Метаболизм, или обмен веществ

Катаболизм (диссимиляция, энергетический обмен) – совокупность реакций расщепления высокомолекулярных органических веществ до простых соединений.
Процесс идет с выделением энергии.
Анаболизм (ассимиляция, пластический обмен) - совокупность реакций биологического синтеза органических веществ: белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот.
Процесс идет с поглощением энергии.
Метаболизм

Биологические реакции, которые протекают внутри клетки являются ферментативными, отличаются видовой и индивидуальной специфичностью. Структура синтезируемых крупных органических молекул определяется последовательностью нуклеотидов в молекуле ДНК, т.е. генотипом.
Гомеостаз – постоянство внутренней среды организма, которое поддерживается обменными процессами.

Реализация наследственной информации – биосинтез белка.
Процесс образования молекулы белка – это один из процессов проявления наследственной информации в ходе пластического обмена. Вся информация закодирована внутри ядра клетки на молекуле ДНК. Процесс биосинтеза белка включает два этапа: транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция – переписывание информации, которая происходит путем синтеза на одной из цепей молекулы ДНК на одноцепочную молекулу и-РНК, последовательность нуклеотидов которой комплементарна последовательности нуклеотидов полинуклеотидной цепи (матрицы) ДНК. Этот процесс проходит внутри ядра клетки.

Трансляция – передача информации с и-РНК, которая заключена в последовательности нуклеотидов, в последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Перенос аминокислот в рибосому осуществляется транспортной РНК (т-РНК), которая имеет вид клеверного листа. Три нуклеотида вместе образуют триплет. Вся молекула и-РНК образована триплетами, но т.к. нуклеотиды в триплете молекулы и-РНК расположены в определенном порядке, то они образуют кодон. На молекуле т-РНК образуется антикодон тоже из трех нуклеотидов. Трансляция проходит в цитоплазме клетки на рибосомах.

Процесс биосинтеза белка связан с участием многих ферментов и затратой большого количества энергии. Сложность системы биосинтеза и ее высокая энергоемкость обеспечивают высокую точность и упорядоченность синтеза полипептидов.

Ген – участок молекулы ДНК, который несет наследственную информацию о первичной структуре конкретного белка или об одном признаке
Генетический код - последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК

Свойства генетического кода
Код триплетен. Каждая аминокислота в генетическом коде кодируется последовательностью трех нуклеотидов — триплетом, или кодоном.
Код вырожден кодирует 20 аминокислот.
Различных нуклеотидов в ДНК четыре, следовательно, теоретически возможных кодонов — 64 . Большинству аминокислот соответствует от 2-х до 6-ти кодонов.
Код однозначен. Один кодон соответствует только одной аминокислоте.
Код универсален. Одинаковые аминокислоты кодируются одними и теми же триплетами нуклеотидов у всех царств живых организмов на Земле: бактерий, животных, растений и грибов.

Например:
УЦА – ГГА
-сер - гли-
Таблица кодов аминокислот
В скобках ДНК за скобками и-РНК

Биосинтез углеводов - фотосинтез
Это процесс образования органического вещества глюкозы и свободных молекул кислорода из углекислого газа и воды в процессе химических реакций в хлоропластах с использованием энергии солнечного света.
Открыл процесс фотосинтеза русский ученый – естествоиспытатель К.А. Тимирязев. Роль зеленых растений для жизни на Земле он назвал космической, т.к. растения используют энергию Солнца, которое находится в космосе.

Способы питания живых организмов
Гетеротрофный способ –
питание готовыми органическими веществами.
животные;
грибы;
бактерии
Автотрофный способ –
Образование
органических веществ из неорганических в процессе химических реакций
Растения
Некоторые бактерии

В зависимости от вида энергии, используемой автотрофами для синтеза органических молекул, их делят на фототрофов и хемотрофов. Энергия накапливается в молекуле АТФ.
Хемотрофы
используют химическую энергию, которая образуется при окислении ими различных неорганических соединений в процессе хемосинтеза.
Фототрофы используют энергию солнечного света в процессе фотосинтеза, к ним относятся растения и некоторые бактерии.

Хемосинтезирующие организмы (хемотрофы)
Нитрифицирующие бактерии В корневищах бобовых растений, живут особые клубеньковые бактерии. Они способны усваивать недоступный растениям атмосферный азот и обогащать почву аммиаком. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак клубеньковых бактерий до азотной кислоты и обогащают почву азотными удобрениями.

Железобактерии используют энергию, которая образуется при окислении двухвалентного железа до трехвалентного.
Серобактерии обитают в болотах и "питаются" сероводородом. В результате окисления сероводорода выделяется необходимая для жизнедеятельности бактерий энергия и накапливается в организме бактерий сера.

Строение молекулы АТФ
АТФ →АДФ + Ф АДФ → АМФ + Ф

Строение хлоропласта
Двумембранный органоид клетки. Полость хлоропласта – строма. Внутренняя мембрана больше, чем наружная. Она образует выросты – тилакоиды. На мембранах тилакоидов расположены молекулы хлорофилла. Местами тилакоиды располагаются друг над другом образуя стопки (как стопка монет) Такие стопки называются гранами. Все граны хлоропласта соединены между собой одиночными пластинчатыми тилакоидами. Хлоропласт является автономной структурой клетки, потому что имеет свою молекулу ДНК.

Световая фаза фотосинтеза
Кванты света возбуждают молекулу хлорофилла на гранах хлоропласта, хлорофилл теряет электроны, электроны присоединяются к ферментам и способствуют образованию АТФ. Часть электронов принимает участие в разложении воды на молекулярный кислород и протоны водорода, происходит фотолиз воды.
4Н2О→4Н+ + 4ОН-
4ОН- →2О2 +2Н2О
АДФ + Ф →АТФ
главные процессы световой фазы фотосинтеза:
выделение в атмосферу свободного кислорода;
синтез молекулы АТФ;
образование атомарного водорода.

Темновая фаза фотосинтеза
Реакции этой фазы происходят в строме хлоропласта при участии атомарного водорода и молекулы АТФ, которая образовалась в световой фазе, а также ферментов, восстанавливающих СО2 до глюкозы
НАД+ + Н + АТФ → НАДФН + АДФ
6СО2 + 24Н → С6Н12О6 + 6Н2О
Для образования одной молекулы глюкозы требуется 18 молекул АТФ. Комплекс реакций темновой фазы, осуществляемых ферментами (и коферментом НАД). Этот процесс носит название цикла Кальвина.

Фотосинтез происходит днем и с наступлением темноты. Круглосуточно растения поглощают кислород из атмосферы (дышат) и окисляют кислородом запасенные питательные вещества. На дыхание растения используют в 20-30 раз меньше кислорода, чем выделяют в атмосферу в процессе фотосинтеза.

Значение фотосинтеза
Ежегодно растительность планеты дает 200 млрд. т кислорода и 150 млрд. т органических соединений, необходимых человеку и животным.
Количество энергии, производимой растениями, значительно превышает количество тепла, которое выделяется при сжигании всем населением планеты горючих полезных ископаемых.

Энергетический обмен - катаболизм
Процесс сопровождается выделением энергии, поэтому называется энергетическим обменом клетки. Энергия накапливается в молекуле АТФ. Синтез АТФ происходит у эукариот в митохондриях на внутренней мембране и в хлоропластах, у прокариот в цитоплазме и на мембранных структурах клетки. Затем АТФ поступает в разные участки клетки, обеспечивая все процессы жизнедеятельности.

Этапы энергетического обмена
I этап – подготовительный.
Полимеры распадаются до мономеров:
белки распадаются до аминокислот;
полисахариды до глюкозы;
жиры распадаются до высших жирных кислот и глицерина.
На этом этапе образуется небольшое количество энергии, которое выделяется в виде тепла.

первый вариант
II этап – бескислородный (анаэробное дыхание, гликолиз)
С6Н12О6 + 2Н3РО4 +2АДФ →2С3Н4О3 + 2АТФ→
2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О
На втором этапе энергетического обмена из одной молекулы глюкозы С6Н12О6 в начале образуется 2 молекулы промежуточного вещества – пировиноградной кислоты 2С3Н4О3 (ПВК), а затем образуется две молекулы молочной кислоты 2С3Н6О3, при этом образуется 2 молекулы АТФ.

второй вариант
II этап – бескислородный (брожение)
С6Н12О6 + 2Н3РО4 +2АДФ → 2С2Н5ОН +2СО2+2Н2О + 2АТФ
У дрожжевых грибов молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт (С2Н5ОН) и углекислый газ (СО2). Такой процесс называется спиртовое брожение, при этом также образуется 2 молекулы АТФ. У микроорганизмов гликолиз может завершаться образованием ацетона или уксусной кислоты.

III этап – аэробное дыхание (кислородное расщепление)
2С3Н6О3 +6О2 + 36Н3РО4 +36АДФ →
6СО2+38Н2О + 36АТФ
Две молекулы молочной кислоты (2С3Н6О3) окисляются кислородом (О2) до конечных продуктов распада воды (Н2О) и углекислого газа (СО2) при этом образуется 36 молекул АТФ

Общее уравнение окисления одной молекулы глюкозы
С6Н12О6 +6О2 + 38Н3РО4 +38АДФ →
6СО2+42Н2О + 38АТФ (2800 кДж)
На трех этапах окисления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ (2 молекулы во время гликолиза и 36 молекул при аэробном дыхании)

Горение
Идет с поглощением кислорода, выделением энергии и выделением углекислого газа и воды.
Образование СО2 происходит путем прямого соединения углерода с кислородом;
энергия выделяется в виде тепла.
Клеточное дыхание
Идет с поглощением кислорода, выделение энергии, выделением углекислого газа и воды.
Высокоупорядоченный процесс последовательности реакций биологического окисления;
осуществляется с помощью ферментов;
происходит накопление энергии в виде молекулы АТФ

В живых клетках происходит постоянно обмен веществ – метаболизм. Все химические реакции в клетке обеспечивают биосинтез новых соединений, необходимых для жизни клетки, и распад уже имеющихся или поступающих веществ для обеспечения клетки энергией.