Реферати » Реферати по біології » Метаболізм як основа життєдіяльності клітини

Метаболізм як основа життєдіяльності клітини

Метаболізм як основа життєдіяльності клітини

Вертьянов С. Ю.

Під метаболізмом розуміють постійно відбувається в клітинах живих організмів обмін речовин і енергії. Одні сполуки, виконавши свою функцію, стають непотрібними, в інших виникає нагальна потреба. В різних процесах метаболізму з простих речовин за участю ферментів синтезуються високомолекулярні сполуки, в свою чергу складні молекули розщеплюються на простіші.

Реакції біологічного синтезу називаються анаболічними (грец. Anabole підйом), а їх сукупність в клітці - анаболизмом, або пластичним обміном (грец. Plastos виліплений, створений).

В клітці протікає величезна кількість процесів синтезу: ліпідів в ендоплазматичної мережі, білків на рибосомах, полісахаридів в комплексі Гольджі еукаріот і в цитоплазмі прокаріотів, вуглеводів в пластидах рослин. Структура синтезованих макромолекул володіє видовий та індивідуальної специфічністю. Набір характерних для клітини речовин відповідає послідовності нуклеотидів ДНК, що складають генотип. Для забезпечення реакцій синтезу клітці потрібні істотні витрати енергії, одержуваної при розщепленні речовин.

Сукупність реакцій розщеплення складних молекул на простіші носить назву катаболізму (грец. Katabole руйнування), або енергетичного обміну. Прикладами таких реакцій є розщеплення ліпідів, полісахаридів, білків і нуклеїнових кислот в лізосомах, а також простих вуглеводів і жирних кислот в мітохондріях.

В результаті процесів катаболізму вивільняється енергія. Істотна її частина запасається у вигляді високоенергетичних хімічних зв'язків АТФ. Запаси АТФ дозволяють організму швидко й ефективно забезпечувати різні процеси життєдіяльності.

Молекули білків функціонують в організмі від декількох годин до декількох днів. За цей період в них накопичуються порушення, і білки стають непридатними для виконання своїх функцій. Вони розщеплюються і замінюються на знову синтезовані. Вимагають постійного оновлення і самі клітинні структури.

Пластичний та енергетичний обміни нерозривно взаємопов'язані. Процеси розщеплення здійснюють енергетичне забезпечення процесів синтезу, а також постачають необхідні для синтезу будівельні речовини. Правильний обмін речовин підтримує сталість хімічного складу біологічних систем, їх внутрішнього середовища. Здатність організмів зберігати внутрішні параметри незмінними носить назву гомеостазу. Процеси метаболізму відбуваються відповідно до генетичної програмою клітини, реалізуючи її спадкову інформацію.

Енергетичний обмін в клітині. Синтез АТФ

Людина і тварини отримують енергію за рахунок окислення органічних сполук, що надходять з їжею. Біологічне окислення речовин - це, по суті, повільне горіння. Кінцеві продукти згоряння дров (целюлози) - вуглекислий газ і вода. Повне окислення органічних речовин (вуглеводів і ліпідів) в клітинах також відбувається до води і вуглекислого газу. На відміну від горіння, процес біологічного окислення відбувається поступово. Вивільняється енергія також поступово запасається у вигляді хімічних зв'язків синтезованих сполук. Деяка її частина розсіюється в клітинах, підтримуючи необхідну для життєдіяльності температуру.

Синтез АТФ відбувається головним чином в мітохондріях (у рослин ще й у хлоропластах) і забезпечується в основному енергією, що виділяється при розщепленні глюкози, але можуть використовуватися і інші прості органічні сполуки - цукру, жирні кислоти та пр .

Гліколіз. Процес розщеплення глюкози в живих організмах носить назву гліколізу (грец. Glykys солодкий + lysis розщеплення). Розглянемо основні його етапи.

На першій, попередній стадії в лізосомах відбувається утворення простих органічних молекул шляхом розщеплення ді-і полісахаридів. Вирізняється при цьому невелику кількість енергії розсіюється у вигляді тепла.

Другий етап гліколізу відбувається в цитоплазмі без участі кисню і називається анаеробним (безкисневі - грец. Ana без + aer повітря) гликолизом - неповним окисленням глюкози без участі кисню.

Безкисневий гліколіз являє собою складний багатоступінчастий процес з десяти послідовних реакцій. Кожна реакція каталізується спеціальним ферментом. У підсумку глюкоза розщеплюється до піровиноградної кислоти (ПВК):

С6Н12О6 (глюкоза) + 2Н3РО4 + 2АДФ = 2С3Н4О3 (ПВК) + 2АТФ + 2Н2О

Глюкоза в цьому процесі не тільки розщеплюється, а й окислюється (втрачає атоми водню). В м'язах людини і тварин дві молекули ПВК, набуваючи атоми водню, відновлюються в молочну кислоту С3Н6О3. Цим же продуктом закінчується гліколіз у молочнокислих бактерій і грибків, застосовуваний для приготування кислого молока, кисляку, кефіру, а також при силосуванні кормів у тваринництві. Процес перетворення ПВК в клітинах мікроорганізмів і рослин в стійкі кінцеві продукти називають бродінням.

Так, дріжджові грибки розщеплюють ПВК на етиловий спирт і вуглекислий газ. Цей процес, званий спиртовим бродінням, використовують для приготування квасу, пива і вина. Бродіння інших мікроорганізмів завершується освітою ацетону, оцтової кислоти і т.д.

Головним результатом анаеробного гліколізу у всіх організмах є утворення двох молекул АТФ. Вивільняється при розщепленні глюкози енергія відносно невелика - 200 кДж / моль. Високоенергетичних зв'язку АТФ запасають 40% цієї величини. Решта 60% розсіюються у вигляді тепла. Основний вихід енергії і молекул АТФ відбувається на третьому, кисневому етапі гліколізу, званому ще аеробним диханням.

Кисневий гліколіз. При наявності достатньої кількості кисню подальший процес розщеплення ПВК відбувається вже не в цитоплазмі, а в мітохондріях, і включає кілька десятків послідовних реакцій, кожна з яких обслуговується своїм комплексом ферментів.

Молекули ПВК під дією ферментів (і коферменту НАД - никотинамидадениндинуклеотида) поетапно окислюються спочатку до оцтової кислоти, а потім, в так званому циклі Кребса (або трикарбонових кислот), до вуглекислого газу і води (повільне горіння ). В процесі окислення утворюються складні молекулярні сполуки з приєднаними до них атомами водню. Молекули-переносники підхоплюють і переміщають електрони цих атомів по довгому ланцюгу ферментів від одного до іншого. На кожному кроці електрони вступають в окислювально-відновні реакції і віддають свою енергію, яка йде на переміщення протонів на зовнішню сторону внутрішньої мембрани мітохондрії.

В результаті залишилися протони і переміщені електрони виявляються на різних сторонах внутрішньої мембрани. На мембрані створюється різниця потенціалів.

Фермент, що синтезує АТФ (АТФ-синтетаза), вбудований у внутрішню мембрану по всій її товщині. Цей фермент має характерну особливість: невеликий каналець в молекулярній структурі. При накопиченні на мембрані різниці потенціалів приблизно в 200 мВ іони Н + починають протискуватися через каналець в молекулі АТФ-синтетази. В процесі енергійного просування іонів через фермент відбувається синтез АТФ з АДФ за участю фосфорної кислоти.

В хімічних реакціях кисневого гліколізу звільняється велика кількість енергії - 2600 кДж / моль. Істотна її частина (55%) запасається в високоенергетичних зв'язках утворюються молекул АТФ. Решта 45% розсіюються у вигляді тепла (тому при виконанні фізичної роботи нам жарко). Підсумкове рівняння кисневої стадії виглядає наступним чином:

2С3Н6О3 (молочн.кіслота) + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ = 6СО2 + 42Н2О + 36АТФ

Таким чином, кисневе розщеплення різко збільшує ефективність енергетичного обміну і відіграє основну роль в акумулюванні енергії. Якщо гліколіз без участі кисню дає тільки 2 молекули АТФ, то кисневий гліколіз забезпечує синтез 36 молекул АТФ. У підсумку в повному циклі гліколізу на кожну молекулу глюкози утворюється 38 молекул АТФ.

При середньодобових енергетичних затратах в 10 тис. КДж в організмі людини щодня синтезується близько 170 кг АТФ, а міститься лише близько 50 г АТФ, отже, поновлення запасу відбувається з частотою 3400 разів на добу!

При інтенсивній фізичній роботі клітини організму не встигають насититися киснем, і розщеплення глюкози обмежується бескислородним гликолизом. В результаті швидко накопичується молочна кислота - токсична для нервових і м'язових клітин з'єднання (пригадаємо м'язові болі після важкої роботи). Поява молочної кислоти збуджує дихальний центр і змушує нас посилено дихати. Насичення клітин киснем дозволяє організму відновити процес кисневого розщеплення, що забезпечує необхідну кількість енергії у вигляді молекул АТФ. Настає "друге дихання". Гепардам після інтенсивного бігу потрібно тривалий відпочинок, часом вони виявляються не в змозі захистити свою здобич від менш сильних хижаків. У великій швидкості відновлення кисневого запасу, а значить, в кращій пристосованості до тривалої м'язової активності - перевага багатьох дрібних тварин.

Мітохондрії здатні використовувати для синтезу АТФ не тільки розщеплення глюкози. В їх матриксі містяться також ферменти, що розщеплюють жирні кислоти. Особливістю цього циклу є великий енергетичний вихід - 51 молекула АТФ на кожну молекулу жирної кислоти. Не випадково ведмеді та інші тварини, впадаючи в сплячку, запасають саме жири. Цікаво, що частина запасаемого жиру має у них бурий колір. Такі жирові клітини містять безліч мітохондрій незвичайного будови: їх внутрішні мембрани пронизані порами. Іони водню вільно проходять через ці пори, і синтез АТФ в клітинах бурого жиру не відбувається. Вся енергія, що звільняється в процесі кисневого розщеплення жирних кислот, виділяється у вигляді великої кількості тепла, зігріваючого тварин під час довгої зимової сплячки.

Бурий жир становить не більше 1-2% маси тіла, але підвищує виробництво тепла до 400 Вт на кожний кілограм ваги (тепловиробництва людини в стані спокою становить 1 Вт / кг). Запасають жир і верблюди. При постійному дефіциті вологи це подвійно вигідно, оскільки розщеплення жирів дає ще й велику кількість води.

Крім глюкози і жирних кислот, мітохондрії здатні розщеплювати амінокислоти, але вони - дороге паливо. Амінокислоти є важливим будівельним матеріалом, з них організм синтезує свої білки. До того ж використання амінокислот для синтезу АТФ вимагає попереднього видалення аміногрупи NН2 з утворенням токсичного аміаку. Білки і складові їх амінокислоти використовуються клітиною для отримання енергії тільки в крайньому випадку.

Етиловий спирт теж може використовуватися мітохондріями для синтезу АТФ. Але спирт як "паливо" має для організму людини свої недоліки, постійне вживання алкоголю призводить до тяжких розладів, наприклад, до жирового переродження печінки - цирозу.

Фотосинтез - перетворення енергії світла в енергію хімічних зв'язків

Автотрофні організми. На відміну від людини і тварин, всі зелені рослини і частина бактерій здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних сполук.

Сторінки: 1 2 3 4

енциклопедія  з сиру  аджапсандалі  ананаси  узвар