Обмен веществ и энергии в клетке

Гомеостаз
(Постоянство внутренней среды )
Нарушение гомеостаза ведет к повреждению и гибели клеток. Все реакции, протекающие в клетке, направлены на поддержание гомеостаза.
Получаемые извне белки, жиры, углеводы, витамины и микроэлементы используются клетками для синтеза необходимых им веществ и построения клеточных структур.
Для построения клеточных структур необходимо затрачивать энергию.

Метаболизм в клетках
Энергетический
обмен
(катаболизм,
диссимиляция)
Пластический
обмен
(анаболизм,
ассимиляция)
распад, расщепление
органических веществ
синтез органических
веществ
С поглощением энергии
С выделением энергии

Стадии метаболизма:
Подготовительная стадия: переваривание пищи и доставка питательных веществ и кислорода к клеткам
Обмен веществ и энергии в клетках
Заключительная стадия: удаление продуктов распада

Ферменты, их химическая природа, роль в метаболизме
Ферменты – это всегда специфические белки – катализаторы
Каждый фермент обладает специфичность, потому что, как правило, катализирует определенный вид реакций.
Узнав свой субстрат, фермент взаимодействует с ним и ускоряет его превращение.
Ферменты – белки, при кипячении разрушаются и теряют свои ферментативные свойства.

Принцип действия ферментов
Фермент и субстрат должны подходить
друг к другу «как ключ к замку»
фермент

Ферменты
Простые
.
Сложные
Белковый компонент
Белковый компонент
Небелковая часть
(кофермент: ионы металлов или витамины)
+

Активность ферментов
- Зависит от температуры, кислотности среды, количества субстрата, с которым он взаимодействует.
- При повышении температуры активность ферментов увеличивается (при высоких температурах белок денатурируется).
- Среда, в которой могут функционировать ферменты, для каждой группы различна (в кислой, в слабокислой, в щелочной или слабощелочной среде):
в кислой среде активны ферменты желудочного сока
в слабощелочной - ферменты кишечного сока
в щелочной - фермент поджелудочной железы
Большинство же ферментов активны в нейтральной среде.

Сказ о дележе наследства
Умирал старый араб. Все его богатство состояло из 17 прекрасных белых верблюдов. Он собрал своих сыновей и объявил им свою последнюю волю: «Мой старший сын, опора семьи, должен получить после моей смерти половину верблюдов. Среднему сыну я завещаю треть всех верблюдов. Но и мой младший, любимый сын должен получить свою долю — одну девятую часть стада».
Сказав это, старый араб умер. Похоронив отца, три брата стали делить верблюдов. Но исполнить волю отца они не смогли: невозможно было разделить 17 верблюдов ни пополам, ни на три части, ни на девять частей. Но тут через пустыню проходил дервиш. Бедный, как все ученые, он вел с собой черного облезлого верблюда, нагруженного книгами. Братья обратились к нему за помощью. И дервиш сказал: «Выполнить волю вашего отца очень просто. Я дарю вам моего верблюда, а вы попробуйте разделить наследство». У братьев оказалось 18 верблюдов, и все разрешилось. Старший сын получил половину верблюдов – 9, средний – треть стада – 6 и младший сын получил свою долю – двух верблюдов.
Но 9, 6 и 2 дают 17, и после дележа оказался лишний верблюд — старый облезлый верблюд ученого. И дервиш сказал: «Отдайте мне назад моего верблюда за то, что я помог разделить вам наследство, а то мне придется самому тащить книги через пустыню».
Вот этот черный верблюд и подобен ферменту. Он сделал возможным такой процесс, который без него был бы немыслим, а сам остался без изменений. Это действительно основное свойство ферментов, да и вообще всякого катализатора. Ферменты – это прежде всего катализаторы.

Энергетический обмен
(диссимиляция, катаболизм)
Часть поступивших в клетку органических веществ окисляется кислородом до конечных продуктов распада – СО2 и Н2О, аммиак NH3, мочевина
При этом выделяется энергия!
1 г углеводов – 17,17 кДж
1 г жиров – 38,92 кДж
1г белков – 17,17 кДж

Энергетический обмен
Это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ.
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.
Сложные углеводы (крахмал, целлюлоза)
простые углеводы (глюкоза, фруктоза)
Жиры глицерин и жирные кислоты
Белки аминокислоты
Этот процесс называется пищеварением.

Второй этап – бескислородный (гликолиз).
Постепенное расщепление и окисление глюкозы с накоплением энергии в виде 2 молекул АТФ. Гликолиз происходит в цитоплазме клеток.
Он состоит из нескольких последовательных реакций превращения молекулы глюкозы в две молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) и две молекулы АТФ, в виде которой запасается часть энергии, выделившейся при гликолизе: С6Н12O6 + 2АДФ + 2Ф → 2С3Н4O3 + 2АТФ. Остальная энергия рассеивается в виде тепла.
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 дыхания. Вот почему в мышцах при больших нагрузках и нехватке кислорода образуется молочная кислота (С3Н6O3), которая накапливается в виде лактата. Появляется боль в мышцах. У нетренированных людей это происходит быстрее, чем у людей тренированных.

Третий этап – кислородный
Состоит из двух последовательных процессов:
цикла Кребса, названного по имени Нобелевского лауреата Ганса Кребса
окислительного фосфорилирования.
При кислородном дыхании пируват окисляется до СО2 и Н2О, а энергия, выделяющаяся при окислении, запасается в виде 36 молекул АТФ.
(34 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 или клеточное дыхание
Происходит, на внутренних мембранах митохондрий, в которые встроены молекулы-переносчики электронов.
В ходе этой стадии освобождается большая часть метаболической энергии.
Молекулы-переносчики транспортируют электроны к молекулярному кислороду.
Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть расходуется на образование АТФ.
Суммарная реакция энергетического обмена:
С6Н12O6 + 6O2 → 6СO2 + 6Н2O + 38АТФ.

Основная функция митохондрии – образование АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты).
Окисление органических веществ и образование небольших количеств АТФ происходит в отсутствие кислорода (анаэробное окисление, гликолиз).
На этом этапе подготавливается «топливо» для митохондрии.
Синтез основной массы АТФ осуществляется с потреблением кислорода и происходит на мембранах митохондрии.

Пластический обмен
(анаболизм, ассимиляция)
Поступившие в клетку аминокислоты, простые углеводы, глицерин и жирные кислоты «строят» новые молекулы белков, углеводов и жиров, свойственные данному организму
Они идут на строительство утраченных частей клеток, создание новых клеток
За счёт пластического обмена происходит рост, деление, развитие клеток и всего организма

Заключительная стадия обмена:
Конечные продукты обмена - углекислый газ СО2, аммиак NH3, вода Н2О, мочевина - попадают в кровь и выводятся из организма лёгкими и почками