Головна
Реферати » Реферати з біології » Метаболізм як основа життєдіяльності клітини

Метаболізм як основа життєдіяльності клітини

Такий тип обміну речовин називається автотрофним (грец. autos сам + trophe їжа ). Залежно від виду енергії, використовуваної автотрофами для синтезу органічних молекул, їх ділять на фототрофов і хемотрофов. Фототрофи використовують енергію сонячного світла, а хемотрофи - хімічну енергію, вивільняється при окисленні ними різних неорганічних сполук.

Зелені рослини є фототрофами. Їх хлоропласти містять хлорофіл, що дозволяє рослинам здійснювати фотосинтез - перетворення енергії сонячного світла в енергію хімічних зв'язків синтезованих органічних сполук. З усього спектра сонячного випромінювання молекули хлорофілу поглинають червону і синю частину, а зелена складова сягає сітківки наших очей. Тому більшість рослин бачимо зеленими.

Для здійснення фотосинтезу рослини поглинають з атмосфери вуглекислий газ, а з водойм і грунту - воду, неорганічні солі азоту і фосфору. Підсумкове рівняння фотосинтезу виглядає досить просто:

6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 (глюкоза) + 6О2,

але всім добре відомо, що при змішуванні вуглекислого газу і води глюкоза не утворюється. Фотосинтез - складний багатоступінчастий процес, для проходження якого необхідний не тільки сонячне світло і хлорофіл, але і ряд ферментів, енергія АТФ і молекули-переносники. Виділяють дві фази фотосинтезу - світлову та темновую.

С в е т о в а я ф о з а фотосинтезу починається з освітлення рослин світлом. Сонячні фотони, передаючи свою енергію молекулі хлорофілу, переводять молекулу в збуджений стан: її електрони, отримуючи додаткову енергію, переходять на більш високі орбіти. Відрив таких збуджених електронів може відбуватися значно легше, ніж не збудженому. Молекули-переносники захоплюють їх і переміщують на іншу сторону мембрани тилакоида.

Молекули хлорофілу заповнюють втрату електронів, відриваючи їх від молекул води. В результаті вода розщеплюється на протони і молекулярний кисень:

2Н2О - 4е = 4Н + + О2

Процес розщеплення молекул води до молекулярного кисню, протонів і електронів під дією світла називають фотоліз. Молекулярний кисень легко дифундує крізь мембрани тилакоїдів і виділяється в атмосферу. Протони нездатні до проникнення через мембрану і залишаються всередині.

Таким чином, зовні мембрани накопичуються електрони, доставлені молекулами-переносниками з збуджених молекул хлорофілу, а всередині - протони, що утворилися в результаті фотолізу води. Виникає різниця потенціалів. У мембрани тилакоїдів хлоропласта, так само як і у внутрішні мембрани мітохондрій, вбудовані ферменти-синтетази, що здійснюють синтез АТФ. У молекулярній структурі синтетаз рослин також є каналець, через який можуть проходити протони. При досягненні на мембрані критичної різниці потенціалів протони, їх вабить силою електричного поля, протискуваються канальцу АТФ-синтетази, витрачаючи енергію на синтез АТФ. З'єднуючись на іншій стороні мембрани з електронами, протони утворюють атомарний водень.

Фотосинтез в хлоропластах дуже ефективний: він дає в 30 разів більше АТФ, ніж кисневий гліколіз в мітохондріях тих же рослин.

Таким чином, під час світлової фази фотосинтезу відбуваються наступні головні процеси: виділення в атмосферу вільного кисню, синтез АТФ та освіта атомарного водню.

Перебіг подальших реакцій може відбуватися і в темряві, тому носить назву темнової фази.

Т е м н о в а я ф а з а. Реакції цієї фази відбуваються в стромі хлоропласта за участю атомарного водню і АТФ, що утворилися в світловий фазі, а також ферментів, відновлюють СО2 до простого цукру - тріози (гліцеральдегід) - і синтезують з неї глюкозу:

6СО2 + 24Н = С6Н12О6 (глюкоза) + 6Н2О

Для утворення однієї молекули глюкози потрібно 18 молекул АТФ. Комплекс реакцій темнової фази, здійснюваних ферментами (і коферментом НАД), носить назву циклу Кальвіна.

Крім глюкози, з тріози можуть синтезуватися жирні кислоти, амінокислоти та ін Вуглеводи і жирні кислоти далі транспортуються в лейкопласти, де з них формуються запасні поживні речовини - крохмаль і жири.

З настанням темряви рослини продовжують процес фотосинтезу, використовуючи запасені на світлі з'єднання. Коли цей запас вичерпується, припиняється і фотосинтез. У нічній темряві рослини нагадують за типом обміну речовин тварин: вони поглинають кисень з атмосфери (дихають) і окислюють за допомогою його запасені вдень поживні речовини. На дихання рослини використовують в 20-30 разів менше кисню, ніж виділяють в атмосферу в процесі фотосинтезу.

Кількість енергії, виробленої рослинами, значно перевищує кількість тепла, що виділяється при спалюванні всім населенням планети горючих корисних копалин. Щорічно рослинність планети дає 200 млрд. т кисню і 150 млрд. т органічних сполук, необхідних людині і тваринам.

Хемосинтез. Більшість бактерій позбавлені хлорофілу. Деякі з них є хемотрофов: для синтезу органічних речовин вони використовують не енергію світла, а енергію, вивільняється при окисленні неорганічних сполук. Такий спосіб отримання енергії і синтезу органічних речовин назвали хемосинтезом (грец. chemia хімія). Явище хемосинтезу відкрито в 1887 р. російським мікробіологом С. Н. Виноградским.

Н і т р і ф і ц р у ю щ і е б а к т е р й. У кореневищах рослин, головним чином, бобових, живуть особливі бульбочкові бактерії. Вони здатні засвоювати недоступний рослинам атмосферний азот і збагачувати грунт аміаком. Нитрифицирующие бактерії окислюють аміак бульбочкових бактерій до азотистої кислоти і далі - азотисту до азотної. У результаті рослини отримують солі азотної кислоти, необхідні для синтезу амінокислот і азотистих основ.

В о д о р о д н и е б а к т е р й також широко поширені в грунтах. Вони окислюють молекули водню, які утворюються внаслідок безкисневого окислення органічних останків різними мікроорганізмами:

2Н2 + О2 = 2Н2О

Ж е л е з о б а к т е р і і використовують енергію, вивільняється при окисленні двовалентного заліза до тривалентного (закісние солі до окисних).

С е р про б а к т е р і і мешкають в болотах і "харчуються" сірководнем. В результаті окислення сірководню виділяється необхідна для життєдіяльності бактерій енергія і накопичується сірка. При окисленні сірки до сірчаної кислоти вивільняється ще частину енергії. Сумарний вихід енергії становить істотну величину - 666 кДж / моль. Величезна кількість серобактерий живе в Чорному морі. Його води, починаючи із стометрової глибини, насичені сірководнем.

Гетеротрофний тип обміну речовин. Людина і тварини не здатні синтезувати необхідні для життєдіяльності органічні речовини з неорганічних і змушені поглинати їх з їжею. Такі організми називають гетеротрофами (грец. heteros інший). До гетеротрофи відносяться також більшість бактерій і гриби. Речовини, що надійшли з їжею, розкладаються в організмах тварин на прості вуглеводи, амінокислоти, нуклеотиди, з яких далі синтезуються високомолекулярні сполуки, необхідні для конкретного виду істот в конкретній фазі життєвого циклу. Частина надійшли з їжею молекул розщеплюється до кінцевих продуктів, а вивільняється енергія використовується в процесах життєдіяльності. Деяка кількість енергії розсіюється у вигляді теплоти, що служить для підтримки температури тіла.

Багато одноклітинні водорості мають миксотрофное (змішане) харчування. На світлі вони фотосинтезируют, а в темряві переходять до фагоцитозу, тобто стають гетеротрофами.

Пластичний обмін. Біосинтез білків. Синтез і РНК

У процесах метаболізму реалізується спадкова інформація. Клітка синтезує тільки ті речовини, які записані в її генетичній програмі. Кожній групі клітин притаманний свій комплекс хімічних сполук. Серед них особливо важливими для організму є білки.

Багато функції й ознаки організму визначаються його набором білків. Білки-ферменти розщеплюють їжу, відповідають за поглинання і виділення солей, синтезують жири і вуглеводи, виробляють безліч інших біохімічних перетворень. Білки визначають колір очей, зріст - словом, зовнішню специфічність організмів. Більшість білків, що виконують одні й ті ж функції, трохи різні навіть у особин одного і того ж виду (наприклад, білки груп крові). Але деякі однофункціональні білки можуть мати подібну будову у далеких груп організмів (наприклад, інсулін собаки і людини).

У процесі життєдіяльності білкові молекули поступово руйнуються, втрачають свою структуру - денатурують. Їх активність падає, і клітини замінюють їх новими. В організмах постійно відбувається синтез необхідних білків.

Іосінтез білкових молекул - складний ферментативний процес, що починається в ядрі і закінчується на рибосомах. Центральну функцію у ньому виконують носії генетичної інформації - нуклеїнові кислоти ДНК і РНК.

Генетичний код. Послідовність нуклеотидів ДНК задає послідовність амінокислот в білках - їх первинну структуру. Молекули ДНК є матрицями для синтезу всіх білків.

Відрізок ДНК, що несе інформацію про первинну структуру конкретного білка, називають геном. Відповідну послідовність нуклеотидів - генетичним кодом білка.

Ідею про те, що спадкова інформація записана на молекулярному рівні, а синтез білків йде по матричному принципу, вперше висловив ще в 1920-х роках російський біолог Н. К. Кольцов. В даний час код ДНК повністю розшифрований. У цьому заслуга відомих учених: Г. Гамова (1954), а також Ф. Крика, С. Очоа, М. Ниренберга, Р. Холі і К. Хорана (1961-65). Значну частину властивостей генетичного коду встановив англійський фізик Ф. Крик, досліджуючи бактеріофагів.

К о д т р і п л е т е н. Кожна амінокислота в генетичному коді задається послідовністю трьох нуклеотидів - триплетом, або кодоном. Різних нуклеотидів в ДНК чотири, отже, теоретично можливих кодонів - 64 (43). Більшості амінокислот відповідає від 2 до 6 кодонів - код, як кажуть, виродилися. Чим частіше амінокислота зустрічається в білках, тим, як правило, великим числом кодонів вона кодується. Решта три кодону разом з кодоном метіоніну (АУГ) служать знаками пунктуації при зчитуванні інформації - вказують початок і кінець матриць конкретних білків. Якщо білок має кілька полімерних ланцюгів (утворюють окремі

Сторінки: 1 2 3 4