пластичний обмін

1. Пластичний обмін - сукупність реакцій синтезу органічних речовин в клітині з використанням енергії. Синтез білків з амінокислот, жирів з гліцерину і жирних кислот - приклади біосинтезу в клітині.

2. Значення пластичного обміну. забезпечення клітини будівельним матеріалом для створення клітинних структур; органічними речовинами, які використовуються в енергетичному обміні.

3. Фотосинтез і біосинтез білків - приклади пластичного обміну. Роль ядра, рибосом, ендоплазматичної мережі в біосинтезі білка. Ферментативний характер реакцій біосинтезу, участь в ньому різноманітних ферментів. Молекули АТФ - джерело енергії для біосинтезу.

4. Матричний характер реакцій синтезу білків і нуклеїнових кислот в клітині. Послідовність нуклеотидів в молекулі ДНК - матрична основа для розташування нуклеотидів в молекулі іРНК, а послідовність нуклеотидів в молекулі іРНК - матрична основа для розташування амінокислот в молекулі білка в певному порядку.

5. Етапи біосинтезу білка:

1) транскрипція - переписування в ядрі інформації про структуру білка з ДНК на іРНК. Значення додатковості азотистих основ в цьому процесі. Молекула іРНК - копія одного гена, що містить інформацію про структуру одного білка. Генетичний код - послідовність нуклеотидів в молекулі ДНК, яка визначає послідовність амінокислот в молекулі білка. Кодування амінокислот триплету - трьома поруч розташованими нуклеотидами;

2) переміщення іРНК з ядра до рибосоми, нанизування рибосом на іРНК. Розташування в місці контакту іРНК і рибосоми двох кодонів, до одного з яких підходить тРНК з амінокислотою. Доповнюваність нуклеотидів іРНК і тРНК - основа взаємодії амінокислот. Рух рибосоми нового ділянку іРНК, що містить два триплету, і повторення всіх процесів: доставка нових амінокислот, їхня сполука з фрагментом молекули білка. Рух рибосоми остаточно иРНК також завершення синтезу всієї молекули білка.

6. Висока швидкість реакцій біосинтезу білка в клітині. Узгодженість процесів в ядрі, цитоплазмі, рибосомах - доказ цілісності клітини. Подібність процесу біосинтезу білка в клітинах рослин, тварин і ін. - доказ їх спорідненості, єдності органічного світу

Пластичний і енергетичний обміни клітини (асиміляція і дисиміляція)

У клітці виявлені приблизно тисяча ферментів. За допомогою такого потужного каталітичного апарату здійснюється складна і різноманітна хімічна діяльність. З величезної кількості хімічних реакцій клітини виділяються два протилежних типу реакцій - синтез і розщеплення.

Реакція синтезу. У клітці постійно йдуть процеси творення. З простих речовин утворюються складніші, з низькомолекулярних - високомолекулярні. Синтезуються білки. складні вуглеводи. жири. нуклеїнові кислоти. Синтезовані речовини використовуються для побудови різних частин клітини, її органоїдів, секретів, ферментів, допоміжних матеріалів. Синтетичні реакції особливо інтенсивно йдуть в зростаючій клітці, постійно відбувається синтез речовин для заміни молекул, витрачених або зруйнованих при пошкодженні. На місце кожної зруйнованої молекули білка або якого-небудь іншого речовини постає нова молекула. Таким шляхом клітина зберігає постійними свою форму і хімічний склад, незважаючи на безперервне їх зміна в процесі життєдіяльності.

Синтез речовин, що йде в клітці, називають біологічним синтезом або скорочено біосинтезу.

Всі реакції біосинтезу йдуть з поглинанням енергії.

Сукупність реакцій біосинтезу називають пластичним обміном або асиміляцією (лат. "Сіміліс" - подібний). Сенс цього процесу полягає в тому, що надходять в клітину із зовнішнього середовища харчові речовини, що різко відрізняються від речовини клітини, в результаті хімічних перетворень стають речовинами клітини.

Реакції розщеплення. Складні речовини розпадаються на більш прості, високомолекулярні - на низькомолекулярні. Білки розпадаються на амінокислоти. крохмаль - на глюкозу. Ці речовини розщеплюються на ще більш низькомолекулярні сполуки, і врешті-решт утворюється зовсім прості, бідні енергією речовини - СО2 і Н2О. Реакції розщеплення в більшості випадків супроводжуються виділенням енергії. Біологічне значення цих реакцій полягає в забезпеченні клітини енергією. Будь-яка форма активності - рух, секреція. біосинтез і ін. - потребує затрати енергії.

Сукупність реакції розщеплення називають енергетичним обміном клітини або диссимиляцией. Дисиміляція прямо протилежна асиміляції: в результаті розщеплення речовини втрачають схожість з речовинами клітини.

Пластичний і енергетичний обміни (асиміляція і дисиміляція) знаходяться між собою в нерозривному зв'язку. З одного боку, реакції біосинтезу потребують затрати енергії, яка черпається з реакцій розщеплення. З іншого боку, для здійснення реакцій енергетичного обміну необхідний постійний біосинтез, які обслуговують ці реакції ферментів, так як в процесі роботи вони зношуються і руйнуються.

Складні системи реакцій, що становлять процес пластичного і енергетичного обмінів, тісно пов'язані не тільки між собою, а й з зовнішнім середовищем. З зовнішнього середовища в клітку надходять харчові речовини, які служать матеріалом для реакцій пластичного обміну, а в реакціях розщеплення з них звільняється енергія, необхідна для функціонування клітини. У зовнішнє середовище виділяються речовини, які клітиною більше не можуть бути використані.

Сукупність усіх ферментативних реакцій клітини, т. Е. Сукупність пластичного та енергетичного обмінів (асиміляції і дисиміляції), пов'язаних між собою і з зовнішнім середовищем, називають обміном речовин і енергії. Цей процес є основною умовою підтримки життя клітини, джерелом її зростання, розвитку і функціонування.

АТФ як єдине і універсальне енергетичне речовина. Всі прояви життєдіяльності, всі функції клітини здійснюються з витратою енергії. Енергія вимагає для руху биосинтетических реакцій, перенесення речовин через клітинні мембрани, для будь-яких форм клітинної активності.

Отже, АТФ являє єдиний і універсальний джерело енергії для функціональної діяльності клітини. Звідси зрозуміло, що можлива передача енергії з одних частин клітини в інші і заготівля енергії про запас. Синтез АТФ може відбуватися в одному місці клітини і в один час, а використовуватися вона може в іншому місці і в інший час.

Синтез АТФ здійснюється головним чином в мітохондріях. Саме тому мітохондрії називають "силовими станціями" клітини. Новоутворена тут АТФ по каналах ендоплазматичної мережі направляється в ті ділянки клітини, де виникає потреба в енергії.

Етапи енергетичного обміну. Для вивчення енергетичного обміну клітини його зручно розділити на три послідовні етапи. Розглянемо їх на прикладі тваринної клітини.

Перший етап підготовчий. На цьому етапі великі молекули вуглеводів, жирів, білків, нуклеїнових кислот розпадаються на дрібні молекули: з крохмалю утворюється глюкоза. з жирів - гліцерин і жирні кислоти, з білків - амінокислоти, з нуклеїнових кислот - нуклеотиди. Розпад речовин на цьому етапі супроводжується незначним енергетичним ефектом. Вся звільняється при цьому енергії розсіюється у вигляді тепла.

Другий етап енергетичного обміну називають безкисневим або неповним. Речовини, що утворилися в підготовчому етапі - глюкоза, гліцерин, органічні кислоти, амінокислоти та ін. - вступають на шлях подальшого розпаду. Це складний, багатоступінчастий процес. Він складається з ряду наступних одна за одною ферментативних реакцій. Ферменти. обслуговують цей процес, розташовані на внутрішньоклітинних мембранах правильними рядами. Речовина, потрапивши на перший фермент цього ряду, пересувається, як на конвеєрі, на другий фермент, далі - на третій і т. Д. Це забезпечує швидке і ефективне перебіг процесу. Розберемо його на прикладі безкисневого розщеплення глюкози, яке має спеціальну назву - гліколізу. Гліколіз є ряд послідовних ферментативних реакцій. Його обслуговує 13 різних ферментів, і в ході його утворюється більше десятка проміжних речовин. Багато проміжні реакції гліколізу йдуть за участю фосфорної кислоти Н3РО4. У кількох реакціях бере участь АДФ. Не зупиняючись на деталях, вкажемо лише, що на початкові ступені ферментного конвеєра вступають шестіуглеродних глюкоза, Н3РО4 і АДФ, а з останніх сходять трехуглеродная молочна кислота, АДФ і вода. Сумарне рівняння гліколізу має бути записано так:

Процес гліколізу відбувається у всіх тварин клітин і у деяких мікроорганізмів. Всім відоме молочнокисле бродіння (при скисанні молока, освіті кислого молока, сметани, кефіру) викликається молочнокислими грибами і бактеріями. По механізму воно цілком тотожне гликолизу.

У рослинних клітин і у деяких дріжджових грибів розпад глюкози здійснюється шляхом спиртового бродіння. Спиртове бродіння, як і гліколіз, представляє довгий ряд ферментативних реакцій, причому більша частина реакцій гліколізу і спиртового бродіння повністю збігаються, і тільки на самих останніх етапах є деякі відмінності. У ряді проміжних реакцій спиртового бродіння, як і при гліколізі, беруть участь Н3РО4 і АДФ. Кінцевими продуктами спиртового бродіння є двоокис вуглецю, етиловий спирт, АТФ і вода. Сумарне рівняння спиртового бродіння слід записати так:

З наведених рівнянь гліколізу і спиртового бродіння видно, що в цих процесах не бере кисень, тому їх назвают безкисневими, або з неповним розщепленням, так як повне розщеплення - це розщеплення до кінця, т. Е. Перетворення глюкози в найпростіші сполуки - СО2 і Н2О , що відповідає рівнянню

Нарешті, і це особливо важливо, з рівнянь слід, що при розпаді однієї молекули глюкози в ході гліколізу і спиртового бродіння утворюються дві молекули АТФ. Отже, розпад глюкози в процесі гліколізу і спиртового бродіння пов'язаний з синтезом універсального енергетичного речовини АТФ.

Так як синтез АТФ являє ендотермічний процес, то, очевидно, енергія для синтезу АТФ черпається за рахунок енергії реакцій безкисневого розщеплення глюкози. Отже, енергія, що звільняється в ході реакцій гліколізу, не вся переходить в тепло. Частина її йде на синтез двох багатих енергією фосфатних зв'язків.

Зробимо нескладний розрахунок: всього в ході безкисневого розщеплення грам-молекули глюкози, звільняється 200 кДж (50 ккал). На освіту однієї зв'язку, багатою енергією, при перетворенні грам-молекули АДФ і АТФ витрачається 40 кДж (10 ккал).

В ході безкисневого розщеплення утворюються дві такі зв'язки. Таким чином, в енергію двох грам-молекул АТФ переходить 2х40 = 80 кДж (2Х10 = 20 ккал). Отже, з 200 кДж (50 ккал) тільки 80 (20) зберігаються у вигляді АТФ, а 120 (30 ккал) розсіюються у вигляді тепла. Отже, в ході безкисневого розщеплення глюкози 40% енергії зберігається клітиною.

Третій етап енергетичного обміну - стадія кисень-ного, або повного розщеплення, або дихання. Продукти, що виникли в попередній стадії, окислюються до кінця, т. Е. До СО2 і Н2О.

Основна умова здійснення цього процесу - наявність в навколишньому середовищі кисню і поглинання його кліткою. Стадія кисневого розщеплення, як і попередня стадія безкисневого розщеплення, являє собою ряд послідовних ферментативних реакцій. Кожна реакція каталізується особливим ферментом.

Весь ферментативний ряд кисневого розщеплення зосереджений в мітохондріях, де ферменти розташовані на мембранах правильними рядами. Сутність кожної з реакцій полягає в окисленні органічної молекули, яка з кожною сходинкою поступово руйнується і перетворюється в кінцеві продукти окислення - СО2 і Н2О.

Всі проміжні реакції кисневого розщеплення, як і проміжні реакції безкисневого процесу, йдуть із звільненням енергії. Кількість енергії, що звільняється на кожному ступені при кисневому процесі, багато більше, ніж на кожному ступені бескіслрородного процесу. В сумі кисневе розщеплення дає величезну величину - 2600 кДж (650 ккал). Якби вся ця енергія звільнилася в результаті однієї реакції, клітина піддалася б теплового пошкодження. При розосередженні процесу на ряд проміжних ланок такої небезпеки немає.

Докладне дослідження реакцій кисневого розщеплення показало, що в цих реакціях, як і в реакціях безкисневого процесу, бере участь Н3РО4 і АДФ і що кисневий процес, як і безкисневому, пов'язаний з синтезом АТФ. В ході кисневого розщеплення двох трехуглеродних молекул відбувається утворення 36 молекул АТФ - 36 багатих енергією фосфатних зв'язків. Таким чином, сумарне рівняння кисневого процесу можна записати так:

2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ = 6СО2 + 6Н2О + 36АТФ + 36Н2О, а сумарне рівняння повного розщеплення глюкози так:

Тепер має бути ясно значення для клітини третьої, кисневої стадії енергетичного обміну. Якщо в ході безкисневого розщеплення звільняється 200 кДж / моль (50 ккал / моль) глюкози, то в стадії кисневого процесу звільняється 2600 кДж (650 ккал), т. Е. В 13 разів більше. Якщо в ході безкисневого розщеплення синтезуються дві молекули АТФ, то в кисневу стадію їх утворюється 36, т. Е. В 18 разів більше. Іншими словами, під час розщеплення глюкози в клітці на стадії кисневого процесу звільняється і перетворюється в інші форми енергії понад 90% енергії глюкози.

Займемося знову розрахунком. Всього в процесі розщеплення глюкози до СО2 і Н2О, т. Е. В ході кисневого і безкисневого процесів, синтезується 2 + 36 = 38 молекул АТФ. Таким чином, в потенційну енергію АТФ переходить 38 Х 40 = 1520 кДж (38 Х 10 = 380 ккал). Всього при розщепленні глюкози (в бескіслродную і кисневу стадії) звільняється 200 + 2600 = 2800 кДж (50 + 650 = 700 ккал). Отже, майже 55% всієї енергії, що звільняється при розщепленні глюкози, зберігається клітиною у формі АТФ. Інша частина (45%) розсіюється у вигляді тепла. Щоб оцінити значення цих цифр, згадаємо, що в парових машинах з енергії, що звільняється при згорянні вугілля, в корисну форму перетворюється не більше 12 - 15%. У двигунах внутрішнього згоряння він досягає приблизно 35%. Таким чином, по ефективності перетворення енергії жива клітина перевершує всі відомі перетворювачі енергії в техніці.

При зіставленні кількості енергії, що звільняється в ході безкисневого і кисневого розщеплення глюкози, а також числа молекул АТФ, які синтезуються в обидві стадії, видно, що кисневий процес незрівнянно більш ефективний, ніж безкисневому. Цілком зрозуміло тому, що в нормальних умовах для мобілізації енергії в клітині завжди використовується як безкисневому, так і кисневий шлях розщеплення. Якщо здійснення кисневого процесу утруднено або зовсім неможливо, наприклад при нестачі кисню, тоді для підтримки життя залишається тільки безкисневому процес. Але при цьому для отримання АТФ в кількості, необхідній для життєдіяльності, клітині доводиться розщеплювати дуже велика кількість глюкози.

Дихання і горіння. Окислення органічних речовин, що відбувається в клітці, часто порівнюють з горінням: в обох випадках відбувається поглинання кисню і виділення СО2 і Н2О. Однак між цими процесами є глибокі відмінності. Дихання являє високоупорядоченние, багатоетапний процес. Завдяки участі в ньому ферментів воно йде з достатньою швидкістю при температурі, незрівнянно нижчою, ніж горіння. Принципово відрізняється в обох процесах спосіб перетворення хімічної енергії, що розщеплюються речовин. При горінні вся енергія перетворюється на теплову. Подальше використання її для виробництва роботи завжди відбувається з низьким к. П. Д. При біологічному окисленні головна частина енергії переходить в хімічну енергію універсального енергетичного речовини - АТФ, яке в подальшому використовується кліткою з к. П. Д. Недосяжним для теплових двигунів.