Обмен веществ и его типы

Он обеспечивает постоянство внутренней среды организма в изменяющихся условиях существования – гомеостаз . Обмен веществ слагается из двух взаимосвязанных и взаимопротивоположных процессов. Это процессы диссимиляции , в которых происходит расщепление органических веществ и выделенная энергия используется для синтеза молекул АТФ, и процессы ассимиляции, в которых энергия АТФ используется для синтеза собственных, необходимых организму соединений.

Процессы диссимиляции называют, также, катаболизмом и энергетическим обменом . А процессы ассимиляции носят еще названия анаболизма и пластического обмена . Такое обилие синонимов одного и того же понятия возникло потому, что реакции обмена веществ изучали ученые различных специальностей:

  • биохимики,
  • физиологи,
  • цитологии,
  • генетики,
  • молекулярные биологи.

Но все названия и термины прижились и активно используются учеными.

Формы поступления энергии в живые организмы

Для всех живых организмов Земли Солнце является основным источником энергии. Именно благодаря ему организмы удовлетворяют свои энергетические потребности.

Организмы, которые могут синтезировать органические соединения из неорганических, называются автотрофами. Они разделяются на две группы. Одни способны использовать энергию солнечного света. Это – фотосинтетики или фототрофы. В основном это - зеленые растения, цианобактерии (сине-зеленые водоросли).

Другая группа автотрофов использует энергию, которая освобождается во время химических реакций. Такие организмы называются хемотрофами или хемосинтетиками.

Грибы, большая часть животных и бактерий не могут сами синтезировать органические вещества. Такие организмы называются гетеротрофами. Для них источником энергии служат органические соединения, синтезированные автотрофами. Энергия используется живыми организмами для химических, механических, тепловых и электрических процессов.

Подготовительный этап энергетического обмена

Энергетический обмен принято условно разделять на три основных этапа. Первый этап назвали подготовительным. На этом этапе макромолекулы под воздействием ферментов расщепляются до мономеров. В ходе реакций происходит выделение довольно незначительного количества энергии, которое рассеивается в виде тепла.

Бескислородный этап энергетического обмена

Бескислородный (анаэробный) этап энергетического обмена происходит в клетках. Мономеры, которые образовались на предыдущем этапе (глюкоза, глицерин и т.п.), подвергаются дальнейшему многоступенчатому расщеплению без доступа кислорода. Главным на этом этапе является процесс расщепления молекулы глюкозы на молекулы пировиноградной или молочной кислоты с образованием двух молекул АТФ.

$C_6H_{12}O_6 + 2H_3PO_4 + 2АДФ → 2C_3H_6O_3 + 2АТФ + 2H_2O$

В ходе этой реакции (реакция гликолиза) выделяется около $200$ кДж энергии. Однако она не вся превращается в тепло. Часть ее используется для синтеза двух, богатых на энергию (макроэргических), фосфатных связей в молекулах АТФ. Глюкоза также расщепляется в ходе спиртового брожения.

$C_6H_{12}O_6 + 2H_3PO_4 + 2АДФ → 2C_2H_5OH + 2CO_2 + 2АТФ + 2H_2O$

Кроме спиртового существуют еще такие виды бескислородного брожения, как маслянокислое и молочнокислое.

Кислородный этап энергетического обмена

На этом этапе соединения, образованные на бескислородном этапе, окисляются до конечных продуктов реакции – углекислого газа и воды. Английский биохимик Адольф Кребс в $1937$ году открыл последовательность превращений органических кислот в матриксе митохондрий. В его честь совокупность этих реакций назвали циклом Кребса.

Замечание 1

Полное окисление молекул молочной или пировиноградной кислоты, образованных в ходе анаэробного процесса, до углекислого газа и воды сопровождается выделением $2800$ кДЖ энергии. Этого количества хватит на синтез $36$ молекул АТФ (в $18$ раз больше, чем на предыдущем этапе).

Суммарное уравнение кислородного этапа энергетического обмена выглядит так:

$2C_3H_6O_3 + 6O_2 + 36АДФ + 36H_3PO_4 → 6CO_2 + 42H_2O + 36АТФ$

Подводя общий итог, можно записать суммарное уравнение энергетического обмена:

$C_6H_{12}O_6 + 6O_2 + 38АДФ + 38H_3PO_4 → 6CO_2 + 44H_2O + 38АТФ$

На завершающей стадии происходит выведение продуктов метаболизма из организма.

Все реакции биосинтеза идут с поглощением энергии.

Совокупность реакций биосинтеза называют пластическим обменом или ассимиляцией(лат. «симилис» — сходный). Смысл этого процесса состоит в том, что поступающие в клетку из внешней среды пищевые вещества, резко отличающиеся от вещества клетки, в результате химических превращений становятся веществами клетки.

Реакции расщепления. Сложные вещества распадаются на более простые, высокомолекулярные — на низкомолекулярные. Белки распадаются на аминокислоты, крахмал — на глюкозу. Эти вещества расщепляются на еще более низкомолекулярные соединения, и в конце концов образуется совсем простые, бедные энергией вещества — СО2и Н2О. Реакции расщепления в большинстве случаев сопровождаются выделением энергии. Биологическое значение этих реакций состоит в обеспечении клетки энергией. Любая форма активности — движение, секреция, биосинтез и др. — нуждается в затрате энергии.

Совокупность реакции расщепления называют энергетическим обменом клетки или диссимиляцией. Диссимиляция прямо противоположна ассимиляции: в результате расщепления вещества утрачивают сходство с веществами клетки.

Пластический и энергетический обмены (ассимиляция и диссимиляция) находятся между собой в неразрывной связи. С одной стороны, реакции биосинтеза нуждаются в затрате энергии, которая черпается из реакций расщепления. С другой стороны, для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный биосинтез, обслуживающих эти реакции ферментов, так как в процессе работы они изнашиваются и разрушаются.

Сложные системы реакций, составляющие процесс пластического и энергетического обменов, тесно связаны не только между собой, но и с внешней средой. Из внешней среды в клетку поступают пищевые вещества, которые служат материалом для реакций пластического обмена, а в реакциях расщепления из них освобождается энергия, необходимая для функционирования клетки. Во внешнюю среду выделяются вещества, которые клеткой больше не могут быть использованы.

Совокупность всех ферментативных реакций клетки, т. е. совокупность пластического и энергетического обменов (ассимиляции и диссимиляции), связанных между собой и с внешней средой, называютобменом веществ и энергии.Этот процесс является основным условием поддержания жизни клетки, источником ее роста, развития и функционирования.

19. Обмен веществ и энергии в клетке. Фотосинтез, хемосинтез. Процесс ассимиляции (основные реакции). Обмен веществ представляет собой единство ассимиляции и диссимиляции. Диссимиляция представляет собой экзотермический процесс, т.е. процесс освобождения энергии за счет распада веществ клетки. Вещества, образующиеся при диссимиляции, также подвергаются дальнейшим преобразованиям. Ассимиляция – процесс уподобления веществ, поступающих в клетку, специфическим веществам, характерным для данной клетки. Ассимиляция – эндотермический процесс, требующий затраты энергии. Источником энергии являются ранее синтезированные вещества, подвергшиеся распаду в процессе диссимиляции. Фотосинтез -это процесс превращения энергии солнечного света в энергию химических соединений. Фотосинтез -это процесс образования органических веществ(глюкозы,а затем крахмала)из неорганических веществ, в хлоропластах на свету с выделением кислорода. Протекает фотосинтез в 2 фазы: световая и теневая. Световая фаза протекает на свету. Во время световой фазы происходит возбуждение хлорофилла путем поглощения кванта света. В световой фазе происходит фотолиз воды с последующим выделением кислорода в атмосферу. Кроме того, в световой фазе фотосинтеза протекают следующие процессы: накопление протонов водорода, синтез АТФ из АДФ, присоединение H+ к специальному переносчику НАДФ

ИТОГ СВЕТОВОЙ РЕАКЦИИ:

Образование АТФ и НАДФ*H, выделение O2 в атмосферу.

Темновая фаза (цикл фиксации CO2, цикл Кальвина) протекает в строме хлоропласта. В темновой фазе происходит следующие процессы

Из световой реакции берется АТФ и НАДФ*H

Из атмосферы — CO2

1)Фиксация CO2

2)Образование глюкозы

3)Образование крахмала

ИТОГОВОЕ УРАВНЕНИЕ:

6CO2+6H2O—(хлорофилл,свет)-С6H12O6+6O2

Хемосинтез – синтез органических веществ за счет энергии химических реакций. Хемосинтез осуществляется бактериями Основные реакции фотосинтеза: 1) окисление серы: 2H2S + O2 = 2H20 + 2S

2S + O2 + 2H2O = 2H2SO4 2) окисление азота: 2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O 2HNO2 + O2 = HNO3 3) окисление кислорода 2H2 + O2 = 2H2O 4) окисление железа: 4FeCO3 + O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3 + 4CO2

20. Обмен веществ в клетке. Процесс диссимиляции. Основные этапы энергетического обмена. Обмен веществ представляет собой единство ассимиляции и диссимиляции. при диссимиляции, также подвергаются дальнейшим преобразованиям. Ассимиляция – процесс уподобления веществ, поступающих в клетку, специфическим веществам, характерным для данной клетки. Ассимиляция – эндотермический процесс, требующий затраты энергии. Источником энергии являются ранее синтезированные вещества, подвергшиеся распаду в процессе диссимиляции. Диссимиляция представляет собой экзотермический процесс, т.е. процесс освобождения энергии за счет распада веществ клетки. Вещества, образующиеся Все функции, выполняемы клеткой, требуют затрат энергии, которая освобождается в процессе диссимиляции. Биологическое значение диссимиляции сводится не только к освобождению энергии, потребной клетке, но нередко и к разрушению веществ, вредных для организма Весь процесс диссимиляции, или энергетического обмена, состоит из 3 этапов: подготовительный, бескислородный и кислородный. В подготовительном этапе под действием ферментов происходит расщепление полимеров до мономеров. Так, белки расщепляются до аминокислот, полисахариды – до моносахаридов, жиры – до глицерина и жирных кислот. В подготовительном этапе выделяется мало энергии и рассеивается обычно в виде тепла. 2) Бескислородный или анаэробный этап. Разберем на примере глюкозы. В анаэробном этапе происходит распад глюкозы до молочной кислоты: С6H12O6 + 2АДФ + Н3РО4 = 2C3H6O3 + 2Н2О + 2АТФ (молочная к-та) 3) Кислородный этап. При кислородном этапе вещества окисляются до СО2 и Н2О. При доступе кислорода пировиноградная кислота проникает в митохондрии и подвергается окислению: С3H6O3+6O2-6CO2+6H2O+36АТФ Суммарное уравнение: C6H12O6+6O2-6CO2+6H2O+38АТФ

Диссимиляция – это комплекс химических реакций, в которых происходит постепенный распад сложных органических веществ до более простых. Этот процесс сопровождается высвобождением энергии, значительная часть которой используется в синтезе АТФ.

Диссимиляция в биологии

Диссимиляция является процессом, противоположным ассимиляции. В качестве исходных веществ, подлежащих распаду, выступают нуклеиновые кислоты, белки, жиры и углеводы. А конечные продукты — это вода, углекислый газ и аммиак. В организме животных продукты распада по мере постепенного накопления выводятся наружу. А у растений углекислый газ выделяется частично, а аммиак в полном объеме применяется в процессе ассимиляции, служа исходным материалом для биосинтеза органических соединений.

Взаимосвязь диссимиляции и ассимиляции позволяет тканям организма постоянно обновляться. Например, в течение 10 дней в человеческой крови обновляется половина клеток альбумина, а за 4 месяца перерождаются все эритроциты. Соотношение интенсивности двух противоположных процессов обмена веществ зависит от многих факторов. Это и стадия развития организма, и возраст, и физиологическое состояние. В ходе роста и развития в организме преобладает ассимиляция, в результате образовываются новые клетки, ткани и органы, происходит их дифференциация, то есть масса тела увеличивается. В случае наличия патологий и при голодании процесс диссимиляции преобладает над ассимиляцией, и тело уменьшается в весе.

Все организмы можно поделить на две группы, в зависимости от условий, в которых протекает диссимиляция. Это аэробы и анаэробы. Первым для жизнедеятельности требуется свободный кислород, вторые не испытывают необходимости в нем. У анаэробов диссимиляция протекает путем брожения, которое представляет собой бескислородное ферментативное расщепление органических веществ до более простых. Например, молочнокислое или спиртовое брожение.

Расщепление органических веществ у аэробов осуществляется в три шага. При этом на каждом из них происходит несколько определенных ферментативных реакций.

Первый этап – подготовительный. Основная роль на этой стадии принадлежит у многоклеточных организмов пищеварительным ферментам, находящимся в желудочно-кишечном тракте. У одноклеточных – ферментам лизосом. В ходе первого этапа белки распадаются на аминокислоты, жиры образуют глицерин и жирные кислоты, полисахариды расщепляются на моносахариды, нуклеиновые кислоты на нуклеотиды.

Гликолиз

Второй этап диссимиляции – гликолиз. Он протекает без кислорода. Биологическая сущность гликолиза состоит в том, что он представляет собой начало расщепления и окисления глюкозы, в результате чего накапливается свободная энергия в виде 2 молекул АТФ. Это происходит в ходе нескольких последовательно идущих реакций, конечным итогом которых становится образование из одной молекулы глюкозы двух молекул пирувата и такого же количества АТФ. Именно в виде аденозинтрифосфорной кислоты запасается часть энергии, которая выделилась в результате гликолиза, Остальная часть подлежит рассеиванию в виде тепла. Химическая реакция гликолиза: С6Н12O6 + 2АДФ + 2Ф → 2С3Н4O3 + 2АТФ.

В условиях недостатка кислорода в растительных клетках и в клетках дрожжей пирувират расщепляется на два вещества: этиловый спирт и углекислый газ. Это и есть спиртовое брожение.

Количество энергии, высвобождаемой при гликолизе, недостаточно для тех организмов, которые дышат кислородом. Именно поэтому в организме животных и человека при больших физических нагрузках в мышцах синтезируется молочная кислота, служащая резервным источником энергии и накапливающаяся в виде лактата. Характерным признаком данного процесса является появление боли в мышцах.

Диссимиляция – это очень сложный процесс, и третий кислородный этап также представляет собой две последовательно идущих реакции. Речь идет о цикле Кребса и окислительном фосфорилировании.

В ходе кислородного дыхания происходит окисление пирувирата до окончательных продуктов, которыми являются СО2 и Н2О. При этом выделяется энергия, запасаемая в виде 36 молекул АТФ. Затем эта же энергия обеспечивает синтез органических веществ в пластическом объеме. Эволюционно возникновение данного этапа связано с накоплением в атмосфере молекулярного кислорода и появлением аэробных организмов.

Местом осуществления окислительного фосфорилирования (клеточного дыхания) являются внутренние мембраны митохондрий, внутри которых имеются молекулы-переносчики, осуществляющие транспорт электронов к молекулярному кислороду. Энергия, образуемая на этой стадии, частично расссеивается в виде тепла, остальная же идет на образование АТФ.

Диссимиляция в биологии – это энергетический обмен, реакция которого выглядит так: С6Н12O6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2O + 38АТФ.

Таким образом, диссимиляция – это совокупность реакций, происходящих за счет органических веществ, которые были ранее синтезированы клеткой, и свободного кислорода, который поступил из внешней среды в процессе дыхания.

Ассимиляция, анаболизм (лат. Assimilo - уподобляю - уподобление, слияние, усвоение) - в биологии - переработка и использование организмами веществ, поступающих из окружающей среды.

Ассимиляция и неразрывно связан с ней противоположный процесс - диссимиляция - лежат в основе важнейшего свойства живой материи - обмена веществ. Характер, этих непрерывных процессов определяет жизненность и развитие организма.

Благодаря ассимиляции организм строит свое тело за счет окружающей среды; рост организма возможно, если ассимиляция преобладает над диссимиляцией.

Суть ассимиляции в основном сводится синтеза всех необходимых для жизнедеятельности организма веществ определенным путем, сложившийся в процессе эволюции. Так, в автотрофных организмов при ассимиляции сложные органические соединения синтезируются из неорганических, например, при фотосинтезе происходит ассимиляция зелеными растениями углеводов из углекислоты воздуха и воды. В гетеротрофных организмов, питающихся только веществами растительного и животного происхождения, синтеза при ассимиляции предшествует их расщепление и переработка.

Особенности организмов, приобретенные в процессе эволюции, определяют характер ассимиляции, но изменения ассимиляции в свою очередь влияют на природу организмов, меняя их наследственность.

При попадании квантов света на хлорофилл молекулы хлорофилла возбуждаются. Возбужденные электроны проходят по электронному цепные на мембране к синтезу АТФ. Одновременно происходит расщепление молекул воды. Ионы H + сочетаются с восстановленным НАДФ (ФС1) за счет электронов хлорофилла; образующаяся при этом энергия идет на синтез АТФ. Ионы O 2 отдают электроны на хлорофилл (ФС2) и превращаются в свободный кислород: H 2 O + НАДФ + hν → НАДФН + H + + 1 / 2O 2 + 2АТФ

Темновая фаза Темновая фаза - фиксация C, синтез C 6 H 12 O 6. Источником энергии является АТФ. В строме хромопластов (куда поступают АТФ, НАДФН и H + от тилакоидов гран и CO 2 из воздуха) проходят циклические реакции, в результате чего есть фиксация CO 2, его восстановление H (за счет НАДФН + H +) и синтез C 6 H 12 O 6:

CO 2 + НАДФН + H + + 2АТФ → 2АДФ + C 6 H 12 O 6

Диссимиляция в биологии обозначает процесс, обратный ассимиляции. Иными словами, это этап обмена веществ в организме, на котором происходит разрушение сложных органических соединений с получением более простых. Существует несколько разных определений понятия диссимиляция. Википедия трактует этот термин как утрату специфичности сложных веществ и разрушения сложных органических соединений до более простых. Синонимом этого понятия является катаболизм.

В обмене веществ в живой клетке центральное место занимают сложные реакции диссимиляции - дыхание, брожение, гликолиз. Результатом этих биологических процессов является высвобождение энергии, которая заключена в сложных молекулах. Эта энергия частично трансформируется в энергию Аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Конечными продуктами диссимиляции во всех живых клетках являются углекислый газ, аммиак и вода. Растительные клетки получили возможность частично использовать эти вещества для ассимиляции. Животные организмы выводят эти продукты распада наружу .

По характеру участия кислородных молекул в реакциях катаболизма все организмы принято подразделять на аэробные, то есть протекающие с участием кислорода, и анаэробные (бескислородные).

Анаэробные организмы осуществляют процессы энергетического обмена путем брожения, а аэробные - путем дыхания.

Брожением называется совокупность реакций распада органических молекул до более простых соединений, при которых происходит выделение энергии и синтез молекул АТФ. Среди других способов получения энергии брожение считается самым малоэффективным: из 1 моль глюкозы при молочнокислом брожении получается 2 моль АТФ.

Наиболее широко в природе распространены два вида брожения:

  1. Молочнокислое - включает в себя процесс анаэробного распада глюкозы с образованием молочной кислоты. Подобный вид брожения характерен для молочнокислых бактерий- именно они ответственны за скисание молока. В более широком смысле процесс молочнокислого брожения является одним из этапов процесса дыхания у подавляющего большинства аэробных организмов, включая и человека;
  2. Спиртовое брожение является процессом анаэробного распада глюкозы и сопровождается образованием углекислого газа и этилового спирта. В процессе этой реакции выделяется некоторое количество энергии, которое расходуется на синтез молекулы АТФ. Спиртовое брожение наиболее характерно для плодов и других частей растения, находящихся в анаэробных условиях.

Дыхание в контексте раскрываемого вопроса имеет более обширное значение, чем привычный процесс газообмена. В этом случае под дыханием следует понимать разновидность диссимиляции, которая реализуется в среде, содержащей молекулы кислорода.

Процесс дыхания включает в себя две части:

  1. Процесс газообмена в дыхательной системе многоклеточных организмов и в тканях;
  2. Последовательность биохимических реакций окисления, которым подвергаются органические соединения. В результате таких процессов образуются вода, аммиак и углекислый газ. Возможно образование некоторых других простых соединений - сероводорода, неорганических фосфорных соединений и пр.

Для большинства людей привычной является более узкой трактовка процесса дыхания как газообмена.

Процесс диссимиляции в живых клетках состоит из нескольких этапов. Следует заметить, что в разных организмах эти этапы могут протекать по-разному.

У аэробных организмов процесс катаболизма включает в себя три основных этапа. Каждый этап протекает с участием специальных ферментативных систем.

  1. Начальный этап или подготовительный. У многоклеточных организмов он осуществляется в полости пищеварительного тракта. В процессе принимают непосредственное участие пищеварительные ферменты. У одноклеточных организмов этот этап протекает при участии лизосомальных ферментов. На подготовительном этапе происходит расщепление протеинов до аминокислот. Жиры распадаются до жирных кислот и глицерина. Полисахариды расщепляются на этом этапе до моносахаридов, а нуклеиновые кислоты - до нуклеотидов. В биологии такой процесс принято называть пищеварительным;
  2. Второй этап катаболизма - гликолиз или бескислородный. Этот этап являет собой начальную стадию распада молекул глюкозы и накопление энергии в виде молекул Аденозинтрифосфорной кислоты. Гликолиз протекает в клеточной цитоплазме. В это время наблюдается последовательность химических реакций: одна молекула глюкозы превращается в две молекулы пировиноградной кислоты (или пирувата) и две молекулы АТФ. Часть высвободившейся энергии запасается в виде АТФ, остальная рассеивается в виде тепла. В условиях недостатка кислорода в клетках растений и дрожжевых грибков молекулы пирувата расщепляются на углекислый газ и этанол (спиртовое брожение);
  3. Кислородный этап катаболизма состоит, в свою очередь, из двух последовательных фаз - цикла Кребса и окислительного фосфорилирования. Рассмотрим, какой этап диссимиляции называют кислородным. Здесь происходит окончательное расщепление пирувата до простейших составных частей - воды и углекислого газа. В ходе окисления пирувата образуется всего 36 молекул АТФ. Из них 34 молекулы образуются в результате цепи реакций цикла Кребса и оставшиеся 2 - в результате окислительного фосфорилирования. Эволюционно кислородный этап возник после того как в земной атмосфере накопилось достаточное количество молекул кислорода и появились организмы с аэробным типом обмена.

В результате реакций диссимиляции получается энергия, которая в дальнейшем используется организмом для пластического обмена.

Процессы окислительного фосфорилирования происходят на внутренних митохондриальных мембранах. В этих мембранах имеются встроенные молекулы-переносчики. Их функцией является доставка электронов к атомам кислорода. Часть энергии в ходе этой реакции рассеивается в виде тепла.

В результате реакций гликолиза вырабатывается малое количество энергии, которого недостаточно для осуществления жизнедеятельности организмов с аэробным типом обмена веществ. Именно это является причиной, почему при недостатке кислорода в мышечных клетках образуется молочная кислота. Это вещество накапливается в виде лактата и вызывает боль в мышцах.

В клетке постоянно происходит обмен веществ и энергии с окружающей средой. Обмен веществ (метаболизм ) - основное свойство живых организмов. На клеточном уровне метаболизм включает два процесса: ассимиляцию (пластический обмен) и диссимиляцию (энергетический обмен). Эти процессы происходят в клетке одновременно.

Диссимиляция (энергетический обмен) - совокупность реакций расщепления веществ. При расщеплении высокомолекулярных соединений выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. По типу диссимиляции организмы делят на аэробные и анаэробные .

Аэробная диссимиляция

Энергетический обмен проходит в 3 этапа:

1-й этап - подготовительный.

На этом этапе молекулы сложных веществ (белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот) распадаются до мономеров. Выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде тепла. Синтез АТФ не происходит.

2-й этап - бескислородный (анаэробный).

Бескислородный распад протекает в цитоплазме клеток. Мономеры, образовавшиеся на первом этапе, расщепляются без участия кислорода, в несколько стадий. Расщепление происходит под действием ферментов с образованием энергии АТФ. Например, в мышцах (в цитоплазме клеток) молекула глюкозы распадается на две молекулы молочной кислоты и две молекулы АТФ

3-й этап - кислородное расщепление (аэробное дыхание).

Все реакции этой стадии катализируются ферментами и проходят при участии кислорода в митохондриях на кистах. Вещества, образовавшиеся в предыдущем этапе, окисляются до конечных продуктов - СО 2 и Н 2 О. При этом выделяется большое количество энергии. Данный процесс называют клеточным дыханием. При окислении двух молекул молочной кислоты образуется 36 молекул АТФ. В результате второго и третьего этапов при расщеплении одной молекулы С 6 Н 12 О 6 выделяется 38 молекул АТФ.

Анаэробная диссимиляция.

Распад глюкозы у анаэробныхбактерий может идти в бескислородных условиях. Этот процесс называется брожением . При брожении выделяется не вся энергия, заключенная в веществе, а лишь часть ее. Остальная энергия остается в химических связях в образовавшемся веществе. При спиртовом брожении образуется спирт и две молекулы АТФ.

Вопрос 3

Билет 5

1. Белки, их роль в организме;

2. Уровни организации живой материи;

3. Определить процентное содержание азотистых оснований в определенном фрагменте ДНК.

Вопрос 1

Белки.

В состав белков входят углерод, кислород, водород, азот. Мономерами белка являются аминокислоты.

Есть первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белка. Белки первичной структуры могут с помощью водородных связей соединяться в спираль и образовывать вторичную структуру. Полипептидные цепи, скручиваясь в компактную структуру, образуют глобулу (шар) - это третичная структура белка. Большинство белков имеют третичную структуру. Аминокислоты активны только на поверхности глобулы. Белки, имеющие глобулярную структуру, объединяются вместе и образуют четвертичную структуру. Замена одной аминокислоты приводит к изменению свойств белка. При воздействии высокой температуры, кислот и других факторов может происходить разрушение белковой молекулы (денатурация). Иногда денатурированный белок при изменении условий вновь может восстановить свою структуру (ренатурация) и это возможно лишь тогда, когда не разрушена первичная структура белка.


Белки бывают простые и сложные. Простые белки состоят только из аминокислот: например, альбумины, глобулины.

Сложные белки состоят из аминокислот и других органических соединений: например, липопротеины, гликопротеины.

Функции белков:

1. Энергетическая. При распаде 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии.

2. Ферментативная. Служат катализаторами биохимических реакций. Катализаторы - ферменты. Ферменты ускоряют биохимические реакции, но не входят в состав конечных продуктов. Ферменты строго специфичны.

3. Структурная. Белки входят в состав мембран и органоидов клетки.

4. Транспортная. Белки связывают и переносят различные вещества и внутри клетки, и по всему организму. Например, гемоглобин переносит кислород и СО 2 в крови позвоночных.

5. Защитная. Защита организма от вредных воздействий: выработка антител.

6. Сократительная. Благодаря наличию белков актина и миозина в мышечных волокнах происходит сокращение мышц.

7. Белки-гормоны. Обеспечивают регуляторную функцию.

Энергетический обмен (диссимиляция) – это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ.
Организмы могут быть разделены на две группы по характеру диссимиляции – аэробы и анаэробы . Аэробы нуждаются в свободном кислороде для жизнедеятельности. У анаэробов в кислороде нет необходимости.

Термин «анаэробы » ввел Луи Пастер, открывший в 1861 году бактерии маслянокислого брожения. Анаэробное дыхание - совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов при использовании в качестве конечного акцептора электронов не кислорода, а других веществ (например, нитратов) и относится к процессам энергетического обмена (катаболизм, диссимиляция), которые характеризуются окислением углеводов, липидов и аминокислот до низкомолекулярных соединений.

Анаэробы - обширная группа организмов, как микро, так и макроуровня, к которой относятся:
- анаэробные микроорганизмы - обширная группа прокариотов и некоторые простейшие
- макроорганизмы - грибы, водоросли, растения и некоторые животные (класс фораминиферы, большинство гельминтов (класс сосальщики, ленточные черви, круглые черви и пр.).

Помимо этого анаэробное окисление глюкозы играет важную роль в работе поперечно-полосатой мускулатуры животных и человека (особенно в состоянии тканевой гипоксии ). Иными словами, человек – тоже частичный анаэроб!

Анаэробы - организмы, получающие энергию при отсутствии доступа кислорода путём субстратного фосфорилирования, конечные продукты неполного окисления субстрата при этом могут быть окислены с получением большего количества энергии в виде АТФ в присутствии конечного акцептора протонов организмами, осуществляющими окислительное фосфорилирование.

Пример анаэробной диссимиляции – брожение, то есть бескислородное ферментативное расщеп-ление органических веществ с образованием более простых органических веществ и выделением энергии. Например:

молочнокислое брожение : C6H12O6 + 2H3PO4 + 2АДФ → 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О
спиртовое брожение : C6H12O6 + 2H3PO4 + 2АДФ → 2С2Н5ОН + 2АТФ + 2СО2

В первом случае получается молочная кислота С3Н6О3, во втором – спирт С2Н5ОН.

Образующиеся при брожении вещества являются органическими и, следовательно, содержат еще много энергии. Видов анаэробного обмена очень много – есть бактерии, использующие энергию серных, азотных, углеродных соединений и т.д.

Процессы расщепления органических соединений у аэробных организмов происходят в три этапа , каждый из которых сопровождается несколькими ферментативными реакциями.

Первый этап – подготовительный . В желудочно-кишечном тракте многоклеточных организмов он осуществляется пищеварительными ферментами. У одноклеточных – ферментами лизосом. На первом этапе происходит расщепление белков до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, полисахаридов до моносахаридов, нуклеиновых кислот до нуклеотидов. Этот процесс называется пищеварением .

Второй этап – бескислородный (гликолиз) . Его биологический смысл заключается в начале постепенного расщепления и окисления глюкозы с накоплением энергии в виде 2 молекул АТФ. Гликолиз происходит в цитоплазме клеток. Он состоит из нескольких последовательных реакций превращения молекулы глюкозы С6Н12O6 в две молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) С3Н4O3 и две молекулы АТФ, в которых запасается часть энергии, выделившейся при гликолизе: С6Н12O6 + 2АДФ + 2РН3O4 → 2С3Н4O3 + 2АТФ. Остальная энергия рассеивается в виде тепла. В этом процессе участвует кофермент .

В клетках дрожжей и растений (при недостатке кислорода ) пируват распадается на этиловый спирт и углекислый газ. Этот процесс называется спиртовым брожением.

Энергии, накопленной при гликолизе, слишком мало для организмов, использующих кислород для своего дыхания. Вот почему в мышцах животных, в том числе и у человека, при больших нагрузках и нехватке кислорода образуется молочная кислота (С3Н6O3), которая накапливается в виде лактата, это проявляется болью в мышцах.

Третий этап – кислородный , состоящий из двух последовательных процессов: а) б) . Его смысл заключается в том, что при кислородном дыхании пируват окисляется до окончательных продуктов – углекислого газа и воды, а энергия, выделяющаяся при окислении, запасается в виде 34 молекул АТФ (32 молекулы в цикле Кребса и 2 молекулы в ходе окислительного фосфорилирования). Эта энергия распада органических соединений обеспечивает реакции их синтеза в пластическом обмене. Кислородный этап возник после накопления в атмосфере достаточного количества молекулярного кислорода и появления аэробных организмов.

Окислительное фосфорилирование (клеточное дыхание) происходит на внутренних мембранах митохондрий, в которые встроены молекулы - переносчики, которые транспортируют электроны к молекулярному кислороду. В ходе этой стадии часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть расходуется на образование АТФ.

Суммарная реакция энергетического обмена:

С6Н12O6 + 6O2 → 6СO2 + 6Н2O + 38АТФ (2гликолиз+34цКребса+2окисл.фосф).

Вспомните!

Что такое метаболизм?

(от греч. μεταβολή - «превращение, изменение»), или обмен веществ - набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Эти процессы позволяют организмам расти и размножаться, сохранять свои структуры и отвечать на воздействия окружающей среды.

Из каких двух взаимосвязанных процессов он состоит?

Энергетический обмен и пластический обмен

Где в организме человека происходит расщепление большей части органических веществ, поступающих с пищей?

Первоначально, в пищеварительном тракте, затем в клетках и их органоидах (митохондрии, цитоплазма).

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое диссимиляция? Перечислите её этапы.

Совокупность реакций расщепления высокомолекулярных соединений, которые сопровождаются выделением и запасанием энергии, называют энергетическим обменом или диссимиляцией. В основном энергия запасается в виде универсального энергоёмкого соединения - АТФ.

1) Подготовительный

2) Бескислородное окисление

3) Кислородное окисление

2. В чём заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - нуклеотид, состоящий из азотистого основания (аденина), сахара рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты (рис. 53). АТФ является главной энергетической молекулой клетки, своего рода аккумулятором энергии. Все процессы в живых организмах, требующие затрат энергии, сопровождаются превращением молекулы АТФ в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту). При отщеплении остатка фосфорной кислоты высвобождается большое количество энергии - 40 кДж/моль. Таких высокоэнергетических (так называемых макроэргических) связей в молекуле АТФ две. Восстановление структуры АТФ из АДФ и фосфорной кислоты происходит в митохондриях и сопровождается поглощением энергии.

3. Какие структуры клетки осуществляют синтез АТФ?

Митохондрии

4. Расскажите об энергетическом обмене в клетке на примере расщепления глюкозы.

1) Подготовительный этап расщепления углеводов идет в пищеварительном тракте до простого углевода – глюкозы, при этом энергии выделяется мало и она рассеивается в организме в виде тепла.

2) Бескислородный этап расщепления глюкозы – гликолиз (анаэробное окисление). Этап протекает в цитоплазме в отсутствие свободного кислорода. Глюкоза С6Н12О6 пировиноградная кислота (ПВК) С3Н4О3. Глюкоза расщепляется до ПВК с выделением 4АТФ. Затем 2АТФ используются в этом этапе для дальнейшего превращения ПВК в молочную кислоту. И в итоге во втором этапе выделяется 2АТФ.

3) Кислородное окисление – аэробное окисление (или клеточное дыхание). Этап, в результате которого молочная кислота расщепляется под действием молекулярного кислорода до конечных продуктов распада – углекислого газа и воды. Протекает в митохондриях на дыхательной цепи ферментов, которые располагаются на кристах митохондрий. Вт результате этого этапа выделяется 36 АТФ. Таким образом, за два этапа – при полном окислении 1 моль глюкозы (1 молекулы) выделяется 38 АТФ (2АТФ + 36АТФ). Итоговый синтез и запас АТФ осуществляется в митохондриях – эти органоиды называются энергетическими центрами клетки.

6. Синонимами слов «диссимиляция» и «ассимиляция» являются термины «катаболизм» и «анаболизм». Объясните происхождение этих терминов.

Катаболизм (от греч. Καταβολή, «сбрасывание, разрушение») или энергетический обмен, или диссимиляция - процесс метаболического распада, разложения на более простые вещества (дифференциация) или окисления какого-либо вещества, обычно протекающий с освобождением энергии в виде тепла и в виде АТФ. Анаболизм (от греч. ἀναβολή, «подъём») – так называются все процессы создания новых веществ, клеток и тканей организма. Примеры анаболизма: синтез в организме белков и гормонов, создание новых клеток, накопление жиров, создание новых мышечных волокон – это все анаболизм.

Подумайте! Вспомните!

Так как в клетках все органические соединения соединены друг с другом основными метаболитами (ПВК, ацетил-КоА) через которые одни органические вещества могут превращаться при избытке в другие. Наример, избыток углеводов превращаются в жиры.

Энергия, которая высвобождается при энергетическом обмене идет на процессы в пластическом обмене. И вещества пластического обмена расщепляются в энергетическом обмене.

3. Как вы считаете, почему после тяжёлой физической работы, для того чтобы быстрее снять боли в мышцах, рекомендуют принять тёплую ванну?

Боль в мышцах вызывает накопление молочной кислоты при гликолизе, ее концентрация действует на рецепторы, раздражая их, вызывая жжение. Чтобы снять это действие необходим прилив крови с кислородом, кислород расщепить молочную кислоту до конечных продуктов распада. Одним из способов служит принятие теплой ванны. При этом тело разогревается, сосуды расширяются и кровь с кислородом приливает и питает все мышцы, тем самым молочная кислота окисляется до углекислого газа и воды, снимается болевые ощущения в мышцах.