Обмен веществ и преобразование энергии в клетке

1.

.

2.

Обмен веществ (метаболизм) –
совокупность биохимических реакций,
протекающих в клетке и обеспечивающих
процессы ее жизнедеятельности.
В ходе превращения веществ в клетках
образуются конечные продукты обмена,
которые могут быть токсичными для
организма и выводятся из него (например,
аммиак). Таким образом, все живые
организмы постоянно потребляют из
окружающей среды определенные вещества,
преобразуют их и выделяют в среду конечные
продукты.
В зависимости от общей направленности
процессов выделяют катаболизм и анаболизм.

3.

Пластический обмен (ассимиляция, или
анаболизм) — реакции образования сложных
органических веществ из простых, протекающие
с использованием энергии.

4.

На первом этапе транскрипции с цепочки ДНК снимается абсолютно точная
копия, в результате которой получается идентичная с исходной цепочка РНК.
Для такой информационной копии нужен катализатор, в роли которого
выступают ферменты, и источник питания, в случае синтеза белка — это АТФ.
Процесс синтеза происходит с высокой скоростью — в пределах одного
организма за минуту осуществляется до 60 000 связей на уровне пептидов.
Двойная цепочка ДНК расположена в ядре клетки в виде спирали. В начале
транскрипции она разматывается и на одной из частей начинается синтез иРНК,
так называемая информационная. Это одинарная цепь, точно повторяющая
структуру ДНК. Поэтому реакции биосинтеза белка называют
матричными. Вместо тимина, находящегося в нематричной цепочке ДНК, в
иРНК используется урацил. В качестве катализатора «работает» РНКполимераза.
Сложность возникает в том, что генов в молекуле ДНК очень много, а
копировать нужно только один из них, причем, строго определенный. То есть,
начинать снятие информации РНК должна не только в заданный момент, но и с
заданного места. Для исключения ошибок в начале каждого фрагмента ДНК
расположен специальный маркер, комбинация нуклеотидов под названием
«промотор». Копирование с такого маркера начинается и на таком же, но с
противоположной стороны, заканчивается. Конечный маркер получил название
«терминатор».

5.

Для построения нового белка в клетке должен быть набор необходимых
аминокислот, которые вырабатываются в организме, или получаются при
переваривании поступающей извне пищи. Это говорит о том, что для
полноценной деятельности организма питание должно быть полным и
сбалансированным, с достаточным количеством белка. Аминокислоты, в
основном, поступают после расщепления пищевого белка.
Поступающие аминокислоты переносятся специальными транспортными РНК,
которые реагируют на информацию в виде кодона, единицы генетического
кода. На аминокислоте должен быть соответствующий тринуклелеотид —
антикодон. На рибосоме закрепится только та аминокислота, код которой
подходит. На каждый элемент цепочки уходит 0,2 с. Именно на такое время
останавливается рибосома, движущаяся по цепочке иРНК.
Между аминокислотами, поступающими на рибосому на каждом
последующем участке, формируются пептидные связи. Они возникают
благодаря наличию в начале участка одной аминокислоты аминогруппы, а на
соответствующем конце соседней — карбоксильной группы. Связь возникает
прочная и неразрывная.
Белковая цепочка заканчивает формирование после контакта рибосомы к
определенным маркером, обозначающим конец этого этапа синтеза. Цепочка
аминокислот отрывается от иРНК и передвигается в цитоплазму, для
формирования вторичных и третичных структур. Процесс синтеза происходит
непрерывно, после перехода рибосомы на следующую позицию на ее место
тут же заступает другая и копирует цепочку с иРНК. Выполнившая свою
задачу рибосома переходит на другую РНК и формирует другой белок.

6.

Энергетический обмен – это
совокупность химических реакций
постепенного распада органических
соединений, сопровождающихся
высвобождением энергии, часть
которой расходуется на синтез АТФ.
Синтезированная АТФ становится
универсальным источником энергии
для жизнедеятельности организмов.
Она образуется в результате реакции
фосфорилирования – присоединения
остатков фосфорной кислоты к
молекуле АДФ. На эту реакцию
расходуется энергия, которая затем
накапливается в макроэргических
связях молекулы АТФ, при распаде
молекулы АТФ или при ее гидролизе
до АДФ клетка получает около 40
кДж энергии.

7.

• Подготовительный этап – во время него крупные пищевые полимерные молекулы
распадаются на более мелкие фрагменты. В желудочно-кишечном тракте многоклеточных
организмов он осуществляется пищеварительными ферментами, у одноклеточных –
ферментами лизосом. Полисахариды распадаются на ди- и моносахариды, белки – до
аминокислот, жиры – до глицерина и жирных кислот. В ходе этих превращений энергии
выделяется мало, она рассеивается в виде тепла, и АТФ не образуется. Образующиеся в
ходе подготовительного этапа соединения-мономеры могут участвовать в реакциях
пластического обмена (в дальнейшем из них синтезируются вещества, необходимые для
клетки) или подвергаться дальнейшему расщеплению с целью получения энергии.
• Большинство клеток в первую очередь используют углеводы, жиры остаются в первом
резерве и используются по окончания запаса углеводов. Хотя есть и исключения: в
клетках скелетных мышц при наличии жирных кислот и глюкозы предпочтение отдается
жирным кислотам. Белки расходуются в последнюю очередь, когда запас углеводов и
жиров будет исчерпан – при длительном голодании.

8.

• Бескислородный этап (гликолиз) –
происходит в цитоплазме клеток. Главным
источником энергии в клетке является
глюкоза. Ее бескислородное расщепление
называют анаэробным гликолизом. Он
состоит из ряда последовательных реакций
по превращению глюкозы в лактат. Его
присутствие в мышцах хорошо известно
уставшим спортсменам. Этот этап
заключается в ферментативном
расщеплении органических веществ,
полученных в ходе первого этапа. Так как
глюкоза является наиболее доступным
субстратом для клетки как продукт
расщепления полисахаридов, то второй этап
можно рассмотреть на примере ее
бескислородного расщепления – гликолиза

9.

• Гликолиз – многоступенчатый процесс бескислородного расщепления молекулы глюкозы, содержащей
шесть атомов углерода, до двух молекул пировиноградной кислоты (пируват). Реакция гликолиза
катализируется многими ферментами и протекает в цитоплазме клетки. В ходе гликолиза при
расщеплении одного моля глюкозы выделяется около 200 кДж энергии, 60 % ее рассеивается в виде
тепла, 40 % – для синтезирования двух молекул АТФ из двух молекул АДФ. При наличии кислорода в
среде пировиноградная кислота из цитоплазмы переходит в митохондрии и участвует в третьем этапе
энергетического обмена. Если кислорода в клетке нет, то пировиноградная кислота преобразуется в
животных клетках или превращается в молочную кислоту.
• В микроорганизмах, которые существуют без доступа кислорода – получают энергию в процессе
брожения, начальный этап аналогичен гликолизу: распад глюкозы до двух молекул пировиноградной
кислоты, и далее она зависит от ферментов, которые находятся в клетке – пировиноградная кислота
может преобразовываться в спирт, уксусную кислоту, пропионовую и молочную кислоту. В отличие от
того, что происходит в животных тканях, у микроорганизмов этот процесс носит название
молочнокислого брожения. Все продукты брожения широко используются в практической деятельности
человека: это вино, квас, пиво, спирт, кисломолочные продукты. При брожении, так же как и при
гликолизе, выделяется всего две молекулы АТФ.

10.

• Кислородный этап стал возможен после накопления в
атмосфере достаточного количества молекулярного
кислорода, он происходит в митохондриях клеток. Он
очень сложен по сравнению с гликолизом, это процесс
многостадийный и идет при участии большого количества
ферментов. В результате третьего этапа энергетического
обмена из двух молекул пировиноградной кислоты
формируется углекислый газ, вода и 36 молекул АТФ. Две
молекулы АТФ запасаются в ходе бескислородного
расщепления молекулами глюкозы, поэтому суммарный
энергетический обмен в клетке в случае распада глюкозы
можно представить как:
• С6Н12О6 + 6О2 + 38АДФ + 38Н3РО4 = 6СО2 + 44Н2О +
38АТФ
• В результате окисления одной молекулы глюкозы
шестью молекулами кислорода образуется шесть молекул
углекислого газа и выделяется тридцать восемь молекул
АТФ.
• Мы видим, что в трехэтапном варианте энергетического
обмена выделяется гораздо больше энергии, чем в
двухэтапном варианте – 38 молекул АТФ против 2.