Обмен веществ клетки.
Совокупность химических реакций биосинтеза (ассимиляция) и распада (диссимиляция), лежащих в основе жизнедеятельности организма и обеспечивающих его взаимосвязь со средой обитания, называется обменом веществ. Обмен веществ базируется на процессах пластического и энергетического обмена, направленных на непрерывное обновление живого.
Пластический обмен, или ассимиляция,? это совокупность реакций синтеза, направленных на образование структурных растей клеток и тканей. К нему относятся биосинтез белка, фотосинтез, синтез жиров и углеводов.
Биосинтез белка ? одно из наиболее важных и характерных ^рвойств живой клетки. Первичная структура белка предопределяется генетическим кодом, заложенным в молекуле ДНК, причем различные ее участки кодируют синтез разных белков. Следовательно, одна молекула ДНК хранит информацию о структуре многих белков. Свойства белка зависят от последовательности расположения аминокислот в полипептидной цепи. В свою очередь чередование аминокислот определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК. В иРНК каждой аминокислоте соответствует определенный триплет - группа, состоящая из трех нуклеотидов, называемая кодоном.
Распределив молекулу иРНК на триплеты, можно представить, какие аминокислоты и в какой последовательности будут располагаться в молекуле белка. Совокупость триплетов ДНК, несущих информацию о структуре одной белковой молекулы, называется геном.
Биосинтез белка начинается в ядре со списывания информации о структуре белковой молекулы с ДНК на иРНК по принципу комплементарности. Данный процесс протекает как реакция матричного синтеза и называется транскрипцией. Образующаяся при этом иРНК поступает в цитоплазму, где на нее нанизываются рибосомы. Одновременно в цитоплазме с помощью ферментов активизируется тРНК. Молекула тРНК напоминает по структуре лист клевера, на вершине которого находится триплет нуклеотидов, соответствующий по коду определенной аминокислоте (антикодон), а основание ("черешок") служит местом присоединения этой аминокислоты. Транспортная РНК доставляет аминокислоты к рибосомам. По принципу комплементарности антикодон связывается со своим кодоном, причем аминокислота располагается у активного центра рибосомы и с помощью ферментов соединяется с ранее поступившими аминокислотами. Затем тРНК освобождается от аминокислоты, а молекула иРНК продвигается вперед на один триплет, и процесс повторяется. Так постепенно наращивается белковая цепочка, в которой аминокислоты располагаются в строгом соответствии с локализацией кодирующих их триплетов в молекуле иРНК. Синтез полипептидных цепей белков по матрице иРНК называется трансляцией.
В клетках растительных и животных организмов белки непрерывно обновляются. Интенсивность синтеза тех или иных специфических белков определяется активностью соответствующих генов, с которых "считывается" иРНК. Следует отметить, что не все гены функционируют одновременно: активность проявляют лишь те, которые кодируют информацию о структуре белков, необходимых для жизнедеятельности организма в данный момент. Биосинтез белка зависит также от активности ферментов, катализирующих процессы транскрипции и трансляции, от наличия свободной энергии в виде АТФ, аминокислот и других факторов. Фотосинтез ? процесс превращения энергии солнечного света в энергию химических связей, протекающий в зеленых листьях растений. Это происходит благодаря наличию в хло-ропластах фотосинтезирующих пигментов ? хлорофилла и ка-ротиноидов (каротин, ксантофилл). В частности, являясь высокоактивным веществом, хлорофилл осуществляет поглощение света, первичное запасание энергии и дальнейшее ее преобразование в химическую энергию. Различают световую и темно-вую фазы фотосинтеза.
Световая фаза начинается с поглощения кванта света молекулой хлорофилла. 1) При этом один из электронов молекулы переходит в "возбужденное" состояние, перескакивает на более высокую орбиту. 2) Возбужденный электрон перемещается по цепи переносчиков электронов. 3) При этом выделяется энергия для синтеза АТФ, часть электронов используется также для восстановления МАДФ+ в НАДФ?Н0. 4) Происходит процесс разложения воды под влиянием света (фотолиз). 5) Ион гидроксила отдает свой электрон и превращается в радикал (ОН), который, соединяясь с другими радикалами, образует воду и свободный кислород. 6) Электрон от гидроксила возвращается в молекулу хлорофилла и заполняет место ушедшего электрона. 7) Таким образом, результатом световой фазы фотосинтеза является образование АТФ, выделение кислорода и восстановление НАДФ.
В период темповой фазы фотосинтеза происходят сложные ферментативные реакции, в основе которых лежит восстановление молекул углекислого газа до органических соединений, осуществляемое при участии продуктов световых реакций. Это происходит следующим образом. Углекислый газ, поступая из атмосферы в лист через устьица, связывается особым веществом ? акцептором, и в результате образуется нестойкое вещество, распадающееся на две молекулы фосфоглицерино-вой кислоты. Последние восстанавливаются с помощью продуктов световых реакций. В конечном итоге через ряд промежуточных соединений образуются углеводы и другие органические соединения (белки, жиры, органические кислоты). Урожайность растений в значительной степени зависит от продуктивности фотосинтеза, которая обусловливается влиянием комплекса внешних и внутренних (генетические особенности растения) факторов. Оптимальными условиями для фотосинтеза являются:
1) достаточная освещенность, достигаемая при определенной густоте посева (следует учитывать разницу в потреблении света светолюбивыми и тенелюбивыми растениями);
2) достаточная увлажненность почвы, зависящая от правильного орошения полей, потребности растений во влаге;
3) нормальное содержание углекислого газа в воздухе (увеличение его концентрации нарушает процесс дыхания);
4) достаточное минеральное питание растений, обеспечивающее наилучший ход обменных реакций.
Зная пути повышения продуктивности фотосинтеза, можно увеличить урожайность культурных растений.
Энергетический обмен, или диссимиляция,?совокупность реакций распада (в том числе гликолиз, брожение, дыхание), сопровождающихся выделением энергии. Он проходит в три этапа.
Первый этап ? подготовительный ? протекает в цитоплазме клеток растений, простейших, в пищеварительном тракте животных и человека. При этом питательные вещества под влиянием пищеварительных ферментов расщепляются до мономеров: белки ? до аминокислот, углеводы ?до моносахари-дов, липиды ?до жирных кислот, спиртов и альдегидов, нуклеиновые кислоты ? до нуклеотидов. В результате образуется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде тепла. На этом этапе синтез АТФ не происходит.
Второй этап ? анаэробный ? протекает в цитоплазме клеток и сводится к следующему. Мономеры, образовавшиеся на первом этапе, подвергаются дальнейшему расщеплению без участия кислорода с образованием энергии. Например, под действием ферментов одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты. При этом из аденозинди-фосфата и фосфорной кислоты синтезируются две молекулы
[л"Ф. В растительных клетках и в некоторых дрожжевых грибах Распад глюкозы идет путем спиртового брожения.
Третий этап ? аэробный ? обеспечивает последующее расщепление органических веществ до конечных продуктов с участием кислорода и происходит в митохондриях. В результате дальнейшего окисления пировиноградной кислоты образуются диоксид углерода и вода. При этом выделяется энергия, которая аккумулируется в виде 36 молекул АТФ.
Таким образом, при расщеплении одной молекул глюкозы образуется 38 молекул аденозинтрифосфорной кислоты. АТФ быстро восстанавливается в клетке. Например, у человека каждая молекула АТФ расщепляется и вновь синтезируется 2400 раз в сутки, т. е. средняя продолжительность жизни АТФ менее линуты.
При диссимиляции расщепляются не только углеводы, но и продукты распада белков, жиров и других сложных соединений. Гак, аминокислоты расщепляются до диоксида углерода и воды I до азотсодержащих веществ, идущих у позвоночных на син-/гез мочевины. Диссимиляция обычно осуществляется в результате гидролитических и окислительных реакций и протекает как при отсутствии кислорода, так и при его участии.
Пластический обмен, или ассимиляция,? это совокупность реакций синтеза, направленных на образование структурных растей клеток и тканей. К нему относятся биосинтез белка, фотосинтез, синтез жиров и углеводов.
Биосинтез белка ? одно из наиболее важных и характерных ^рвойств живой клетки. Первичная структура белка предопределяется генетическим кодом, заложенным в молекуле ДНК, причем различные ее участки кодируют синтез разных белков. Следовательно, одна молекула ДНК хранит информацию о структуре многих белков. Свойства белка зависят от последовательности расположения аминокислот в полипептидной цепи. В свою очередь чередование аминокислот определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК. В иРНК каждой аминокислоте соответствует определенный триплет - группа, состоящая из трех нуклеотидов, называемая кодоном.
Распределив молекулу иРНК на триплеты, можно представить, какие аминокислоты и в какой последовательности будут располагаться в молекуле белка. Совокупость триплетов ДНК, несущих информацию о структуре одной белковой молекулы, называется геном.
Биосинтез белка начинается в ядре со списывания информации о структуре белковой молекулы с ДНК на иРНК по принципу комплементарности. Данный процесс протекает как реакция матричного синтеза и называется транскрипцией. Образующаяся при этом иРНК поступает в цитоплазму, где на нее нанизываются рибосомы. Одновременно в цитоплазме с помощью ферментов активизируется тРНК. Молекула тРНК напоминает по структуре лист клевера, на вершине которого находится триплет нуклеотидов, соответствующий по коду определенной аминокислоте (антикодон), а основание ("черешок") служит местом присоединения этой аминокислоты. Транспортная РНК доставляет аминокислоты к рибосомам. По принципу комплементарности антикодон связывается со своим кодоном, причем аминокислота располагается у активного центра рибосомы и с помощью ферментов соединяется с ранее поступившими аминокислотами. Затем тРНК освобождается от аминокислоты, а молекула иРНК продвигается вперед на один триплет, и процесс повторяется. Так постепенно наращивается белковая цепочка, в которой аминокислоты располагаются в строгом соответствии с локализацией кодирующих их триплетов в молекуле иРНК. Синтез полипептидных цепей белков по матрице иРНК называется трансляцией.
В клетках растительных и животных организмов белки непрерывно обновляются. Интенсивность синтеза тех или иных специфических белков определяется активностью соответствующих генов, с которых "считывается" иРНК. Следует отметить, что не все гены функционируют одновременно: активность проявляют лишь те, которые кодируют информацию о структуре белков, необходимых для жизнедеятельности организма в данный момент. Биосинтез белка зависит также от активности ферментов, катализирующих процессы транскрипции и трансляции, от наличия свободной энергии в виде АТФ, аминокислот и других факторов. Фотосинтез ? процесс превращения энергии солнечного света в энергию химических связей, протекающий в зеленых листьях растений. Это происходит благодаря наличию в хло-ропластах фотосинтезирующих пигментов ? хлорофилла и ка-ротиноидов (каротин, ксантофилл). В частности, являясь высокоактивным веществом, хлорофилл осуществляет поглощение света, первичное запасание энергии и дальнейшее ее преобразование в химическую энергию. Различают световую и темно-вую фазы фотосинтеза.
Световая фаза начинается с поглощения кванта света молекулой хлорофилла. 1) При этом один из электронов молекулы переходит в "возбужденное" состояние, перескакивает на более высокую орбиту. 2) Возбужденный электрон перемещается по цепи переносчиков электронов. 3) При этом выделяется энергия для синтеза АТФ, часть электронов используется также для восстановления МАДФ+ в НАДФ?Н0. 4) Происходит процесс разложения воды под влиянием света (фотолиз). 5) Ион гидроксила отдает свой электрон и превращается в радикал (ОН), который, соединяясь с другими радикалами, образует воду и свободный кислород. 6) Электрон от гидроксила возвращается в молекулу хлорофилла и заполняет место ушедшего электрона. 7) Таким образом, результатом световой фазы фотосинтеза является образование АТФ, выделение кислорода и восстановление НАДФ.
В период темповой фазы фотосинтеза происходят сложные ферментативные реакции, в основе которых лежит восстановление молекул углекислого газа до органических соединений, осуществляемое при участии продуктов световых реакций. Это происходит следующим образом. Углекислый газ, поступая из атмосферы в лист через устьица, связывается особым веществом ? акцептором, и в результате образуется нестойкое вещество, распадающееся на две молекулы фосфоглицерино-вой кислоты. Последние восстанавливаются с помощью продуктов световых реакций. В конечном итоге через ряд промежуточных соединений образуются углеводы и другие органические соединения (белки, жиры, органические кислоты). Урожайность растений в значительной степени зависит от продуктивности фотосинтеза, которая обусловливается влиянием комплекса внешних и внутренних (генетические особенности растения) факторов. Оптимальными условиями для фотосинтеза являются:
1) достаточная освещенность, достигаемая при определенной густоте посева (следует учитывать разницу в потреблении света светолюбивыми и тенелюбивыми растениями);
2) достаточная увлажненность почвы, зависящая от правильного орошения полей, потребности растений во влаге;
3) нормальное содержание углекислого газа в воздухе (увеличение его концентрации нарушает процесс дыхания);
4) достаточное минеральное питание растений, обеспечивающее наилучший ход обменных реакций.
Зная пути повышения продуктивности фотосинтеза, можно увеличить урожайность культурных растений.
Энергетический обмен, или диссимиляция,?совокупность реакций распада (в том числе гликолиз, брожение, дыхание), сопровождающихся выделением энергии. Он проходит в три этапа.
Первый этап ? подготовительный ? протекает в цитоплазме клеток растений, простейших, в пищеварительном тракте животных и человека. При этом питательные вещества под влиянием пищеварительных ферментов расщепляются до мономеров: белки ? до аминокислот, углеводы ?до моносахари-дов, липиды ?до жирных кислот, спиртов и альдегидов, нуклеиновые кислоты ? до нуклеотидов. В результате образуется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде тепла. На этом этапе синтез АТФ не происходит.
Второй этап ? анаэробный ? протекает в цитоплазме клеток и сводится к следующему. Мономеры, образовавшиеся на первом этапе, подвергаются дальнейшему расщеплению без участия кислорода с образованием энергии. Например, под действием ферментов одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты. При этом из аденозинди-фосфата и фосфорной кислоты синтезируются две молекулы
[л"Ф. В растительных клетках и в некоторых дрожжевых грибах Распад глюкозы идет путем спиртового брожения.
Третий этап ? аэробный ? обеспечивает последующее расщепление органических веществ до конечных продуктов с участием кислорода и происходит в митохондриях. В результате дальнейшего окисления пировиноградной кислоты образуются диоксид углерода и вода. При этом выделяется энергия, которая аккумулируется в виде 36 молекул АТФ.
Таким образом, при расщеплении одной молекул глюкозы образуется 38 молекул аденозинтрифосфорной кислоты. АТФ быстро восстанавливается в клетке. Например, у человека каждая молекула АТФ расщепляется и вновь синтезируется 2400 раз в сутки, т. е. средняя продолжительность жизни АТФ менее линуты.
При диссимиляции расщепляются не только углеводы, но и продукты распада белков, жиров и других сложных соединений. Гак, аминокислоты расщепляются до диоксида углерода и воды I до азотсодержащих веществ, идущих у позвоночных на син-/гез мочевины. Диссимиляция обычно осуществляется в результате гидролитических и окислительных реакций и протекает как при отсутствии кислорода, так и при его участии.