Metabolismul și energia în celulă. §13. Metabolismul și transformarea energiei în celulă Cum se produce metabolismul și transformarea energiei

Celula schimbă constant substanțe și energie cu mediul. Metabolism (metabolism)- principala proprietate a organismelor vii. La nivel celular, metabolismul include două procese: asimilare (anabolism) și disimilare (catabolism). Aceste procese au loc simultan în celulă.

Asimilare(schimb plastic) - un set de reacții de sinteză biologică. Din substanțe simple care intră în celulă din exterior, se formează substanțe caracteristice unei celule date. Sinteza substanțelor din celulă are loc folosind energia conținută în moleculele de ATP.

Disimilare(metabolismul energetic) - un set de reacții de descompunere a substanțelor. Când compușii cu molecule înalte sunt descompuse, energia necesară reacțiilor de biosinteză este eliberată.

După tipul de asimilare, organismele pot fi autotrofe, heterotrofe și mixotrofe.

Asimilare autotrofa

Organismele autotrofe sunt capabile să sintetizeze substanțe organice din substanțe anorganice (CO 2 și H 2 O). Acestea includ plante verzi și microorganisme. În funcție de sursa de energie utilizată de organismele autotrofe pentru sinteza substanțelor organice, acestea se împart în două grupe: fototrofe și chimiotrofe.

Fotosinteză

Plantele verzi sunt fototrofe. Pentru asimilare, ei folosesc energia eliberată în timpul oxidării substanțelor anorganice. Plantele verzi au clorofilă în cloroplastele lor. Fotosinteza are loc cu participarea clorofilei. Fotosinteza este procesul de transformare a energiei solare în energie potențială a legăturilor chimice din substanțele organice. Fotosinteza constă din două faze: lumină și întuneric.

Faza de lumină.Sub influența luminii, molecula de clorofilă situată în grana cloroplastei primește energie în exces. O parte din această energie se duce la scindarea (fotoliza) moleculei de apă.

Ionii de hidrogen atașează un electron și devin un atom de hidrogen liber.

Hidrogenul H merge la refacerea transportorului NADP + (fosfat de nicotinamidă adenin dinucleotidă).

NADP? H trece în stroma cloroplastei, unde participă la sinteza carbohidraților.

Ionii OH, după ce au cedat un electron, se transformă în radicali liberi, care interacționează între ei, formând apă și oxigen liber.

Cealaltă parte a energiei este folosită pentru a sintetiza ATP din ADP.

În faza de lumină a fotosintezei se formează: 1) o substanță bogată în legături energetice - ATP; 2) oxigen liber - O2; 3) se atașează H (hidrogenul) de purtător și se formează NADP? N.

Reacțiile de fază ușoară apar fără participarea enzimelor.

Faza intunecata.În faza întunecată, CO2 este legat. Reacțiile în fază întunecată implică molecule de ATP și atomi de hidrogen formați în timpul fotolizei și asociați cu molecule purtătoare. Reacțiile acestei faze apar în stroma cloroplastelor cu participarea enzimelor.

Moleculele de monozaharide, glucoza, obținute ca urmare a fazei întunecate a fotosintezei, sunt transformate în polizaharide printr-o serie de reacții enzimatice. Așa se transformă energia luminii solare în energia legăturilor chimice ale substanțelor organice complexe.

Reacția totală a fotosintezei:

Ca rezultat al fotosintezei, se formează substanțe organice și oxigen atmosferic.

Chemosinteza

Sinteza substanțelor organice în bacteriile autotrofe utilizează energia eliberată în timpul reacțiilor chimice de oxidare a compușilor anorganici: hidrogen sulfurat, sulf, amoniac, acid azot. Acest proces se numește chimiosinteză.

Grupul de autotrofi chemosintetici include bacteriile nitrificatoare. Un grup de bacterii obține energia necesară pentru sinteza substanțelor organice ca urmare a oxidării amoniacului în acid azot.

Bacteriile chemosintetice joacă un rol important în ciclul substanțelor din natură.

Asimilare heterotrofa

HeterotrofOrganismele construiesc substanțele organice ale corpului lor din substanțe organice deja existente. Heterotrofele includ animale, ciuperci și unele bacterii.

Organismele heterotrofe sunt capabile să-și construiască proteinele specifice, grăsimile, carbohidrații numai din proteine, grăsimi, carbohidrați

dov pe care le primesc din alimente. În timpul digestiei, aceste substanțe se descompun în monomeri. Din monomerii din celule se sintetizează substanțe caracteristice unui organism dat. Toate aceste reacții apar cu participarea enzimelor și folosind energia ATP.

Schema de transformare a substanțelor într-un organism heterotrof

Asimilare mixotrofică

Mixotroficorganismele (de exemplu euglena verde) conțin pigmentul clorofilă și, prin urmare, pot fi autotrofi.În lipsa luminii ele devin heterotrofi.

Disimilare

În funcție de tipul de disimilare, organismele sunt împărțite în aerobicȘi anaerob.

În corpul uman, animale și majoritatea microorganismelor, energia este produsă ca urmare a reacțiilor catabolice din timpul respiraţie sau fermentaţie. Această energie se transformă într-o formă specială - energia legăturilor de înaltă energie ale moleculelor de ATP. Folosind energia ATP, au loc biosinteza, diviziunea celulară, contracția musculară și alte procese. Sinteza ATP are loc în mitocondrii.

Disimilarea aerobă

Schimbul de energie are loc în 3 etape. etapa 1 - pregătitoare.

În această etapă, moleculele de substanțe complexe (proteine, grăsimi, carbohidrați, acizi nucleici) se descompun în monomeri. O cantitate mică de energie este eliberată și disipată sub formă de căldură. Sinteza ATP nu are loc.

a 2-a etapa - fără oxigen (anaerob).

Defalcarea fără oxigen are loc în citoplasma celulelor. Monomerii formați în prima etapă se descompun fără participarea oxigenului în mai multe etape. Clivajul are loc sub acțiunea enzimelor cu formarea energiei ATP. De exemplu, în mușchi (în citoplasma celulelor) o moleculă de glucoză se descompune în două molecule de acid lactic și două molecule de ATP.

a 3-a etapa - degradarea oxigenului (respirație aerobă).

Toate reacțiile din această etapă sunt catalizate de enzime și au loc cu participarea oxigenului în mitocondrii. Substanțele formate în etapa anterioară sunt oxidate la produsele finale - CO 2 și H 2 O.

Aceasta eliberează o cantitate mare de energie.

Acest proces se numește respirație celulară. Oxidarea a două molecule de acid lactic produce 36 de molecule de ATP. Ca urmare a celei de-a doua și a treia etape, când o moleculă de C 6 H 12 O 6 este descompusă, sunt eliberate 38 de molecule de ATP.

Ecuație rezumată:

Disimilarea anaerobă

Defalcarea glucozei în anaerob bacteriile pot crește în condiții fără oxigen. Acest proces se numește fermentaţie.În timpul fermentației, nu se eliberează toată energia conținută în substanță, ci doar o parte a acesteia. Restul energiei rămâne în legături chimice în substanța rezultată.

Fermentarea alcoolică produce alcool și două molecule

ATP.

Astfel, în timpul descompunerii glucozei în condiții aerobe, toată energia este eliberată și descompunerea continuă la produșii finali (CO 2 și H 2 O), iar în timpul fermentației, o parte din energie este eliberată și descompunerea trece la reacția intermediară. produse.

Întrebări pentru autocontrol

1. Ce este metabolismul?

2. Ce procese include metabolismul?

3. Ce este asimilarea?

4. Ce este disimilarea?

5. Ce tipuri de asimilare pot avea organismele?

6. Ce organisme sunt clasificate ca autotrofe?

7. Ce este fotosinteza?

8. Ce surse de energie pot folosi organismele autotrofe?

9. În ce faze constă fotosinteza?

10.Ce se întâmplă în stadiul de lumină al fotosintezei? 11.Ce se întâmplă în stadiul întunecat al fotosintezei? 12.Ce se produce ca rezultat al fotosintezei? 13.Ce este chimiosinteza?

14.Ce energie folosesc bacteriile nitrifiante autotrofe pentru sinteza?

15. Ce organisme sunt clasificate drept heterotrofe? 16.Ce substanțe folosesc organismele heterotrofe pentru sinteza?

17.Ce organisme sunt clasificate ca fiind mixotrofe? 18.Ce tipuri de disimilare pot avea organismele? 19.Cum are loc descompunerea glucozei într-un organism aerob? 20. În ce etape constă metabolismul energetic? 21.Ce se întâmplă în etapa pregătitoare a metabolismului energetic?

22.Ce se întâmplă în stadiul fără oxigen al metabolismului energetic?

23.Ce se întâmplă la a 3-a etapă a metabolismului energetic? 24.Cum are loc descompunerea glucozei într-un organism anaerob? 25.Cum se numește procesul de descompunere a glucozei într-un organism anaerob?

Cuvinte cheie ale subiectului „Metabolism și energie în celulă”

autotrofi

acid azotat

Acid azotic

aminoacizi

amoniac

anabolism

anaerobi

asimilare

atmosfera

atom

aerobi

bacterii

veverite

biosinteza

fermentaţie

substante

hidrogen

recuperare

heterotrofi

glicerol

glucoză

boabe

ciuperci

Divizia

disimilare

suflare

acid gras

grăsimi

exces

ionii de magneziu

utilizare

sursă

catabolism

ciclu

conexiuni macroergice metabolism microorganisme mixotrofe mitocondrii molecula de ATP monomeri de acid lactic

monozaharidă

acumulare

schimb valutar

oxidare

purtător

digestie

polizaharidă

natură

radical

plantelor

Despică

reacţie

faza luminoasa

proprietate

sulf

sinteza hidrogenului sulfurat

set de contractii musculare

lumina soarelui

alcool

miercuri

etapă

stroma

faza intunecata

carbohidrați

enzime

fotoliză

fotosinteză

fototrofe

chimiosinteză

chimiotrofe

cloroplast

clorofilă

euglena verde

electron

Schimbul constant de substanțe cu mediul este una dintre principalele proprietăți ale sistemelor vii. Procesele de biosinteză (asimilare sau schimb plastic) au loc continuu în celule, adică, cu participarea enzimelor, se formează compuși organici complecși: proteine ​​din aminoacizi, polizaharide din monozaharide, acizi nucleici din nucleotide etc. Toate procesele de sinteză implică absorbția de energie. La aproximativ aceeași viteză, moleculele complexe sunt descompuse în altele mai simple cu eliberarea de energie (disimilare sau schimb de energie). Datorită acestor procese, se menține constanta relativă a compoziției celulare. Substanțele sintetizate sunt folosite pentru a construi celulele și organelele lor și pentru a înlocui moleculele uzate sau distruse. Când compușii cu molecule înalte sunt descompuși în alții mai simpli, energia necesară reacțiilor de biosinteză este eliberată.

Setul de reacții de asimilare și disimilare, care stă la baza activității vieții și determină legătura organismului cu mediul înconjurător, se numește metabolism, sau metabolism.

Reacțiile de schimb sunt caracterizate prin organizare și ordine ridicate. Fiecare reacție are loc cu participarea unor proteine ​​specifice - enzime. Ele sunt localizate în principal pe membranele organelelor și în hialoplasma celulelor într-o ordine strict definită, ceea ce asigură succesiunea necesară de reacții. Datorită sistemelor enzimatice, reacțiile metabolice apar rapid și eficient în condiții normale - la temperatura corpului și presiunea normală.

Plasticul și metabolismul energetic sunt indisolubil legate. Ele sunt părți opuse ale unui singur proces metabolic. Reacțiile de biosinteză necesită energie, care este restabilită prin reacțiile de metabolism energetic. Pentru a desfășura reacții de metabolism energetic, este necesară biosinteza constantă a enzimelor și a structurilor organite, care sunt distruse treptat în procesul vieții.

Procesele de asimilare nu sunt întotdeauna în echilibru cu procesele de disimilare. Astfel, într-un organism în creștere, procesele de asimilare prevalează asupra proceselor de disimilare, ceea ce asigură acumularea de substanțe și creșterea organismului. În timpul muncii fizice intense și la bătrânețe predomină procesele de disimilare. În primul caz, aceasta este compensată de o nutriție sporită, iar în al doilea, are loc epuizarea treptată și eventuala moarte a corpului.

Metabolismul energetic este un set de reacții de descompunere enzimatică a compușilor organici complecși, însoțite de eliberarea de energie. O parte din energie este disipată sub formă de căldură, iar o parte se acumulează în legăturile macroergice ale ATP și este apoi folosită pentru a asigura diferite procese vitale ale celulei: reacții de biosinteză, intrarea substanțelor în celulă, conducerea impulsurilor, mușchi. contracție, secreții etc.

Adenozin trifosfat (ATP, adenozin trifosfat) este o componentă esențială a oricărei celule vii. ATP este o mononucleotidă constând din baza azotată a adeninei, o monozaharidă cu cinci atomi de carbon de riboză și trei resturi de acid fosforic, care sunt conectate între ele prin legături de înaltă energie (macroergină). ATP este descompus de enzime speciale în timpul procesului de hidroliză - adăugarea de apă. În acest caz, o moleculă de acid fosforic este divizată și ATP este transformat în ADP (adenozin difosfat) și, cu separarea ulterioară a acidului fosforic - în AMP (adenozin monofosfat). Scindarea unei molecule de acid fosforic este însoțită de eliberarea a 40 kJ de energie. Procesul invers, conversia AMP în ADP și ADP în ATP, are loc în principal în mitocondrii prin adăugarea de molecule de acid fosforic cu eliberarea de apă și absorbția unei cantități mai mari (mai mult de 40 kJ pentru fiecare etapă) de energie.

Există trei etape ale metabolismului energetic: 1) pregătitoare, 2) fără oxigen și 3) oxigen.

Etapa pregătitoare are loc în tractul digestiv al animalelor și al omului sau în citoplasma celulelor tuturor ființelor vii. În această etapă, moleculele organice mari, sub acțiunea enzimelor, sunt descompuse în monomeri: proteinele în aminoacizi, grăsimile în glicerol și acizi grași, amidonul și glicogenul în monozaharide, acizii nucleici în nucleotide. Descompunerea substanțelor în această etapă este însoțită de eliberarea unei cantități mici de energie, care este disipată sub formă de căldură.

Etapa fără oxigen (anaerobă) a metabolismului energetic are loc în citoplasma celulelor. Monomerii formați în prima etapă suferă o scindare în mai multe etape fără participarea oxigenului. De exemplu, în timpul glicolizei (descompunerea glucozei care are loc în celulele animale), o moleculă de glucoză este împărțită în două molecule de acid piruvic (C 3 H 4 0 3), care în unele celule, cum ar fi celulele musculare, este redusă. la acid lactic. Aceasta eliberează aproximativ 200 kJ de energie. O parte din ea (aproximativ 80 kJ) merge la sinteza a două molecule de ATP, iar cealaltă (aproximativ 120 kJ) este disipată sub formă de căldură. Ecuația generală pentru această reacție este următoarea:

C 6 H 2 0 6 + 2ADP + 2H 3 P0 4 - 2C 3 H 6 0 3 + 2ATP + 2H 2 0.

În celulele organismelor vegetale și a unor ciuperci de drojdie, descompunerea glucozei are loc prin fermentație alcoolică. În acest caz, acidul piruvic, format în timpul glicolizei, este decarboxilat pentru a forma acetaldehidă și apoi redus la alcool etilic.

Etapa de oxigen (aerobă) a metabolismului energetic are loc numai la organismele aerobe. Constă în oxidarea ulterioară a acidului lactic (sau piruvic) la produsele finale CO 2 și H 2 O. Acest proces are loc în mitocondrii cu participarea enzimelor și a oxigenului. În primele etape ale etapei de oxigen, protonii și electronii sunt eliberat treptat din acidul lactic, care se acumulează pe părțile opuse membrana interioară a mitocondriei și creează o diferență de potențial.Când atinge o valoare critică, protonii, trecând prin canale speciale membranare în care se află enzimele de sinteză a ATP, renunță la energia lor pentru a adăugați un reziduu de acid fosforic la AMP sau ADP.Acest proces este însoțit de eliberarea de energie suficientă pentru sinteza a 36 de molecule de ATP (1440 kJ).Ecuația pentru stadiul de oxigen arată astfel:

2C 3 H 6 0 3 + 60 2 + 36H 3 P0 4 + 36ADP 36ATP + 6C0 2 + 42H 2 0.

Ecuația generală pentru etapele anaerobe și metabolice ale metabolismului energetic este următoarea:

C 6 H 12 0 6 + 38ADP + 38H 3 P0 4 + 60 2 38ATP + 6C0 2 + 44H 2 0.

Astfel, în timpul celei de-a doua și a treia etape ale metabolismului energetic, descompunerea unei molecule de glucoză produce 38 de molecule de ATP. Pentru aceasta sunt cheltuiți 1520 kJ (40 kJ x 38) și se eliberează un total de 2800 kJ de energie. Deci, 55% din energia care este eliberată în timpul descompunerii glucozei este acumulată de celulă în moleculele de ATP, iar 45% este disipată sub formă de căldură. Etapa de oxigen joacă rolul principal în furnizarea energiei celulelor.

Orez. 130. Schema structurii ATP și transformarea lui în ADP, timp în care se eliberează energia acumulată în compusul macroenergetic.

În mod similar, proteinele și grăsimile pot intra în metabolismul energetic. La descompunerea aminoacizilor, pe lângă dioxidul de carbon și apă, se formează și produși azotați (amoniac, uree) care sunt excretați prin sistemul excretor.

Metabolismul sau asimilarea plastică, sau anabolismul este un ansamblu de reacții de sinteză biologică în care substanțele specifice unei celule date se formează din substanțe care intră într-o celulă. Metabolismul plastic include biosinteza proteinelor, fotosinteza, sinteza acizilor nucleici, grăsimilor și carbohidraților.

Denumirea acestui tip de schimb reflectă esența acestuia: din substanțele care pătrund în celulă din exterior se formează substanțe asemănătoare cu substanțele celulei.

Să luăm în considerare una dintre cele mai importante forme de metabolism plastic - biosinteza proteinelor. După cum sa menționat deja, întreaga varietate de proprietăți ale proteinelor este determinată în cele din urmă de structura lor primară, de exemplu. secvența de aminoacizi. Un număr imens de combinații unice de aminoacizi selectate în timpul evoluției sunt reproduse prin sinteza acizilor nucleici cu o secvență de baze azotate care corespunde secvenței din proteine.

Fiecare aminoacid din lanțul polipeptidic corespunde unei combinații de trei nucleotide - un triplet. Astfel, aminoacidul cisteinei corespunde tripletului ACA, valină - CAA, lizină - TTT etc.

Orez. 131. Raportul dintre secvența tripleților de ADN, ARN și aminoacizi dintr-o moleculă de proteină.

Cod genetic (triplet ARNm)

Notă. Tripleții UAA, UAG, UGA nu codifică aminoacizi, dar sunt semnale de oprire în timpul citirii.

Astfel, anumite combinații de nucleotide și secvența locației lor în molecula de ADN sunt un cod care poartă informații despre structura proteinei sau un cod genetic.

Codul genetic al diferitelor organisme are unele proprietăți comune.

1. Redundanţă. Codul include toate combinațiile posibile de trei (din patru) baze de azot. Pot exista 43 = 64 de astfel de combinații, în timp ce doar 20 de aminoacizi sunt codificați. Ca rezultat, unii aminoacizi sunt codificați de tripleți multipli. De exemplu, tripleții HCA, HCH, HCT, HCC etc. pot corespunde aminoacizilor argininei. Această redundanță de cod este de mare importanță pentru creșterea fiabilității transmiterii informațiilor genetice. Este clar că o înlocuire aleatorie a celei de-a treia nucleotide în aceste triplete nu va afecta structura proteinei care se sintetizează.

2. Specificitate. Nu există cazuri în care același triplet să corespundă mai mult de un aminoacid.

3. Versatilitate. Codul este universal pentru toate organismele vii - de la bacterii la mamifere.

4. Discretenie. Tripletele de cod nu se suprapun niciodată, adică sunt întotdeauna traduse complet. Când citiți informații dintr-o moleculă de ADN, este imposibil să utilizați baza de azot a unui triplet în combinație cu bazele altui triplet.

5. Molecula lungă de ADN, constând din milioane de perechi de nucleotide, conține informații despre secvența de aminoacizi din sute de proteine ​​diferite. Este clar că informațiile despre structura primară a proteinelor individuale trebuie oarecum diferențiate. Într-adevăr, există tripleți a căror funcție este de a iniția sinteza unui lanț polinucleotidic de ARNm: inițiatori și tripleți care opresc sinteza - terminatori. Prin urmare, tripleții menționate servesc drept „semne de punctuație” pentru codul genetic.

Pentru ca o proteină să fie sintetizată, informațiile despre secvența de nucleotide din structura sa primară trebuie să fie livrate ribozomilor. Acest proces include două etape: transcriere și traducere.

Transcrierea (din latinescul transcriptio - rescriere) informației are loc prin sintetizarea pe unul dintre lanțurile moleculei de ADN a unei molecule de ARN monocatenar, a cărei secvență de nucleotide corespunde exact secvenței de nucleotide a matricei - lanțul polinucleotid al ADN-ului. . Acesta este modul în care se formează ARN-ul mesager (i-ARN) sau ARN-ul mesager (m-ARN). Sinteza ARNm se realizează folosind o enzimă specială - ARN polimerază.

Orez. 132. Sinteza ARNm (transcripție). La locul sintezei ARNm, lanțurile de ADN diverg (divizarea).

Următoarea etapă a biosintezei proteinelor este translația secvenței de nucleotide din molecula de ARNm în secvența de aminoacizi a lanțului polipeptidic - traducere (din latinescul translatio - transfer). La procariote (bacterii și alge albastru-verzi), care nu au un nucleu format, ribozomii se pot lega de o moleculă de ARNm nou sintetizată imediat după separarea acesteia de ADN sau chiar înainte ca sinteza sa să fie completă. La eucariote, ARNm trebuie mai întâi să fie livrat prin învelișul nuclear în citoplasmă. Transferul este realizat de proteine ​​speciale care formează un complex cu molecula de ARNm. Pe lângă funcțiile de transfer, aceste proteine ​​protejează ARNm de efectele dăunătoare ale enzimelor citoplasmatice.

Orez. 133. Schema sintezei proteinelor în ribozom (traducere): 1 - ribozom; 2 - ARNm; 3 - ARNt cu aminoacizi; 4 - lanț polipeptidic care este sintetizat; 5 - moleculă de proteină finită.

În citoplasmă, un ribozom intră într-unul dintre capetele ARNm (și anume cel de la care începe sinteza moleculei din nucleu) și începe sinteza polipeptidei.

Orez. 134. Formarea poliribozomilor și sinteza polipeptidelor. Ribozomii funcționează independent unul de celălalt. Fiecare ribozom, care se deplasează de-a lungul moleculelor de ARNm, își formează propriul lanț polipeptidic. După încheierea translației, ribozomii se descompun în subunități.

Pe măsură ce se deplasează de-a lungul moleculei de ARN, ribozomul se traduce triplet după triplet, adăugând secvenţial aminoacizi la capătul lanţului polipeptidic, care creşte. Potrivirea exactă între codul de aminoacizi al tripletului și - ARN este asigurată de tARN. Fiecare aminoacid are propriul său t-ARN, dintre care unul dintre tripleți (anticodon) este complementar unui triplet specific (codon) al I-ARN. La celălalt capăt al moleculei de ARNt există un triplet care este capabil să se lege de un aminoacid specific. Fiecare aminoacid are propria sa enzimă, care o leagă de ARNt. Astfel, procesul de aranjare corectă a t-ARN și ARN este realizat de ribozomi. Un ribozom este capabil să sintetizeze un lanț polipeptidic complet. Cu toate acestea, adesea mai mulți ribozomi se mișcă de-a lungul unei molecule de ARNm. Astfel de complexe se numesc poliribozomi. După terminarea sintezei, lanțul polipeptidic este separat de matrice - molecula de ARNm, pliată într-o spirală și capătă structura terțiară caracteristică acestei proteine. Ribozomii funcționează foarte eficient: în decurs de 1 secundă, ribozomul bacterian formează un lanț polipeptidic de 20 de aminoacizi.

Fotosinteza (din grecescul fotografii - lumina si sinteza - conexiune). În funcție de tipul de nutriție, adică după metoda de extragere a energiei și a surselor de energie, organismele vii sunt împărțite în două grupe - heterotrofe și autotrofe. Heterotrofe (din grecescul heteros - altul și trophe - hrană, nutriție) sunt organisme care nu sunt capabile să sintetizeze compuși organici din cei anorganici; folosesc compuși organici gata preparati din mediu ca hrană (sursă de energie). Primele organisme vii de pe Pământ au fost heterotrofe. Au folosit compuși organici ai „bulionului primordial” ca hrană. În prezent, majoritatea bacteriilor, ciupercilor și animalelor (precum și cele multicelulare) sunt clasificate drept heterotrofe. Unele plante au redobândit capacitatea de nutriție heterotrofă.

Autotrofe (din grecescul autos - self și trof) sunt organisme care se hrănesc (extrag energie) din substanțe anorganice din sol, apă, aer și creează substanțe organice care sunt folosite pentru a-și construi corpul. Autotrofele includ unele bacterii și toate plantele verzi.

Organismele autotrofe folosesc diverse surse de energie. Pentru unii dintre ei, sursa de energie este lumina; astfel de organisme sunt numite fototrofe (din foto și trof). Alții folosesc energia care este eliberată în timpul reacțiilor redox și se numesc chemotrofe (din greacă chemeia - chimie și trof).

Orez. 135. Diagrama proceselor de fotosinteză.

Plantele verzi sunt fototrofe. Cu ajutorul pigmentului clorofilei, este conținut în organoizi speciali - cloroplaste,efectuează fotosinteza - conversia energiei luminoase de la Soare în energia legăturilor chimice. Se întâmplă așa. Cuantele de lumină interacționează cu moleculele de clorofilă, drept urmare aceste molecule (mai precis, electronii lor) se mută într-o stare „excitată” mai bogată în energie.

Excesul de energie al unora dintre moleculele excitate este transformat în căldură sau eliberat sub formă de lumină. O altă parte a acestuia este transferată la ionii de hidrogen, care se află întotdeauna într-o soluție apoasă din cauza disocierii apei. Atomii de hidrogen, formați, sunt legați vag de molecule - purtători de hidrogen. Ioni de hidroxil OH - ceda electronii lor altor molecule si se transforma in radicali liberi OH. Radicalii OH interacționează între ei, ducând la formarea de apă și oxigen molecular conform ecuației:

40Н - 2Н 2 0+0 2

În consecință, sursa de oxigen liber care este eliberată în atmosferă este apa. Setul de reacții care duc la descompunerea apei sub influența luminii se numește fotoliză. În plus față de fotoliza apei, energia electronilor clorofilei excitați de lumină este utilizată pentru sinteza ATP din ADP și fosfat fără participarea oxigenului. Acesta este un proces foarte eficient: cloroplastele produc de 30 de ori mai multe molecule de ATP decât în ​​mitocondriile acelorași plante ca urmare a proceselor oxidative care implică oxigen.

Setul de reacții descris mai sus poate avea loc numai în lumină și se numește faza luminoasă sau luminoasă a fotosintezei.

Energia acumulată ca urmare a reacțiilor luminoase și atomii de hidrogen formați în timpul fotolizei apei sunt utilizate pentru sinteza carbohidraților din C0 2:

6С0 2 +24Н - С 6 Н 12 0 6 +6Н 2 0.

La legarea carbonului anorganic (CO 2) și sintetizarea compușilor organici ai carbonului, nu este necesară participarea directă a luminii. Aceste reacții se numesc reacții întunecate, iar totalitatea lor se numește faza întunecată a fotosintezei.

Nu toate celulele unei plante verzi sunt autotrofe. Nu conțin cloroplaste și celule ale rădăcinii, petale de flori, cambium etc., care nu sunt capabile de fotosinteză.

La plantele verzi, apa servește ca donor de hidrogen și participă la reacțiile fotosintetice. Acesta este motivul pentru care se formează și se eliberează oxigen liber în atmosferă. Cu toate acestea, atunci când în stadiile inițiale ale evoluției organismele procariote au dobândit capacitatea de a folosi energia luminii pentru biosinteză, substanțe precum compușii organici (acizi, alcooli, zaharuri), H, S sau hidrogenul molecular le-au servit drept donatori de hidrogen. Astăzi, organisme procariote relicte există și sunt larg răspândite - bacterii violet și verzi, în care fotosinteza are loc fără eliberarea de B2.

Un alt grup de organisme autotrofe, bacterii, chemosintetizează sau sunt chemotrofe. Pentru biosinteză, ele folosesc energia reacțiilor chimice ale compușilor anorganici. Astfel de bacterii sunt capabile să oxideze amoniu, nitriți, sulfuri, ioni de sulfit feros, sulf elementar, hidrogen molecular și C. Astfel, diferite grupuri de bacterii nitrificatoare oxidează succesiv amoniacul în nitriți și apoi formează nitrat din nitrit.

Activitatea tuturor acestor bacterii - nitrificare, oxidare a fierului și a sulfului și, prin urmare, transformarea mineralelor insolubile în sulfați ușor solubili de metale grele etc. - joacă un rol important în circulația substanțelor în natură.

Importanța fotosintezei este enormă. Acesta este procesul principal care are loc în biosferă. Energia Soarelui se acumulează în legăturile chimice ale compușilor organici, care sunt folosiți pentru a hrăni toți heterotrofii. În același timp, atmosfera este îmbogățită cu oxigen și curățată de excesul de dioxid de carbon.

Amintiți-vă din manualul „Omul și sănătatea lui” ce sunt metabolismul și conversia energiei în organism. În ce două procese opuse constă? Sub influența ce substanțe are loc descompunerea nutrienților în organism?

Baza vieții unei celule și a unui organism este metabolismul și conversia energiei. Schimbul substanțelor sale și transformarea energiei este totalitatea tuturor reacțiilor de degradare și sinteză care au loc într-o celulă sau în întregul organism, asociate cu eliberarea sau absorbția de energie. Metabolismul și conversia energiei constă din două procese interdependente, dar opuse - asimilarea și disimilarea (Fig. 53).

Orez. 53. Schema relațiilor dintre metabolism și conversia energiei într-o celulă

Două părți ale metabolismului și conversiei energiei. Disimilarea (din latinescul disimilare - distrugere, eliberare) este un ansamblu de reacții de descompunere și oxidare la viețuitoare a substanțelor organice cu greutate moleculară mare la cele organice și anorganice cu greutate moleculară mică. În timpul procesului de disimilare, energia conținută în legăturile chimice ale moleculelor organice este eliberată și stocată sub formă de ATP.

Procesele de disimilare sunt respirația, fermentația, glicoliza. Produsele finale principale sunt apa, dioxidul de carbon, amoniacul, ureea și acidul lactic.

Asimilarea (din latinescul asimilare - asimilare) este un ansamblu de reacții pentru sinteza substanțelor organice cu greutate moleculară mare din substanțe organice sau anorganice cu greutate moleculară mică. În timpul procesului de asimilare, energia este absorbită, care se formează ca urmare a defalcării ATP. Astfel, substanțele organice, precum carbohidrații, sunt sintetizate în celulele plantelor din dioxid de carbon, apă și săruri minerale.

Deci, principala substanță care asigură toate procesele metabolice din celulă este ATP. În timpul procesului de disimilare, moleculele de ATP sunt sintetizate și energia este stocată în ele. În timpul procesului de asimilare, moleculele de ATP se dezintegrează, iar energia eliberată în timpul acestui proces este cheltuită pentru sinteza substanțelor organice. Toate reacțiile metabolice de conversie a energiei în celulă sunt enzimatice - adică apar în prezența enzimelor.

Tipuri de metabolism. Singura sursă de energie de pe Pământ este Soarele. Datorită energiei solare, are loc sinteza primară a substanțelor organice din substanțe anorganice - fotosinteza. Energia Soarelui se acumulează în substanțe organice sintetizate, transformându-se în energia legăturilor chimice. În procesul de nutriție, organismele descompun substanțele organice, iar energia eliberată în timpul acestui proces este stocată în moleculele de ATP. Este folosit ulterior în reacțiile de asimilare.

După metoda de obținere a energiei și de sinteză a substanțelor organice, toate organismele sunt împărțite în autotrofe și heterotrofe (Fig. 54). Organismele autotrofe, sau autotrofe (din grecescul autos - sine și trofo - hrană, nutriție) sintetizează substanțe organice din cele anorganice. Autotrofele includ toate plantele verzi și cianobacteriile. Bacteriile chemosintetice se hrănesc, de asemenea, autotrof, folosind energia eliberată în timpul oxidării substanțelor anorganice, cum ar fi sulful, fierul și azotul.

Orez. 54. Fluxul de substanțe și transformarea energiei în biosfera Pământului

Organismele heterotrofe sau heterotrofe (din grecescul heteros - altul și trofo - hrană, nutriție) folosesc numai substanțe organice gata preparate. Sursa de energie pentru ei este energia stocată în substanțele organice obținute din alimente și eliberate în timpul descompunerii și oxidării lor. Heterotrofele includ toate animalele, ciupercile și majoritatea bacteriilor. Cu nutriția heterotrofă, organismul absoarbe substanțele organice în formă finită și le transformă în propriile substanțe nutritive.

Procesele de disimilare între organisme diferă și ele. Organismele aerobe, sau aerobii (din grecescul aer - aer și bios - viață) au nevoie de oxigen pentru a funcționa. Respirația pentru ei este principala formă de disimilare. Substanțele organice bogate în energie în prezența oxigenului sunt complet oxidate în substanțe anorganice sărace în energie - dioxid de carbon și apă.

Organismele anaerobe sau anaerobii (din grecescul a, an - particule negative) nu au nevoie de oxigen: procesele lor de viață pot avea loc într-un mediu fără oxigen. Substanțele organice în acest caz nu sunt complet descompuse. Prin urmare, produsele activității lor vitale pot fi utilizate de alte organisme. De exemplu, toate produsele de acid lactic sunt rezultatul activității bacteriilor anaerobe de acid lactic.

Întrebarea 1. Ce este disimilarea? Enumerați etapele acesteia.
Disimilare, sau metabolismul energetic, este un set de reacții de scindare a compușilor cu moleculare înaltă, care sunt însoțite de eliberarea și stocarea energiei. Disimilarea în organismele aerobe (respirație de oxigen) are loc în trei etape:
pregătitoare - descompunerea compușilor cu greutate moleculară mare în cei cu greutate moleculară mică fără a stoca energie;
fără oxigen - descompunerea parțială fără oxigen a compușilor, energia este stocată sub formă de ATP; oxigen - descompunerea finală a substanțelor organice în dioxid de carbon și apă, energia este, de asemenea, stocată sub formă de ATP.
Disimilarea la organismele anaerobe (nu folosesc oxigen) are loc în două etape: pregătitoare și fără oxigen. În acest caz, substanțele organice nu sunt complet descompuse și este stocată mult mai puțină energie.

Întrebarea 2. Care este rolul ATP-ului în metabolismul celular?
Acidul adenozin trifosforic (ATP) constă dintr-o bază azotată - adenină, un zahăr - riboză și trei resturi de acid fosforic. Molecula de ATP este foarte instabilă și este capabilă să despartă una sau două molecule de fosfat, eliberând o cantitate mare de energie, care este cheltuită pentru asigurarea tuturor funcțiilor vitale ale celulei (biosinteză, transfer transmembranar, mișcare, formarea unui impuls electric, etc.). Legăturile din molecula de ATP se numesc macroergice.
Scindarea fosfatului terminal din molecula de ATP este însoțită de eliberarea a 40 kJ de energie.). În acest caz, ATP este convertit în ADP. Dacă al doilea reziduu de acid fosforic este eliminat, ADP este transformat în AMP. Toate procesele din organismele vii care necesită energie sunt însoțite de conversia moleculelor de ATP în ADP (sau chiar AMP).
Sinteza ATP are loc în mitocondrii.

Întrebarea 3. Ce structuri celulare realizează sinteza ATP?
În celulele eucariote, sinteza majorității ATP din ADP și acid fosforic are loc în mitocondrii și este însoțită de absorbția (depozitarea) energiei. În plastide, ATP se formează ca produs intermediar al etapei luminoase a fotosintezei.

Întrebarea 4. Spuneți-ne despre metabolismul energetic într-o celulă folosind ca exemplu descompunerea glucozei.
Metabolismul energetic este de obicei împărțit în trei etape. Prima etapă este pregătitoare, numită și digestie. Se desfășoară în principal în afara celulelor sub acțiunea enzimelor secretate în cavitatea tractului digestiv. În această etapă, moleculele mari de polimer se descompun în monomeri: proteinele în aminoacizi, polizaharidele în zaharuri simple, grăsimile în acizi grași și glicerol. În acest caz, se eliberează o cantitate mică de energie, care este disipată sub formă de căldură.
Fara oxigen. Ca rezultat al glicolizei, o moleculă de glucoză este descompusă în două molecule de acid piruvic:
C6H12O6<----->2C3H403.
Descompunerea unei molecule de glucoză este însoțită de formarea a două molecule de ATP. În acest caz, 60% din energia eliberată este transformată în căldură, iar 40% este stocată sub formă de ATP. Descompunerea unei molecule de glucoză produce 2 molecule de ATP. Apoi, în organismele anaerobe, are loc fermentaţia - alcoolică (C 2 HC 5 OH - alcool etilic) sau acid lactic (C 3 H 4 0 3 - acid lactic). În organismele aerobe, începe a treia etapă a metabolismului energetic.
Oxigen. Această etapă a catabolismului necesită prezența oxigenului molecular și se numește respirație. Dezvoltarea respirației celulare în microorganismele aerobe și în celulele eucariote a devenit posibilă numai după ce oxigenul molecular a apărut în atmosfera Pământului ca urmare a fotosintezei. Adăugarea unei etape de oxigen la procesul catalitic oferă celulelor o modalitate puternică și eficientă de a extrage nutrienți și energie din molecule.
Reacțiile de scindare a oxigenului sau catabolismul oxidativ au loc în organele celulare speciale - mitocondrii, unde intră moleculele de acid piruvic. După un număr de terminații, se formează produsele finale - CO 2 și H 2 O, care apoi difuzează în afara celulei. Ecuația generală pentru respirația aerobă arată astfel:
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 36H 3 PO 4 + 36ADP<----->6C02 + 6H20 + 36ATP.
Astfel, oxidarea a două molecule de acid lactic produce 36 de molecule de ATP. În total, în timpul celei de-a doua și a treia etape ale metabolismului energetic, descompunerea unei molecule de glucoză produce 38 de molecule de ATP. În consecință, respirația aerobă joacă rolul principal în furnizarea energiei celulei.

Orice proprietate a ființelor vii și orice manifestare a vieții este asociată cu anumite reacții chimice din celulă. Aceste reacții apar fie cu cheltuirea, fie cu eliberarea de energie. Întregul set de procese de transformare a substanțelor într-o celulă, precum și în organism, se numește metabolism.

Anabolism

Pe parcursul vieții, o celulă menține constanta mediului său intern, numită homeostazie. Pentru a face acest lucru, sintetizează substanțe în conformitate cu informațiile sale genetice.

Orez. 1. Schema metabolică.

Această parte a metabolismului, în timpul căreia se creează compuși cu molecule înalte, caracteristice unei celule date, se numește metabolism plastic (asimilare, anabolism).

Reacțiile anabolice includ:

• sinteza proteinelor din aminoacizi;
• formarea amidonului din glucoză;
• fotosinteză;
• sinteza grăsimilor din glicerol și acizi grași.

Aceste reacții sunt posibile doar cu cheltuirea energiei. Dacă energia externă (lumină) este cheltuită pentru fotosinteză, atunci pentru restul - resursele celulei.

TOP 4 articolecare citesc împreună cu asta

Cantitatea de energie cheltuită pentru asimilare este mai mare decât cea stocată în legăturile chimice, deoarece o parte din aceasta este folosită pentru a regla procesul.

Catabolism

Cealaltă parte a metabolismului și transformării energiei într-o celulă este metabolismul energetic (disimilare, catabolism).

Reacțiile catabolice sunt însoțite de eliberarea de energie.
Acest proces include:

• suflare;
• descompunerea polizaharidelor în monozaharide;
• descompunerea grăsimilor în acizi grași și glicerol și alte reacții.

Orez. 2. Procese catabolice în celulă.

Interrelaţionarea proceselor de schimb

Toate procesele dintr-o celulă sunt strâns legate între ele, precum și cu procesele din alte celule și organe. Transformările substanțelor organice depind de prezența acizilor anorganici, macro și microelemente.

Procesele de catabolism și anabolism apar simultan în celulă și sunt două componente opuse ale metabolismului.

Procesele metabolice sunt asociate cu anumite structuri celulare:

• suflare- cu mitocondrii;
• sinteza proteinei- cu ribozomi;
• fotosinteză- cu cloroplaste.

O celulă este caracterizată nu de procese chimice individuale, ci de ordinea regulată în care apar. Regulatorii metabolismului sunt proteine ​​enzimatice care direcţionează reacţiile şi le modifică intensitatea.

ATP

Acidul adenozin trifosforic (ATP) joacă un rol deosebit în metabolism. Este un dispozitiv compact de stocare a energiei chimice utilizat pentru reacțiile de fuziune.

Orez. 3. Schema structurii ATP și conversia acestuia în ADP.

Datorită instabilității sale, ATP formează molecule de ADP și AMP (di- și monofosfat) cu eliberarea unei cantități mari de energie pentru procesele de asimilare.