Глава 2 Обмен веществ и преобразование энергии в клетке

Все живые организмы осуществляют обмен веществ с внешней средой. В клетках постоянно осуществляются процессы биосинтеза. Благодаря ферментам, из простых веществ образуются сложные соединения: из аминокислот синтезируются белки, из моносахаридов – сложные углеводы, из азотистых оснований – нуклеиновые кислоты. Различные жиры и масла образуются посредством химических превращений относительно простых веществ. Хитин- это наружный покров членистоногих, образующее хитина -сложный полисахарид (стр.7), у птиц, млекопитающих, наружным покровом является роговое вещество, основой которого является белок кератин. В конечном счете, состав синтезируемых крупных органических молекул обусловливается генотипом. Синтезированные вещества применяются в ходе роста с целью возведения клеток и их органоидов и ради замены израсходованных либо разрушенных молекул. Все без исключения взаимодействия биосинтеза проходят с поглощением энергии.

Пластический обмен

Пластический обмен, иначе называют биосинтез или анаболизм, происходит этот обмен только в клетке. Пластический обмен имеет три типа: фотосинтез, хемосинтез и биосинтез белков. Фотосинтез используется растениями и лишь некоторыми бактериями (цианобактериями). Такие организмы именуются автотрофами. Хемосинтез применяется определенными бактериями, в их число входят и анаэробные. Такие организмы именуются хемотрофами. Животные и грибы относят к гетеротрофным созданиям.

Фотосинтез

Процесс фотосинтеза происходит благодаря реакции, которая предполагает образование глюкозы и кислорода из углекислого газа и воды. У фотосинтеза две фазы, световая и темновая. Во время световой фазы, процесс фотосинтеза происходит в гранах хлоропласта, а в темновой, в стромах хлоропласта (см. Приложение 7). Без солнечной энергии, фотосинтез бы не имел своего значения, поэтому это является важным фактором. Во время этого процесса из шести молекул углекислого газа и воды образуется шесть молекул кислорода и одна молекула глюкозы. Процесс фотосинтеза происходит в хлоропластах, в органеллах находится хлорофилл, благодаря ему и происходит синтез.

6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2

Хемосинтез

Хемосинтез свойственен таким бактериям, как серным, нитрифицирующим и железобактериям. Бактерии используют энергию, приобретённую благодаря процессу окисления веществ, для восстановления углекислого газа до органических соединений. (см. Приложение 8) Серобактерии окисляют такое вещество, как сероводород, нитрифицирующие окисляют аммиак, а железобактерии окисляют закись железа.

Биосинтез белков

Пластический обмен - это синтез белков клеткой. Обмен имеет два главных процесса: транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция- это процесс синтеза информационной РНК с помощью ДНК по принципу комплементарности. (см. Приложение 9)

Транскрипция представляет три этапа:

-Образование первичного транскрипта

-Процессинг

-Сплайсинг

Трансляция- перенос информации о структуре белка с информационной РНК на синтезирующийся полипептид. (см. Приложение 10) Этот процесс осуществляется в цитоплазме на рибосоме. Трансляция происходит в четыре этапа. На первой стадии аминокислоты активируются специальным ферментом - аминоацилом Т-РНК-синтетазой. Для этого процесса используется энергия в виде АТФ. Затем образуется миноациладенилат. После этого следует процесс примыкания активированной аминокислоты к транспортной РНК, при этом выделяется АМФ. Далее во время третьего этапа, образованный комплекс связывается с рибосомой. Затем включаются аминокислоты в структуру белка в определенной последовательности, после чего транспортная РНК высвобождается.

Энергетический обмен

Энергетический обмен, так же называют катаболизмом. Пластический и энергетический обмен очень связанны, ведь для осуществления пластического обмена (анаболизма), необходима энергия, которая получается клеткой за счет катаболизма. С помощью этого процесса клетка синтезирует нужные нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и т.п. Энергетический обмен- это процесс, в течении которого вещества, обладающие сложную структуру, расщепляются в наиболее простые или окисляются, из-за чего же организм приобретает энергию, требуемую для существования. Всего существуют три этапа энергетического обмена:

-Подготовительный этап

-Анаэробный этап- гликолиз (без участия кислорода)

-Аэробный этап- клеточное дыхание (с участием кислорода)

Подготовительный этап

Во время этого этапа полимеры преобразуются в мономеры, то есть такие соединения, как белки, углеводы и липоиды, расщепляются на более простые. Этот процесс происходит вне клетки, в органах пищеварительной системы. Кислород на этом этапе энергетического обмена не требуется. В итоге реакций, белок распадается на аминокислоты, сложные углеводы - в простые моносахариды и липиды - на глицерин и высшие кислоты. Так же этот этап протекает и в лизосомах клетки.

Анаэробный этап

Этот этап иначе называют брожением или гликолизом. Образовавшиеся в подготовительном этапе вещества - глюкоза, аминокислоты и др. - подвергаются последующему ферментативному распаду без участия кислорода. В основном углеводы подвергаются брожению. В ходе химических реакций, применяемых на данной стадии катаболизма, образуются спирты, углекислый газ, ацетон, органические кислоты, в отдельных случаях водород и прочие вещества. Гликолиз - процесс расщепления глюкозы в анаэробных условиях до пировиноградной кислоты (ПВК), далее до молочной, уксусной, масляной кислот или этилового спирта, протекающий в цитоплазме клетки. В ходе бескислородного расщепления часть выделяемой энергии рассеивается в виде тепла, а часть запасается в молекулах АТФ. В клетках животных и грибов распространена реакция, в результате которой выделяется пировиноградная кислота.

Основная химическая реакция, на данном этапе выглядит так:

С6Н12О6 = 2С3Н4О3 + (4Н) + 2АТФ

В результате этого процесса образуется две молекулы АТФ.

Аэробный этап

Этот этап осуществляется в митохондриях. (см. Приложение 11) В данной стадии осуществляется окисление веществ, за счет чего освобождается определенный объем энергии. В этом же процессе кислород принимает участие. Кислород перемещается с помощью эритроцитов, содержащих гемоглобин. Полученные в предыдущих этапах вещества расщепляются клеткой до самых простых, то есть до углекислого газа и воды. Ферменты, содержащиеся в лизосомах, окисляют органические соединения в клетке. АДФ - аденозиндифосфат- вещество, которое также необходимо для получения энергии, вследствие клеточного дыхания. Основная химическая реакция, на данном этапе выглядит так:

2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ = 6СО2 + 42Н2О + 36АТФ

В результате этого процесса образуются 36 молекул АТФ.

Можно заметить из данного уравнения, что энергии на этом этапе выделается немалое количество. Кроме того на данной стадии может осуществляться реакция полного окисления пировиноградной кислоты, вследствие которого также выделяется энергия, однако в меньшем количестве.

Следовательно, при полном расщеплении одной молекулы глюкозы клетка может синтезировать 38 молекул АТФ (2 молекулы в процессе гликолиза и 36 молекул в ходе аэробного этапа). (см. Приложение 12)

Общее уравнение аэробного дыхания можно записать следующим способом:

С6Н1206 + 602 + 38АДФ + 38Н3Р04 > 6С02 + 6Н20 + 38АТФ.

Заключение

Клетка- это высокоорганизованная единица жизни. Через клетки совершается поглощение, преобразование, запасание и применение веществ и энергии. Именно в клетке совершаются такие процессы, как дыхание, ферментация, фотосинтез, дупликация генетического материала. И такие процессы происходят, как в простых по структуре организмах (одноклеточные), так и в сложных по структуре организмах (многоклеточные). Жизнь всех организмов зависит от их клеток.

Приложение

Приложение 1