминокислот. В результате некоторые аминокислоты кодируются несколькими триплетами. Например, амінокислоті аргинина могут отвечать триплеты ГЦА, ГЦГ, ГЦТ, ГЦЦ и т.д. Эта избыточность кода имеет большое значение для повышение надежности передачи генетической информации. Понятно, что случайная замена третьего нуклеотида в этих триплетах никак не отразится на структуре белка, синтезируется.

2. Специфичность. Нет случаев, когда один и тот же триплет отвечал бы более чем одной амінокислоті.

3. Универсальность. Код универсален для всех живых организмов - от бактерий до млекопитающих.

4. Дискретность. Кодовые триплеты никогда не перекрываются, то есть транслируются всегда вполне. При считывании информации из молекулы ДНК невозможно использование азотной основы одного триплета в комбинации с основами другого триплета.

5. В длинной молекуле ДНК, состоящей из миллионов нуклеотидных пар, записана информация о последовательности аминокислот в сотнях различных белков. Понятно, что информация о первичной структуре индивидуальных белков-должна как-то разграничиваться. Действительно, существуют триплеты, функцией которых является инициация синтеза полинуклеотидной цепочки и-РНК: инициаторы и триплеты, которые прекращают синтез, - терминаторы. Следовательно, указанные тройняшек служат «знаками препинания» генетического кода.

Для того, чтобы синтезировался белок, информация о последовательности нуклеотидов в его первичной структуре должна быть доставлена к рибосомам. Этот процесс включает два этапа: транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция (от лат. transcriptio - переписывание) информации происходит путем синтеза на одной из цепей молекулы ДНК одноланцюжкової молекулы РНК, последовательность нуклеотидов которой точно соответствует последовательности нуклеотидов матрицы - полинуклеотидной цепи ДНК. Так образуется информационная (и-РНК), или матричная РНК (м-РНК). Синтез и-РНК осуществляется за помощью специального фермента - РНК-полимеразы.

Рис. 132. Синтез и-РНК (транскрипция). В месте синтеза и-РНК цепи ДНК расходятся (розплітаються).

Следующий этап биосинтеза белка - перевод последовательности нуклеотидов в молекуле и-РНК в последовательность аминокислот полипептидной цепочки - трансляция (от лат. translatio - передача). В прокаріот (бактерий и сине-зеленых водорослей), не имеющие оформленного ядра, рибосомы могут связываться с вновь синтезированной молекулой и-РНК сразу же после ее отделения от ДНК или даже до полного завершения ее синтеза. В эукариот и-РНК сначала должна быть доставлена через ядерную оболочку в цитоплазму. Перенос осуществляется специальными белками, которые образуют комплекс с молекулой и-РНК. Кроме функций переноса эти белки защищают и-РНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов.

Рис. 133. Схема синтеза белка в рибосоме (трансляция): 1 - рибосома; 2 - и-РНК; 3 - т-РНК с аминокислотами; 4 - полипептидный цепь, которая синтезируется; 5 - готовая белковая молекула.

В цитоплазме на один из концов и-РНК (а именно на тот, с которого начинается синтез молекулы в ядре) вступает рибосома и начинается синтез полипептида.

Рис. 134. Образование полірибосо-мы и синтез полипептида. Рибосомы функционируют независимо друг от друга. Каждая рибосома, перемещаясь вдоль молекул и-РНК, образует свой полипептидный цепь. После окончания трансляции рибосомы распадаются на субъединицы.

По мере передвижения по молекуле РНК рибосома транслирует триплет за триплетом, последовательно присоединяя аминокислоты до конца полипептидной цепи, что растет. Точное соответствие аминокислоты кода триплета и - РНК обеспечивается т-РНК. Для каждой аминокислоты существует своя т-РНК, один из триплетов которой (антикодон) комплементарный определенному триплета (кодону) И-РНК. На другом конце молекулы т-РНК расположен триплет, способен связываться с определенной аминокислотой. Каждой амінокислоті соответствует свой фермент, который присоединяет ее к т-РНК. Таким образом, процесс правильного расположения т-РНК и-РНК осуществляется рибосомами. Одна рибосома способна синтезировать полный полипептидный цепь. Однако нередко по одной молекуле и-РНК движется несколько рибосом. Такие комплексы называются полірибосомами. После завершения синтеза полипептидный цепочка отделяется от матрицы - молекулы и-РНК, сворачивается в спираль и приобретает третичную структуру, свойственную данному белку. Рибосомы работают очень эффективно: в течение 1 с бактериальная рибосома образует полипептидный цепь из 20 аминокислот.

Фотосинтез (от греч. photos - свет и synthesis - соединение). По типом питания, то есть по способу извлечения энергии и источниками энергии, живые организмы делятся на две группы - гетеротрофні и автотрофні. Гетеротрофними (от греч. heteros - другой и trophe - пища, питание) называются организмы, не способные синтезировать органические соединения из неорганических, они используют в виде пищи (источника энергии) готовые органические соединения с окружающей среды. Первые живые организмы на Земле были гетеротрофними. Они использовали в виде пищи органические соединения «первичного бульона». В настоящее время к гетеротрофів относят большинство бактерий, грибы и животных (равно - и многоклеточные). Некоторые растения повторно приобрели способность к гетеротрофного питания.

Автотрофными (от греч. autos - сам и троф) называются организмы, питаются (вытягивают энергию) неорганическими веществами почвы, воды, воздуха и создают органические вещества, которые используются для построения их тела. К автотрофів относятся некоторые бактерии и все зеленые растения.

Автотрофні организмы используют различные источники энергии. Для некоторых из них источником энергии служит свет, такие организмы называются фототрофами (от фото и троф). Другие используют энергию, которая освобождается при окислительно-восстановительных реакциях, и называются хемотрофами (от греч. chemeia - химия и троф).

Рис. 135. Схема процессов фотосинтеза.

Зеленые растения являются фототрофами. С помощью пигмента хлорофилла, содержится в особых органоїдах - хлоропластах, они осуществляют фотосинтез - преобразование световой энергии Солнца в энергию химических связей. Происходит это таким образом. Кванты света взаимодействуют с молекулами хлорофилла, вследствие чего эти молекулы (точнее, их электроны) переходят в более богатый энергией «возбужденное» состояние.

Избыточная энергия части возбужденных молекул преобразуется в теплоту или выпускается в виде света. Другая ее часть передается ионам водорода, всегда находятся в водном растворе вследствие диссоциации воды. Атомы водорода, образовались, непрочно соединяются с молекулами - переносчиками водорода. Ионы гидроксила ОН - отдают свои электроны другим молекулам и превращаются в свободных радикалов ОН. Радикалы ОН взаимодействуют друг с другом, в результате чего образуется вода и молекулярный кислород по уравнению:

40Н - 2Н 2 0+0 2

Следовательно, источником свободного кислорода, который выделяется в атмосферу, служит вода. Совокупность реакций, приводящих к разложению воды под действием света, носит название фотолізу. Кроме фотолізу воды энергия возбужденных светом электронов хлорофилла используется для синтеза АТФ из АДФ и фосфата без участия кислорода. Это очень эффективный процесс: в хлоропластах образуются в ЗО раз больше молекул АТФ, чем в митохондриях тех же растений в результате окислительных процессов с участием кислорода.

Совокупность описанных выше реакций может происходить только на свету и называется световой или світлозалежною фазой фотосинтеза.

Накопленная в результате світлозалежних реакций энергия и атомы водорода, образовавшиеся при фотолизе воды, используется для синтеза углеводов из С0 2:

6С0 2 +24Н - С 6 Н 12 0 6 +6Н 2 0 .

При скреплении неорганического углерода (СО 2) и синтезе органических вуглемістких соединений не требуется прямое участие света. Эти реакции называются темновими, а их совокупность - темной фазой фотосинтеза.

Не все клетки зеленого растения автотрофні. Не содержат хлоропласты и не способные к фотосинтезу клетки корня, лепестков цветков, камбия и т.д.

В зеленых растениях донором водорода, участвует в фотосинтетических реакциях, служит вода. Именно поэтому образуется свободный кислород, который поступает в атмосферу. Однако когда на начальных этапах эволюции организмы прокаріотичні приобретали способности использовать для биосинтеза энергию света, донором водорода для них служили такие вещества, как органические соединения (кислоты, спирты, сахара), H,S или молекулярный водород. Сегодня существуют и широко распространены реликтовые прокаріотичні организмы - пурпурные и зеленые бактерии, у которых фотосинтез протекает без выделения В 2 .

Другая группа автотрофных организмов - бактерии, хемосинтезують, или есть хемотрофами. Для биосинтеза они используют энергию химических реакций неорганических соединений. Такие бактерии способны окислять ионы аммония, нитрита, сульфида, сульфита двухвалентного железа, элементарную серу, молекулярный водород и С. Так, разные группы нитрифицирующих бактерий последовательно окисляют аммиак до нитрита, а затем из нитрита образуют нитрат.

Деятельность всех этих бактерий - нітрифікуюча, окисляюча железо и серу и переводя тем самым нерастворимые минералы в легко растворимые сульфаты тяжелых металлов и др. - играет важную роль в кругообміні веществ в природе.

Значение фотосинтеза огромное. Это главный процесс, который протекает в биосфере. Энергия Солнца аккумулируется в химических связях органических соединений, которые идут на питание всех гетеротрофів. При этом атмосфера обогащается кислородом и очищается от избытка двуокиси углерода.

Вспомните из учебника « Человек и его здоровье» что такое обмен веществ и превращение энергии в организме. Из каких двух противоположных процессов он состоит? Под действием каких веществ происходит расщепление питательных веществ в организме?

Основой жизнедеятельности клетки и организма являются обмен веществ и превращение энергии. Обмен ее ществ и превращение энергии - совокупность всех реакций распада и синтеза, протекающих в клетке или во всем организме, связанных с выделением или поглощением энергии. Обмен веществ и превращение энергии состоит из двух взаимосвязанных, но противоположных процессов - ассимиляции и диссимиляции (рис. 53).

Рис. 53. Схема взаимосвязей обмена веществ и превращения энергии в клетке

Две стороны обмена веществ и превращения энергии. Диссимиляция (от лат. диссимиляцио - разрушение, выделение) - это совокупность реакций распада и окисления в живом высокомолекулярных органических веществ до низкомолекулярных органических и неорганических. В процессе диссимиляции происходит освобождение энергии, заключенной в химических связях органических молекул и запасание ее в виде АТФ.

Диссимиляционные процессы - это дыхание, брожение, гликолиз. Основные конечные продукты при этом - вода, углекислый газ, аммиак, мочевина и молочная кислота.

Ассимиляция (от лат. ассимиляций - усвоение) - это совокупность реакций синтеза высокомолекулярных органических веществ из низкомолекулярных органических или неорганических. В процессе ассимиляции происходит поглощение энергии, которая образуется в результате распада АТФ. Так, органические вещества, например углеводы, синтезируются в растительных клетках из углекислого газа, воды и минеральных солей.

Итак, основное вещество, которое обеспечивает все обменные процессы в клетке - это АТФ. В процессе диссимиляции происходят синтез молекул АТФ и запасание в них энергии. В процессе ассимиляции молекулы АТФ распадаются и выделяющаяся при этом энергия расходуется на синтез органических веществ. Все реакции обмена веществ превращения энергии в клетке ферментативные - т. е. идут в присутствии ферментов.

Типы обмена веществ. Единственный источник энергии на Земле - это Солнце. Благодаря солнечной энергии происходит первичный синтез органических веществ из неорганических - фотосинтез. Энергия Солнца аккумулируется в синтезированных органических веществах, превращаясь в энергию химических связей. В процессе питания организмы расщепляют органические вещества, а выделяющаяся при этом энергия запасается в молекулах АТФ. В дальнейшем она используется в реакциях ассимиляции.

По способу получения энергии и синтеза органических веществ все организмы делят на автотрофные и гетеротрофные (рис. 54). Автотрофные организмы, или автотрофы (от греч. аутос - сам и трофо - пища, питание) синтезируют органические вещества из неорганических. К автотрофам относят все зеленые растения и цианобактерии. Автотрофно питаются и хемосинтезирующие бактерии, использующие энергию, которая выделяется при окислении неорганических веществ, например серы, железа, азота.

Рис. 54. Поток веществ и превращение энергии в биосфере Земли

Гетеротрофные организмы, или гетеротрофы (от греч. гетерос - другой и трофо - пища, питание) используют только готовые органические вещества. Источником энергии для них служит энергия, запасенная в органических веществах, получаемых с пищей и выделяющаяся при их распаде и окислении. К гетеротрофам относят все животные, грибы и большинство бактерий. При гетеротрофном питании организм поглощает органические вещества в готовом виде и преобразует их в собственные питательные вещества.

Процессы диссимиляции у организмов также различаются. Аэробным организмам, или аэробам (от греч. аэр - воздух и биос - жизнь) для жизнедеятельности необходим кислород. Дыхание для них является главной формой диссимиляции. Богатые энергией органические вещества в присутствии кислорода полностью окисляются до энергетически бедных неорганических веществ - углекислого газа и воды.

Анаэробным организмам, или анаэробам (от греч. а, ан - отрицательная частица) кислород не нужен: процессы их жизнедеятельности могут протекать в бескислородной среде. Органические вещества в этом случае расщепляются не полностью. Поэтому продукты их жизнедеятельности могут использовать другие организмы. Например, все молочнокислые продукты являются результатом жизнедеятельности анаэробных молочнокислых бактерий.

Вопрос 1. Что такое диссимиляция? Перечислите ее этапы.
Диссимиляция , или энергетический обмен , - это совокупность реакций расщепления высокомолекулярных соединений, которые сопровождаются выделением и запасанием энергии. Диссимиляция у аэробных (кислорододышащих) организмов происходит в три этапа:
подготовительный - расщепление высокомолекулярных соединений до низкомолекулярных без запасания энергии;
бескислородный - частичное бескислородное расщепление соединений, энергия запасается в виде АТФ; кислородный - окончательное расщепление органических веществ до углекислого газа и воды, энергия также запасается в виде АТФ.
Диссимиляция у анаэробных (не использующих кислород) организмов происходит в два этапа: подготовительный и бескислородный. В данном случае органические вещества расщепляются не полностью и энергии запасается гораздо меньше.

Вопрос 2. В чем заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) состоит из азотистого основания - аденина, сахара - рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Молекула АТФ очень неустойчива и способна отщеплять одну или две молекулы фосфата с выделением большого количества энергии, расходуемой на обеспечение всех жизненных функций клетки (биосинтез, трансмембранный перенос, движение, образование электрического импульса и др.). Связи в молекуле АТФ называют макроэргическими.
Отщепление концевого фосфата от молекулы АТФ сопровождается выделением 40 кДж энергии.). При этом АТФ превращается в АДФ. Если произойдет отщепление второго остатка фофорной кислоты, АДФ превратится в АМФ. Все процессы в живых организмах, требующие затрат энергии, сопровождаются превращением молекул АТФ в АДФ (или даже в АМФ).
Синтез АТФ происходит в митохондриях.

Вопрос 3. Какие структуры клетки осуществляют синтез АТФ?
В эукариотических клетках синтез основной массы АТФ из АДФ и фосфорной кислоты происходит в митохондриях и сопровождается поглощением (запасанием) энергии. В пластидах АТФ образуется как промежуточный продукт световой стадии фотосинтеза.

Вопрос 4. Расскажите об энергетическом обмене в клетке на примере расщепления глюкозы.
Энергетический обмен обычно подразделяют на три этапа. Первый этап - Подготовительный, называемый также пищеварением. Осуществляется он главным образом вне клеток под действием ферментов, секретируемых в полость пищеварительного тракта. На этом этапе крупные молекулы полимеров распадаются на мономеры: белки - на аминокислоты, полисахариды - на простые сахара, жиры - на жирные кислоты и глицерин. При этом выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается и виде теплоты.
Бескислородный. В результате гликолиза одна молекула глюкозы расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты:
С 6 Н 12 О 6 <-----> 2С 3 Н 4 0 3 .
Распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ. При этом 60% выделившейся энергии превращается в тепло, а 40% запасается в виде АТФ. При распаде одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ. Затем у анаэробных организмов происходит брожение - спиртовое (С 2 НС 5 ОН - этиловый спирт) или молочнокислое (С 3 Н 4 0 3 - молочная кислота). У аэробных организмов наступает третий этап энергетического обмена.
Кислородный. Этот этап катаболизма нуждается в присутствии молекулярного кислорода и называется дыханием. Развитие клеточного дыхания у аэробных микроорганизмов и в клетках эукариот стало возможным лишь после того, как в результате фотосинтеза в атмосфере Земли появился молекулярный кислород. Добавление к каталическому процессу стадии, осуществляющейся в присутствии кислорода, обеспечивает клетки мощным и эффективным путем извлечения из молекул питательных веществ и энергии.
Реакции кислородного расщепления, или окислительного катаболизма, протекают в специальных органоидах клетки - митохондриях, куда поступают молекулы пировиноградной кислоты. После целого ряда прекращений образуются конечные продукты - СО 2 и Н 2 О, которые затем диффундируют из клетки. Суммарное уравнение аэробного дыхания выглядит так:
С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 + 36Н 3 РО 4 + 36АДФ <-----> 6СО 2 + 6Н 2 О + 36АТФ.
Таким образом, при окислении двух молекул молочной кислоты образуются 36 молекул АТФ. Всего в ходе второго и третьего этапов энергетического обмена при расщеплении одной молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клетки энергией играет аэробное дыхание.

Любое свойство живого, и любое проявление жизни связано с определёнными химическими реакциями в клетке. Эти реакции идут либо с затратой, либо с освобождением энергии. Вся совокупность процессов превращения веществ в клетке, а также в организме, называется метаболизмом.

Анаболизм

Клетка в процессе жизни поддерживает постоянство своей внутренней среды, называемое гомеостазом. Для этого она синтезирует вещества в соответствии со своей генетической информацией.

Рис. 1. Схема метаболизма.

Эта часть метаболизма, при которой создаются характерные для данной клетки высокомолекулярные соединения, называется пластическим обменом (ассимиляцией, анаболизмом).

К реакциям анаболизма относится:

• синтез белков из аминокислот;
• образование крахмала из глюкозы;
• фотосинтез;
• синтез жиров из глицерина и жирных кислот.

Эти реакции возможны только при затратах энергии. Если для фотосинтеза затрачивается внешняя (световая) энергия, то для остальных - ресурсы клетки.

ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой

Количество затрачиваемой на ассимиляцию энергии больше, чем запасается в химических связях, т. к. часть её используется на регуляцию процесса.

Катаболизм

Другая сторона обмена веществ и превращения энергии в клетке - энергетический обмен (диссимиляция, катаболизм).

Реакции катаболизма сопровождаются выделением энергии.
К этому процессу относятся:

• дыхание;
• распад полисахаридов на моносахариды;
• разложение жиров на жирные кислоты и глицерин, и другие реакции.

Рис. 2. Процессы катаболизма в клетке.

Взаимосвязь процессов обмена

Все процессы в клетке тесно связаны между собой, а также с процессами в других клетках и органах. Превращения органических веществ зависят от наличия неорганических кислот, макро- и микроэлементов.

Процессы катаболизма и анаболизма идут в клетке одновременно и являются двумя противоположными составляющими метаболизма.

Обменные процессы связаны с определёнными структурами клетки:

• дыхание - с митохондриями;
• синтез белков - с рибосомами;
• фотосинтез - с хлоропластами.

Для клетки характерны не отдельные химические процессы, а закономерный порядок, в котором они осуществляются. Регуляторами обмена являются белки-ферменты, которые направляют реакции и изменяют их интенсивность.

АТФ

Особую роль в метаболизме играет аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Она является компактным химическим аккумулятором энергии, используемым для реакций синтеза.

Рис. 3. Схема строения АТФ и превращения её в АДФ.

За счёт своей неустойчивости АТФ образует молекулы АДФ и АМФ (ди- и монофосфат) с выделением большого количества энергии для процессов ассимиляции.