Обмен веществ и превращение энергии

Тема: Организация потока энергии и информации в клетке.

Цель: Изучить важнейшее свойство живого – обмен веществ и энергии, которое проявляется на разных уровнях организации.

Задание для самоподготовки

1. Ассимиляция и диссимиляция в живой клетке, их взаимосвязь, биологическое значение. Продукты ассимиляции и диссимиляции.

2. Типы ассимиляции (автотрофная, гетеротрофная, миксотрофная)

3. Фотосинтез. Организмы, способные к фотосинтезу.

4. Хемосинтез. Сходство и отличие фото- и хемосинтеза.

5. Строение, функции и образование АТФ.

6. Типы диссимиляции (аэробный и анаэробный). Дыхание и брожение. Отличие дыхания от брожения.

7. Характеристика основных этапов энергетического обмена (подготовительный, гликолиз, гидролиз).

8. Особенности строения ДНК и РНК. Типы РНК. Кодон, антикодон. Определение, строение, расположение в биомолекулах.

9. Местоположение исходной информации для биосинтеза белка. Условия, необходимые для биосинтеза белка.

10. Начало синтеза белка: транскрипция, процессинг, роль РНК-полимеразы в транскрипции. Промотор и терминатор транскрипции.

11. Трансляция, ее осуществление.

12. Формирование первичной, вторичной, третичной и четвертичной структуры белка. Органоиды, в которых осуществляется этот процесс.

13. Заполнить таблицы 7, 8, 9, 10, 11 (см. Приложение 2).

Обмен веществ и превращение энергии в клетке (метаболизм) – важнейшее свойство живого. Он представляет собой совокупность химических реакций, протекающих в клетках с поглощением или выделением энергии.

Ассимиляция (анаболизм) – совокупность всех процессов синтеза сложных органических веществ, сопровождающимся поглощением энергии (эндотермический процесс). Это пластический обмен : образуются различные вещества.

Диссимиляция (катаболизм) – совокупность реакций расщепления ; переход веществ, богатых энергией, в простые, менее энергетически богатые (экзотермический процесс) . Это энергетический обмен : образуются различные виды энергии.

Ассимиляция и диссимиляция являются противоположными сторонами одного процесса – обмена веществ. Реакции ассимиляции нуждаются в энергии, которая поступает из реакций диссимиляции; а для осуществления реакций диссимиляции необходим постоянный синтез белков-ферментов, которые образуются в реакциях ассимиляции.

Совокупность реакций ассимиляции и диссимиляции лежит в основе жизнедеятельности организмов и обусловливает связь организма с окружающей средой.

По характеру ассимиляции различают автотрофные, гетеротрофные и миксотрофные организмы. Автотрофные – это организмы, которые сами синтезируют органические вещества из неорганических. Они могут использовать разные источники энергии (энергия солнечного света или химических процессов) для производства углеводов, жиров, белков, необходимых для поддержания жизнедеятельности. Это все организмы, содержащие хлорофилл (сине-зеленые водоросли, бурые водоросли, высшие растения), и некоторые бактерии.

Гетеротрофы используют готовые органические соединения в качестве пищи с последующей ее механической и химической переработкой. Гетеротрофами являются все животные, грибы. Миксотрофы – организмы, способные как к синтезу органических веществ, так и использованию их в готовом виде (эвглена зеленая).

Фотосинтез – синтез органических соединений в зеленых растениях из воды и двуокиси углерода с использованием солнечной энергии, поглощаемой хлорофиллом. В гранах (тилакоидах) протекают реакции, вызываемые светом (световые ), а в строме – реакции, не связанные со светом (темновые или реакции фиксации углерода ).

Световая фаза фотосинтеза. Протекает в тилакоидах хлоропластов при участии солнечного света и молекул хлорофилла. При поглощении кванта света молекулой хлорофилла один электрон переходит в возбужденное состояние и поднимается на более высокий энергетический уровень. Одновременно с этим происходит фотолиз воды с образованием ионов Н + и ОН – .

Возбужденный электрон присоединяется к иону Н + , восстанавливая его до атома Н. Далее два образовавшихся атома Н соединяются с никотинамиддинуклеотидфосфатом (НАДФ) и восстанавливают его до НАДФ·Н 2 . Электроны от гидроксид-ионов возвращаются в молекулу хлорофилла на место возбужденных, а сами гидроксид-ионы превращаются в свободные радикалы и, взаимодействуя друг с другом, образуют воду и свободный кислород.

В процессе переходов протоны скапливаются на внутренней стороне мембраны граны хлоропласта, а электроны на наружной поверхности, создавая, таким образом, разность потенциалов. Когда разность потенциалов достигает критического уровня, протоны проходят по специальным каналам мембран, в которых находятся ферменты, синтезирующие АТФ.

Таким образом, в световую фазу происходят следующие процессы: фотолиз воды с выделением кислорода, восстановление НАДФ, синтез АТФ.

Темновая фаза фотосинтеза не зависит от света и протекает в строме хлоропластов, как на свету, так и в темноте. Энергия, накопленная в световую фазу, используется для синтеза моносахаридов из диоксида углерода (поступает из воздуха через устьица) и водорода (отщепляется от НАДФ·Н 2) путем сложных ферментативных реакций в цикле Кальвина:

6 СО 2 + 24 Н + → С 6 Н 12 О 6 + 6 Н 2 О

Хемосинтез – синтез органических соединений из неорганических с использованием энергии химических процессов (окислительно-восстановительных реакций). В отличие от фотосинтезирующих автотрофов, использующих световую энергию, хемосинтезирующие автотрофы используют энергию окислительно-восстановительных реакций. К хемоавтотрофам относятся некоторые бактерии (нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии).

По характеру диссимиляции различают аэробные и анаэробные организмы. Аэробы – это организмы, использующие для процесса окисления (дыхания) свободный кислород. Дыхание – совокупность процессов, обеспечивающих газообмен между организмами и внешней средой (внешнее дыхание) и окислительные процессы в клетках с выделением энергии (внутреннее или клеточное дыхание). Энергия, выделяющаяся в результате окисления органических веществ, обеспечивает разнообразные процессы жизнедеятельности. Анаэробы – организмы, осуществляющие окисление веществ без присутствия кислорода. Это могут быть различные типы брожения : спиртовое (конечный продукт – этиловый спирт), молочнокислое (конечный продукт – молочная кислота), пропионовокислое (конечный продукт – пропионовая кислота).

Углеводы, жиры, белки подвергаются расщеплению, а затем окислению. Выделяющаяся энергия фиксируется в виде макроэргических связей в молекулах АТФ, которые являются переносчиками энергии от одного процесса к другому. Синтез АТФ происходит в митохондриях в процессе окислительного фосфорелирования (образование АТФ из АДФ с участием фосфата) в результате цикла Кребса. АТФ представляет собой нуклеотид, состоящий из остатков аденина, рибозы и трифосфата.

Этапы энергетического обмена:

1. Подготовительный этап. Он заключается в распаде белков, жиров, углеводов на мономеры. У человека это происходит в желудочно-кишечном тракте под действием пищеварительных ферментов. При этом выделяется только тепловая энергия. Белки расщепляются до аминокислот, липиды – до глицерина и жирных кислот, крахмал – до глюкозы.

2. Гликолиз (бескислородный этап) осуществляется в цитоплазме клетки. Идет с участием различных ферментов. Происходит анаэробное расщепление 1 молекулы глюкозы на 2 молекулы пировиноградной кислоты. При этом образуются 2 молекулы АТФ, что составляет 35% энергии 1 молекулы глюкозы.

В анаэробных условиях глюкоза расщепляется на 2 молекулы молочной кислоты, или этилового спирта, или пропионовой кислоты. Этот процесс называется брожением .

3. Гидролиз (кислородный этап) осуществляется в митохондриях, связан с матриксом и внутренней мембраной митохондрий. Происходит конечное окисление пировиноградной кислоты с участием различных ферментов до углекислого газа и воды с регенерацией всей оставшейся энергии в цикле Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты). При этом образуются 36 молекул АТФ.

Главенствующая роль в хранении и потоке информации принадлежит нуклеиновым кислотам. В каждый нуклеотид входит молекула фосфорной кислоты, пентоза и одно из четырех азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т) или урацил (У). Цепь чередующихся нуклеотидов, соединенных фосфодиэфирными связями, образует первичную структуру нуклеиновых кислот.

ДНК является биополимером, состоит из двух цепей нуклеотидов, в состав которых кроме молекулы фосфорной кислоты, входит дезоксирибоза и азотистые основания: А, Т, Г, Ц. ДНК может иметь вторичную и третичную структуры. Вторичная структура ДНК – двойная спираль: две цепи комплементарны, антипараллельны, закручены в правую спираль, азотистые основания внутри соединены водородными связями, снаружи – фосфатно-сахарная лента.

РНК состоит из одной цепи нуклеотидов, в состав которых входит рибоза и азотистые основания: А, Г, Ц, У. РНК не способна к редупликации. Существует несколько типов РНК :

1) матричная (м-РНК) или информационная (и-РНК) РНК – метаболически нестабильная копия гена или группы генов, она имеет вторичную (короткая спираль) и третичную структуры (образует комплексы с белками – информасома);

2) рибосомная РНК (р-РНК) – образует рибосому, она имеет вторичную (короткая спираль, образованная 1 цепью, принцип комплементарности не соблюдается) и третичную структуру (образует комплексы с белками – домены , которые образуют субъединицы рибосомы);

3) транспортная РНК (т-РНК) – переносит аминокислоты к рибосоме, имеет вторичную структуру в виде трилистника; антикодон – участок молекулы т-РНК, состоящий из трех нуклеотидов и «узнающий» соответствующий ему участок из трех нуклеотидов в молекуле м-РНК, с которым взаимодействует комплементарно.

Транскрипция – процесс копирования генетической информации с ДНК с образованием РНК. Осуществляется с помощью фермента – РНК-полимеразы, который копирует одну из цепей ДНК и действует по принципу комплементарности.

Начальный участок ДНК, с которого начинается транскрипция, называется промотор . К нему присоединяются белки, облегчающие начало транскрипции, и фермент транскрипции РНК-полимераза. Оператор – участок ДНК, связывающий белки-регуляторы транскрипции. К оператору примыкают структурные гены , содержащие перемежающиеся участки интронов и экзонов. Отдельные участки генов несут разную функцию. Одна группа участков относится к информативным, а другая – к неинформативным. К информативным относятся структурные гены, несущие информацию о структуре полипептидной цепи или нематричных РНК (р-РНК, т-РНК); неинформативные выполняют другие функции и не содержат генетической информации. Но и во многих структурных генах, особенно эукариотов, генетическая информация записана с перерывами. Участки в структурных генах, несущие информацию, называются экзонами , а неинформативные – интронами . В конце транскриптона имеется последовательность нуклеотидов – терминатор , которая является своего рода сигналом об окончании транскрипции.

Процесс транскрипции можно разбить на три фазы:

1. Инициация : фермент РНК-полимераза присоединяется к промотору, расплетает спираль ДНК на 1 виток и начинает синтезировать короткие фрагменты РНК, которые отщепляются: идет абортивная транскрипция. После достижения определенной массы РНК-продукта, начинается продуктивная транскрипция.

2. Элонгация : РНК-полимераза скользит вдоль матрицы ДНК и читает только одну цепь. Каждый следующий нуклеотид спаривается с комплементарным основанием в ДНК-матрице, а РНК-полимераза "скрепляет" его с растущей цепью РНК фосфодиэфирными связями. Для движения РНК-полимеразы необходима энергия АТФ.

3. Терминация : РНК-полимераза достигает нуклеотидных последовательностей терминатора ДНК, являющихся стоп-сигналами. После окончания транскрипции синтезированная РНК отделяется от ДНК. На этом этапе РНК представляет собой точную копию ДНК и называется проинформационная РНК (про-и-РНК).

В ядре про-и-РНК проходит стадию созревания, или процессинга . Процессинг включает в себя три операции:

1. Вырезание неактивных участков (интронов) и сращивание информативных участков (экзонов) РНК – сплайсинг .

2. Модификация концевых участков про-и-РНК с образованием и-РНК.

При транскрипции генетический текст ДНК переписывается в последовательность нуклеотидов и-РНК.

Трансляция – синтез белка, перевод генетической информации с кода ДНК и и-РНК в последовательность аминокислот. В биосинтезе белка участвуют 20 аминокислот. Каждая аминокислота кодируется 3 нуклеотидами – триплет или кодон .

Процесс трансляции делят на 4 этапа:

1. Активирование аминокислот : образуется комплекс аминокислоты и т-РНК (аминоацил-т-РНК).

2. Инициация : связывание м-РНК с малой субъединицей рибосомы и связывание большой субъединицы рибосомы с инициальным комплексом аминоацил-т-РНК; антикодон т-РНК комплементарен инициальному кодону м-РНК, в большой субъединице рибосомы имеются 2 активных участка (аминоацильный и пептидильный ).

3. Элонгация : рост полипептидной цепи

Поступление активированной аминокислоты в рибосому (в аминоацильный участок): идет процесс узнавания до полной комплементарности, при соответствии комплекс аминокислота-т-РНК запирается в рибосоме;

Образуется пептидная связь (инициальная аминокислота присоединяется к другой аминокислоте);

Транслокация: ферменты катализируют передвижение пептидил-т-РНК из аминоацильного участка в пептидильный участок, вытесняя освободившуюся т-РНК, при этом пептидил-т-РНК тянет за собой м-РНК; образовался дипептид, дальше читается следующий триплет и стадии элонгации повторяются до терминальных триплетов.

4. Терминация : при достижении терминальных триплетов ферменты узнают их и отщепляют полипептид от т-РНК в среду, при этом т-РНК освобождается из рибосомы и тоже выходит в среду.

Белковые молекулы имеют различную структуру. Выделяют первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры. Первичная структура белка – полипептидная цепь с ковалентными связями. Также могут образовываться дисульфидные мостики: их образуют две рядом располагающиеся серосодержащие аминокислоты. Вторичная структура белка – α-спирали (1 виток – 3,6 аминокислоты) и β-структуры (имеют вид зигзага, образуются в местах с повышенной концентрацией серосодержащих аминокислот) характеризуются образованием водородных связей. Третичная структура белка – упаковка белка в трехмерном пространстве. Большинство белков имеют глобулярную структуру (глобула – комочек), ряд белков – фибриллярную (фибрилла – нить), и множество белков имеют промежуточные формы. Четвертичная структура характерна только для олигомерных (содержат до 50 аминокислот) белков, которые состоят из нескольких субъединиц (дыхательные ферменты). Но любую структуру белка определяет его аминокислотная последовательность.

Какие реакции происходят на этих стадиях? Каковы условия протекания этих реакций? Где они осуществляются?

Гликолиз - это многоступенчатый ферментативный процесс превращения шестиуглеродной глюкозы в две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты (пирувата ПВК - С3Н4О3). Он протекает в цитоплазме клетки. В ходе этой реакции выделяется большое количество энергии, часть этой энергии рассеивается в виде теплоты, остальное используется на синтез АТФ. В результате гликолиза одной молекулы глюкозы образуется по 2 молекулы ПВК, АТФ и воды, а также атомы водорода, которые запасаются клеткой в составе специфического переносчика (НАД*Н).

При наличии в среде кислорода продукты гликолиза претерпевают дальнейшее превращение. Аэробное дыха­ние (полное окисление) представляет собой цепь реакций, контролируемых ферментами внутренней мембраны и матрикса митохондрий. Попав в митохондрию, ПВК взаи­модействует с ферментами матрикса и образует диоксид углерода (он выводится из клетки), атомы водорода (они в составе переносчиков направляются к внутренней мембра­не) и ацетилкофермент-А (ацетил-КоА), который вовлека­ется в цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Цикл Кребса - это цепь последовательных реакций, в ходе кото­рых из одной молекулы ацетил-КоА образуются две моле­кулы С0 2 , молекула АТФ и четыре пары атомов водорода, передаваемые на молекулы-переносчики (НАД-никоти- намидадениндинуклеотид и ФАД-флавинадениндинук- леотид). Белки-переносчики транспортируют атомы водо­рода к внутренней мембране митохондрий, где передают их по цепи встроенных в мембрану белков. Транспорт частиц осуществляется таким образом, что протоны остаются на внешней стороне мембраны и накапливаются в межмебранном пространстве, превращая его в резервуар протонов (Н +), электроны передаются на внутреннюю поверхность внутренней митохондриальной мембраны, где соединяют­ся в конечном итоге с кислородом.

В результате деятельности ферментов цепи переноса электронов внутренняя мембрана митохондрий изнутри заряжается отрицательно, а снаружи положи­тельно (за счет Н +), так что между ее поверхностями созда­ется разность потенциалов. Во внутреннюю мембрану ми­тохондрий встроены молекулы фермента АТФ-синтетазы, обладающие ионным каналом. Когда разность потенциа­лов на мембране достигает критического уровня (200 мВ), положительно заряженные частицы Н + силой электриче­ского поля начинают проталкиваться через канал АТФ-синтетазы и, оказавшись на внутренней поверхности мем­браны, взаимодействуют с кислородом, образуя воду. При этом энергия транспортирующихся ионов водорода ис­пользуется для фосфорилирования АДФ в АТФ: 55% энер­гии запасается в связях АТФ, 45% рассеивается в виде теп­ла. Синтез АТФ в процессе клеточного дыхания тесно сопряжен с транспортом ионов по цепи переноса и называ­ется окислительным фосфорилированием.

Обмен веществ (метаболизм) - это совокупность всех химических реакций, которые происходят в организме. Все эти реакции делятся на 2 группы

1. Пластический обмен (ассимиляция, анаболизм, биосинтез) - это когда из простых веществ с затратой энергии образуются (синтезируются) более сложные. Пример:

• При фотосинтезе из углекислого газа и воды синтезируется глюкоза.

2. Энергетический обмен (диссимиляция, катаболизм, дыхание) - это когда сложные вещества распадаются (окисляются) до более простых, и при этом выделяется энергия , необходимая для жизнедеятельности. Пример:

• В митохондриях глюкоза, аминокислоты и жирные кислоты окисляются кислородом до углекислого газа и воды, при этом образуется энергия (клеточное дыхание)

Взаимосвязь пластического и энергетического обмена

• Пластический обмен обеспечивает клетку сложными органическими веществами (белками, жирами, углеводами, нуклеиновыми кислотами), в том числе белками-ферментами для энергетического обмена.
• Энергетический обмен обеспечивает клетку энергией. При выполнении работы (умственной, мышечной и т.п.) энергетический обмен усиливается.

АТФ – универсальное энергетическое вещество клетки (универсальный аккумулятор энергии). Образуется в процессе энергетического обмена (окисления органических веществ).

• При энергетическом обмене все вещества распадаются, а АТФ - синтезируется. При этом энергия химических связей распавшихся сложных веществ переходит в энергию АТФ, энергия запасается в АТФ .
• При пластическом обмене все вещества синтезируются, а АТФ - распадается. При этом расходуется энергия АТФ (энергия АТФ переходит в энергию химических связей сложных веществ, запасается в этих веществах).

Выберите один, наиболее правильный вариант. В процессе пластического обмена
1) более сложные углеводы синтезируются из менее сложных
2) жиры превращаются в глицерин и жирные кислоты
3) белки окисляются с образованием углекислого газа, воды, азотсодержащих веществ
4) происходит освобождение энергии и синтез АТФ

Ответ

Выберите три варианта. Чем пластический обмен отличается от энергетического?
1) энергия запасается в молекулах АТФ
2) запасенная в молекулах АТФ энергия расходуется
3) органические вещества синтезируются
4) происходит расщепление органических веществ
5) конечные продукты обмена - углекислый газ и вода
6) в результате реакций обмена образуются белки

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. В процессе пластического обмена в клетках синтезируются молекулы
1) белков
2) воды
3) АТФ
4) неорганических веществ

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. В чем проявляется взаимосвязь пластического и энергетического обмена
1) пластический обмен поставляет органические вещества для энергетического
2) энергетический обмен поставляет кислород для пластического
3) пластический обмен поставляет минеральные вещества для энергетического
4) пластический обмен поставляет молекулы АТФ для энергетического

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. В процессе энергетического обмена, в отличие от пластического, происходит
1) расходование энергии, заключенной в молекулах АТФ
2) запасание энергии в макроэргических связях молекул АТФ
3) обеспечение клеток белками и липидами
4) обеспечение клеток углеводами и нуклеиновыми кислотами

Ответ

1. Установите соответствие между характеристикой обмена и его видом: 1) пластический, 2) энергетический. Запишите цифры 1 и 2 в правильном порядке.
А) окисление органических веществ
Б) образование полимеров из мономеров
В) расщепление АТФ
Г) запасание энергии в клетке
Д) репликация ДНК
Е) окислительное фосфорилирование

Ответ

2. Установите соответствие между характеристикой обмена веществ в клетке и его видом: 1) энергетический, 2) пластический. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующим буквам.
А) происходит бескислородное расщепление глюкозы
Б) происходит на рибосомах, в хлоропластах
В) конечные продукты обмена – углекислый газ и вода
Г) органические вещества синтезируются
Д) используется энергия, заключенная в молекулах АТФ
Е) освобождается энергия и запасается в молекулах АТФ

Ответ

3. Установите соответствие между признаками обмена веществ у человека и его видами: 1) пластический обмен, 2) энергетический обмен. Запишите цифры 1 и 2 в правильном порядке.
А) вещества окисляются
Б) вещества синтезируются
В) энергия запасается в молекулах АТФ
Г) энергия расходуется
Д) в процессе участвуют рибосомы
Е) в процессе участвуют митохондрии

Ответ

4. Установите соответствие между характеристиками обмена веществ и его видом: 1) энергетический, 2) пластический. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) репликация ДНК
Б) биосинтез белка
В) окисление органических веществ
Г) транскрипция
Д) синтез АТФ
Е) хемосинтез

Ответ

5. Установите соответствие между характеристиками и видами обмена: 1) пластический, 2) энергетический. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) запасается энергия в молекулах АТФ
Б) синтезируются биополимеры
В) образуются углекислый газ и вода
Г) происходит окислительное фосфорилирование
Д) происходит репликация ДНК

Ответ

Выберите три процесса, относящихся к энергетическому обмену веществ.
1) выделение кислорода в атмосферу
2) образование углекислого газа, воды, мочевины
3) окислительное фосфорилирование
4) синтез глюкозы
5) гликолиз
6) фотолиз воды

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Энергия, необходимая для мышечного сокращения, освобождается при
1) расщеплении органических веществ в органах пищеварения
2) раздражении мышцы нервными импульсами
3) окислении органических веществ в мышцах
4) синтезе АТФ

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. В результате какого процесса в клетке синтезируются липиды?
1) диссимиляции
2) биологического окисления
3) пластического обмена
4) гликолиза

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Значение пластического обмена – снабжение организма
1) минеральными солями
2) кислородом
3) биополимерами
4) энергией

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Окисление органических веществ в организме человека происходит в
1) легочных пузырьках при дыхании
2) клетках тела в процессе пластического обмена
3) процессе переваривания пищи в пищеварительном тракте
4) клетках тела в процессе энергетического обмена

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Какие реакции обмена веществ в клетке сопровождаются затратами энергии?
1) подготовительного этапа энергетического обмена
2) молочнокислого брожения
3) окисления органических веществ
4) пластического обмена

Ответ

1. Установите соответствие между процессами и составляющими частями метаболизма: 1) анаболизм (ассимиляция), 2) катаболизм (диссимиляция). Запишите цифры 1 и 2 в правильном порядке.
А) брожение
Б) гликолиз
В) дыхание
Г) синтез белка
Д) фотосинтез
Е) хемосинтез

Ответ

2. Установите соответствие между характеристиками и процессами обмена веществ: 1) ассимиляция (анаболизм), 2) диссимиляция (катаболизм). Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) синтез органических веществ организма
Б) включает подготовительный этап, гликолиз и окислительное фосфорилирование
В) освобожденная энергия запасается в АТФ
Г) образуются вода и углекислый газ
Д) требует энергетических затрат
Е) происходит в хлоропластах и на рибосомах

Ответ

Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Обмен веществ – одно из основных свойств живых систем, он характеризуется тем, что происходит
1) избирательное реагирование на внешние воздействия окружающей среды
2) изменение интенсивности физиологических процессов и функций с различными периодами колебаний
3) передача из поколения в поколение признаков и свойств
4) поглощение необходимых веществ и выделение продуктов жизнедеятельности
5) поддержание относительно-постоянного физико-химического состава внутренней среды

Ответ

1. Все приведенные ниже термины, кроме двух, используются для описания пластического обмена. Определите два термина, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) репликация
2) дупликация
3) трансляция
4) транслокация
5) транскрипция

Ответ

2. Все перечисленные ниже понятия, кроме двух, используют для описания пластического обмена веществ в клетке. Определите два понятия, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) ассимиляция
2) диссимиляция
3) гликолиз
4) транскрипция
5) трансляция

Ответ

3. Перечисленные ниже термины, кроме двух, используются для характеристики пластического обмена. Определите два термина, выпадающих из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) расщепление
2) окисление
3) репликация
4) транскрипция
5) хемосинтез

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Азотистое основание аденин, рибоза и три остатка фосфорной кислоты входят в состав
1) ДНК
2) РНК
3) АТФ
4) белка

Ответ

Все приведённые ниже признаки, кроме двух, можно использовать для характеристики энергетического обмена в клетке. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в ответ цифры, под которыми они указаны.
1) идёт с поглощением энергии
2) завершается в митохондриях
3) завершается в рибосомах
4) сопровождается синтезом молекул АТФ
5) завершается образованием углекислого газа

Ответ

Найдите три ошибки в приведенном тексте. Укажите номера предложений, в которых они сделаны. (1) Обмен веществ, или метаболизм, – это совокупность реакций синтеза и распада веществ клетки и организма, связанных с выделением или поглощением энергии. (2) Совокупность реакций синтеза высокомолекулярных органических соединений из низкомолекулярных соединений относят к пластическому обмену. (3) В реакциях пластического обмена синтезируются молекулы АТФ. (4) Фотосинтез относят к энергетическому обмену. (5) В результате хемосинтеза синтезируются органические вещества из неорганических за счет энергии Солнца.

Ответ

© Д.В.Поздняков, 2009-2019

метаболизм

Метаболизм – совокупность реакций биосинтеза и расщепления веществ в клетке. Определенная последовательность ферментативных превращений вещества в клетке называется метаболическим путем, а образующиеся промежуточные продукты – метаболиты.

Двумя взаимосвязанными в пространстве и времени сторонами метаболизма являются пластический и энергетический обмен.

Совокупность реакций биологического синтеза, когда из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются сложные органические вещества, подобные содержимому клетки, называется анаболизм (пластический обмен). Происходит ассимиляция. Эти реакции идут с использованием энергии, образующейся в результате реакций расщепления органических веществ, поступающих с пищей. Наиболее интенсивно пластический обмен происходит в процессе роста организма. Наиболее важные процессы анаболизма – фотосинтез и синтез белка.

Катаболизма (энергетический обмен) – ферментативные расщепления (гидролиз, окисление) сложных органических соединений на более простые. Происходит диссимиляция. Эти реакции идут с выделением энергии.

Этапы энергетического обмена. Клеточное дыхание.

Процессом, противоположным биосинтезу, является диссимиляция, или катаболизм, - совокупность реакций расщепления. При расщеплении высокомолекулярных соединений выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Поэтому диссимиляцию называют еще энергетическим обменом клетки. Гетеротрофные организмы получают энергию, необходимую для жизнедеятельности с пищей. Химическая энергия питательных веществ заключена в различных ковалентных связях между атомами в молекуле органических соединений. Часть энергии, освобождаемая из питательных веществ, рассеивается в форме теплоты, а часть аккумулируется, т.е. накапливается в богатых энергией макроэргических фосфатных связях АТФ. Именно АТФ обеспечивает энергией все виды клеточных функций: биосинтез, механическую работу, активный перенос веществ через мембраны и т.д. Синтез АТФ осуществляется в митохондриях. Клеточное дыхание – ферментативное разложение органических веществ (глюкозы) в клетке до углекислого газа и воды в присутствии свободного кислорода, сопряженное с запасанием выделяющейся при этом энергии.

Энергетический обмен делят на тир этапа, каждый из которых осуществляется при участии специальных ферментов в определенных участках клеток.

Первый этап – подготовительный. У человека и животных в процессе пищеварения крупные молекулы пищи, включающие олиго-, полисахариды, липиды, белки, нуклеиновые кислоты, распадаются на более мелкие молекулы – глюкозу, глицерин, жирные кислоты, аминокислоты, нуклеотиды. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде теплоты. Эти молекулы всасываются в кишечнике в кровь и доставляются в различные органы и ткани, где могут служить как строительным материалом для синтеза новых веществ, необходимых организму, так и для обеспечения организма энергией.

Второй этап – бескислородный, или неполный, анаэробное дыхание (гликолиз или брожение). Образующиеся на этом этапе вещества при участии ферментов подвергаются дальнейшему расщеплению.

Гликолиз – один из центральных путей катаболизма глюкозы, когда расщепление углевода с образованием АТФ происходит в бескислородных условиях. У аэробных организмов (растения, животные) это одна из стадий клеточного дыхания, у микроорганизмов – брожение – основной способ получения энергии. Ферменты гликолиза локализованы в цитоплазмы. Процесс протекает в два этапа при отсутствии кислорода.

1). Подготовительный этап – происходит активирование молекул глюкозы в результате присоединения фосфатных групп, идущее с затратой АТФ, с образованием двух 3-углеродных молекул глицеральдегидфосфата.

2), окислительно-восстановительный этап – идут ферментативные реакции субстратного фосфорилирования, когда происходит извлечение энергии в виде АТФ непосредственно в момент окисления субстрата. Так, молекула глюкозы подвергается дальнейшему ступенчатому расщеплению и окислению до двух 3-углеродных молекул пировиноградной кислоты. В суммарной виде процесс гликолиза выглядит так:

С 6 Н 12 О 6 + 2 Н 3 РО 4 + 2 АДФ → 2 С 3 Н 6 О 3 + 2 АТФ + 2 Н 2 О

На этапе окисления глюкозы отщепляются протоны и электроны запасаются в форме НАДН. В мышцах в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на две молекулы ПВК, которые затем восстанавливаются в молочную кислоту с использованием восстановленного НАДН. У дрожжевых грибов молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение):

С 6 Н 12 О 6 + 2 Н 3 РО 4 + 2 АДФ → 2 С 3 Н 5 ОН + 2 СО 2 + 2 АТФ + 2 Н 2 О

У других микроорганизмов расщепление глюкозы – гликолиз может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и др.

Во всех случаях распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием 4 молекул АТФ. При этом в реакциях расщепления глюкозы 2 молекулы АТФ затрачиваются. Таким образом, в ходе бескислородного расщепления глюкозы образуется 2 молекулы АТФ. В целом энергетическая эффективность гликолиза невелика, т.к. 40% энергии сохраняется в виде химической связи в молекуле АТФ, а остальная энергия рассеивается в виде теплоты.

Третий этап – стадия кислородного расщепления, или аэробного дыхания. Аэробное дыхание осуществляется в митохондриях клетки при доступе кислорода. Процесс клеточного дыхания также состоит из 3 этапов.

Окислительное декарбоксилирование ПВК, образующейся на предыдущем этапе из глюкозы и поступающей в матрикс митохондрий. При участии сложного ферментного комплекса отщепляется молекула углекислого газа и образуется соединение ацетил-коэнзим А, а также НАДН.

Цикл трикарбоновых кислот (Цикл Кребса). Этот этап включает большое число ферментативных реакций. Внутри матрикса митохондрий ацетил-коэнзим А (который может образовываться из различных веществ) расщепляется с высвобождением еще одной молекулы углекислого газа, а также образованием АТФ, НАДН и ФАДН. Углекислый газ поступает в кровь и удаляется из организма через органы дыхания. Энергия, запасенная в молекулах НАДН и ФАДН, используется для синтеза АТФ на следующем этапе клеточного дыхания.

Окислительное фосфорилирование – многоступенчатый перенос электронов от восстановленных форм НАДН и ФАДН по цепи транспорта электронов, встроенной во внутреннюю мембрану митохондрий, на конечный акцептор кислород, сопряженный с синтезом АТФ. В состав цепи транспорта электронов входит ряд компонентов: убихинон (коэнзим Q), цитохромы b, c, a, выступающие переносчиками электронов. В результате функционирования электрон-транспортной цепи атомы водорода от НАДН и ФАДН разделяются на протоны и электроны. Электроны постепенно переносятся на кислород, так образуется вода, а протоны перекачиваются в межмембранное пространство митохондрий, используя энергию потока электронов. Затем протоны возвращаются в матрикс митохондрий, проходя через специальные каналы в составе встроенного в мембрану фермента АТФ-синтетазы. При этом образуется АТФ из АДФ и фосфата. В цепи транспорта электронов есть 3 участка сопряжения окисления и фосфорилирования, т.е. мест образования АТФ. Механизм образования энергии и виде АТФ в митохондриях объясняется хемиосмотической теорией П. Митчелла. Кислородное дыхание сопровождается выделением большого количества энергии и аккумуляцией ее молекулах АТФ. Суммарное уравнение аэробного дыхания выглядит так?

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 + 38 Н 3 РО 4 +38 АДФ → 6 СО 2 + 6 Н 2 О + 38 АТФ

Таким образом, при полном окислении одной молекулы глюкозы до конечных продуктов – углекислого газа и воды при доступе кислорода образуется 38 молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клетки энергией играет аэробное дыхание.

Сходство между фотосинтезом и аэробным дыханием:

Необходим механизм обмена углекислого газа и кислорода.

Необходимы специальные органеллы (хлоропласты, митохондрии).

Необходима цепь транспорта электронов, встроенная в мембраны.

Происходит преобразование энергии (синтез АТФ в результате фосфорилирования).

Происходят циклические реакции (цикл Кальвина, цикл Кребса).

Различия между фотосинтезом и аэробным дыханием:

Наиболее важным процессом пластического обмена является биосинтез белка. Он протекает во всех клетках организмов.

Генетический код. Аминокислотная последовательность в молекуле белка зашифрована в виде нуклеотидной последовательности в молекуле ДНК и называется генетическим кодом. Участок молекулы ДНК, ответственный за синтез одного белка, называется геном.

Характеристика генетического кода.

1. Код триплетен: каждой аминокислоте соответствует сочетание из 3 нуклеотидов. Всего таких сочетаний - 64 кода. Из них 61 код смысловой, т. е. соответствует 20 аминокислотам, а 3 кода - бессмысленные, стоп-коды, которые не соответствуют аминокислотам, а заполняют промежутки между генами.

2. Код однозначен - каждый триплет соответствует только одной аминокислоте.

3. Код вырожден - каждая аминокислота имеет более чем один код. Например, у аминокислоты глицин - 4 кода: ЦЦА, ЦЦГ, ЦЦТ, ЦЦЦ, чаще у аминокислот их 2-3.

4. Код универсален - все живые организмы имеют один и тот же генетический код аминокислот.

5. Код непрерывен - между кодами нет промежутков.

6. Код неперекрываем - конечный нуклеотид одного кода не может служить началом другого.

Условия биосинтеза

Для биосинтеза белка необходима генетическая информация молекулы ДНК; информационная РНК - переносчик этой информации из ядра к месту синтеза; рибосомы - органоиды, где происходит собственно синтез белка; набор аминокислот в цитоплазме; транспортные РНК, кодирующие аминокислоты и переносящие их к месту синтеза на рибосомы; АТФ - вещество, обеспечивающее энергией процесс кодирования и биосинтеза.

Этапы

Транскрипция - процесс биосинтеза всех видов РНК на матрице ДНК, который протекает в ядре.

Определенный участок молекулы ДНК деспирализуется, водородные связи между двумя цепочками разрушаются под действием ферментов. На одной цепи ДНК, как на матрице, по принципу комплементарное из нуклеотидов синтезируется РНК-копия. В зависимости от участка ДНК таким образом синтезируются рибосомные, транспортные, информационные РНК.

После синтеза иРНК она выходит из ядра и направляется в цитоплазму к месту синтеза белка на рибосомы.

Трансляция - процесс синтеза полипептидных цепей, осуществляемый на рибосомах, где иРНК является посредником в передаче информации о первичной структуре белка.

Биосинтез белка состоит из ряда реакций.

1. Активирование и кодирование аминокислот. тРНК имеет вид клеверного листа, в центральной петле которого располагается триплет-ный антикодон, соответствующий коду определенной аминокислоты и кодону на иРНК. Каждая аминокислота соединяется с соответствующей тРНК за счет энергии АТФ. Образуется комплекс тРНК-аминокислота, который поступает на рибосомы.

2. Образование комплекса иРНК-рибосома. иРНК в цитоплазме соединяется рибосомами на гранулярной ЭПС.

3. Сборка полипептидной цепи. тРНК с аминокислотами по принципу комплементарности антикодона с кодоном соединяются с иРНК и входят в рибосому. В пептидном центре рибосомы между двумя аминокислотами образуется пептидная связь, а освободившаяся тРНК покидает рибосому. При этом иРНК каждый раз продвигается на один триплет, внося новую тРНК - аминокислоту и вынося из рибосомы освободившуюся тРНК. Весь процесс обеспечивается энергией АТФ. Одна иРНК может соединяться с несколькими рибосомами, образуя полисому, где идет одновременно синтез многих молекул одного белка. Синтез заканчивается, когда на иРНК начинаются бессмысленные кодоны (стоп-коды). Рибосомы отделяются от иРНК, с них снимаются полипептидные цепи. Так как весь процесс синтеза протекает на гранулярной эндо-плазматической сети, то образовавшиеся полипептидные цепи поступают в канальца ЭПС, где приобретают окончательную структуру и превращаются в молекулы белка.

Все реакции синтеза катализируются специальными ферментами с затратой энергии АТФ. Скорость синтеза очень велика и зависит от длины полипептида. Например, в рибосоме кишечной палочки белок из 300 аминокислот синтезируется приблизительно за 15-20 с.