оо. Лекция 8.Тема 7 Молекулярный уровень. Лекция Уровни организации биосистем. Молекулярный уровень. Энергетические процессы

• Название: Лекция Уровни организации биосистем. Молекулярный уровень. Энергетические процессы
• Дата: 22.10.2022
• Размер: 2.09 Mb.
• Имя файла: Лекция 8.Тема 7 Молекулярный уровень .docx
• Тип: Лекция; #748139

ТЕМА 7. Биосистемы.

Лекция 8. Уровни организации биосистем. Молекулярный уровень. Энергетические процессы.

1. 
   Определение понятия «жизнь».
   
2. 
   Основные признаки живого.
   
3. 
   Биологическая форма существования материи. 
   
4. 
   Уровни организации живой материи и принципы их выделения.
   

1. 
   Жизнь — активная форма существования материи, в некотором смысле высшая по сравнению с её физической и химической формами существования; совокупность физических и химических процессов, протекающих в клетке, позволяющих осуществлять обмен веществ и её деление (вне клетки жизнь не существует, вирусы проявляют свойства живой материи только после переноса генетического материала в клетку). Приспосабливаясь к окружающей среде, живая клетка формирует всё многообразие живых организмов. Основной атрибут живой материи — генетическая информация, используемая для репликации.
   

Живые организмы резко отличаются от неживых систем исключительной сложностью и высокой структурной и функциональной упорядоченностью. Эти отличия придают жизни качественно новые свойства. Живое представляет собой особую, высшую ступень развития материи.

2. 
   Основные признаки живого
   

1. 
   обмен веществ (это самый главный признак) 
   
2. 
   клеточное строение 
   
3. 
   негомогенность строения
   

Таблица 1. Основные свойства живых систем

Свойство	Проявление свойства
ЕДИНСТВО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА	Все живые организмы состоят из тех же химических элемен­тов, что и объекты неживой природы, но соотношение элементов в неживом и живом неодинаково. В живых организмах 98% химического состава приходится на четыре элемента: углерод, кислород, азот и водород
ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ	Все живые системы поглощают необходимые им вещества из внешней среды и выделяют в нее продукты жизнедеятельнос­ти; через них проходят потоки веществ и энергии. Обмен ве­ществ обеспечивает относительное постоянство химического состава организмов
РИТМИЧНОСТЬ	Периодические изменения интенсивности физиологических функций с различными периодами колебаний (суточные, сезонные ритмы): ритмичность обеспечивает согласование функций организма с окружающей средой, т.е. приспособление к периодически изменяющимся условиям существования.
САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ, ИЛИ РАЗМНОЖЕНИЕ	Самовоспроизведение или репродукция, размножение – свойство организмов воспроизводить себе подобных; - обеспечивает поддержание жизни любо­го вида и жизни вообще; в его основе лежит образование но­вых молекул и структур, обусловленное информацией, зало­женной в ДНК
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ	Проявляется в способности организмов обеспечивать передачу признаков, свойств, особенностей развития из поколения в по­коление
ИЗМЕНЧИВОСТЬ	Способность организмов приобретать новые признаки и свойства, в основе которой лежит изменение молекул ДНК, что создает разнообразный материал для естественного отбора
РОСТ И РАЗВИТИЕ	Рост выражается в увеличении размеров и массы с сохранением общих черт строения и сопровождается развитием — возник­новением нового качественного образования. Развитие представлено индивидуальным развитием организмов или ОНТОГЕНЕЗОМ, и историческим развитием видов, или ФИЛОГЕНЕЗОМ. Онтогенез сопровождается ростом. В процессе развития постепенно и последовательно возникает специфическая структурная организация индивида, а увеличение его массы обусловлено репродукцией макромолекул, элементарных структур клеток и самих клеток. Филогенез, или эволюция в целом, - это необратимое направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Результатом эволюции является все многообразие живых организмов на Земле.
РАЗДРАЖИМОСТЬ	Проявляется в реакциях живых организмов на внешние воз­действия; организмы избирательно реагируют на условия ок­ружающей среды
ДИСКРЕТНОСТЬ	Любая биологическая система (клетка, организм, популяция и пр.) состоит из отдельных, но взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное един­ство
САМОРЕГУЛЯЦИЯ	Выражается в способности живых организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность физиологических процессов

Вся жизнь на Земле упорядочена и имеет сложную иерархию от простого к сложному – уровни организации живой природы. Уровень жизни – это форма и способ ее существования.

3. Уровни организации живой материи - иерархически соподчинённые уровни организации биосистем, отражающие уровни их усложнения. Чаще всего выделяют семь основных структурных уровней жизни: 

Уровень	Элементы системы	Процессы
Молекулярный (молекулярно-генетический)	Атомы, молекулы органических и неорганических соединений, биополимеры – ДНК, РНК, белки, липиды, углеводы	Обмен веществ и превращение энергии, передача генетической информации
Клеточный	Органоиды (органеллы) клетки, комплексы химических соединений	Синтез органических соединений, транспорт химических веществ, деление
Тканевый	Специфичные клетки, межклеточное вещество	Обмен веществ, рост, раздражимость, чувствительность, проводимость и т.д.
Органный	Разнотипные ткани, образующие органы	Работа органов в зависимости от назначения: движение, газообмен, возбудимость, пищеварение и т.д.
Организменный (онтогенетический)	Системы органов, образующие многоклеточный организм – отдельную функциональную структуру животного или растительного происхождения	Гармоничное функционирование всех органов в результате нервно-гуморальной регуляции
Популяционно-видовой	Группы родственных особей, объединённые в популяции. Несут единый генофонд, выделяются одинаковыми морфологическими и поведенческими признаками, занимают определённый ареал	Организация сообществ, взаимодействия между отдельными особями, адаптация к изменяющимся условиям, накопление генетической информации, эволюция
Биогеоценотический	Различные популяции, факторы среды	Взаимосвязь между популяциями и окружающей средой. Круговорот веществ и поток энергии.
Биосферный	Биогеоценоз, деятельность человека (ноосфера)	Взаимодействие живой и неживой материи, круговорот веществ в природе, воздействие человека на биосферу

Каждый уровень организации имеет свои закономерности. Для изучения отдельного уровня выделены специализированные направления биологии. Например, начальный уровень изучают молекулярная биология и биохимия, клетку исследует цитология, ткани – гистология, популяции и их взаимодействие с окружающей средой – экология.

2. Молекулярно-генетический уровень организации материи.





Пластический и энергетический обмен.

Кратко общий процесс метаболизма можно разделить на три этапа:

• 
  ферментативный (подготовительный) – при участии ферментов расщепляются поступившие из внешней среды белки, жиры, углеводы до более простых соединений;
  
• 
  метаболический (основной) – расщеплённые вещества переносятся током крови к каждой клетке организма, где происходит образование энергии в виде молекул АТФ и синтез веществ (клеточный метаболизм);
  
• 
  выделительный (заключительный) – продукты распада (углекислый газ, вода, аммиак) выводятся из организма посредством крови через выделительные органы и лёгкие.
  

Каждый день в организме происходят сложные процессы пластического и энергетического обмена. Чтобы организм смог использовать белки, жиры, углеводы, они должны пройти сложный путь. В таблице описаны процессы и функции веществ.

Виды обмена	Процессы	Значение
Белковый	Катаболизм – расщепление до аминокислот, анаболизм – синтез специализированных белков в цитоплазме клетки	Белки входят в состав ферментов, гормонов, антител. Являются основным строительным материалом организма. Конечными продуктами расщепления аминокислот являются вода, углекислый газ, аммиак
Углеводный	Катаболизм – распад гликогена (гликогенолиз), а затем глюкозы (гликолиз). Анаболизм – синтез гликогена (гликогеногенез)	Глюкоза является главным источником энергии, при избытке запасается в виде гликогена. Регулирует нормальную работу мозга. Конечные продукты расщепления – углекислый газ, вода
Жировой	Катаболизм – распад до жирных кислот и глицерина (липолиз), анаболизм – образование жирных кислот (липогенез)	Жиры являются источником энергии. Входят в состав клеточных мембран. Конечные продукты распада – углекислый газ, вода

Оба процесса происходят одновременно и находятся в равновесии. Вещества, участвующие в анаболизме и катаболизме, поступают из внешней среды. Для нормального протекания метаболизма в животной клетке необходимы белки, жиры, углеводы, кислород, вода. В растения должны поступать вода, кислород и солнечный свет.

Диссимиляция может происходить в присутствии или в отсутствии кислорода.
По отношению к кислороду все организмы делятся на два типа:

• 
  аэробы – живут только в присутствии кислорода (животные, растения, некоторые грибы);
  
• 
  анаэробы – могут существовать в отсутствии кислорода (некоторые бактерии и грибы).
  

При поглощении кислорода происходит процесс окисления, и сложные вещества распадаются на более простые. В бескислородной среде происходит брожение. В результате двух этих процессов высвобождается большое количество энергии.

1. 
   Подготовительный этап
   

Осуществляется ферментами, в результате действия которых, сложные вещества превращаются в более простые: полимеры распадаются на мономеры. Это сопровождается разрывом химических связей и выделением энергии, большая часть которой рассеивается в виде тепла.

Под действием ферментов белки расщепляются на аминокислоты, жиры - на глицерин и жирные кислоты, сложные углеводы - до простых сахаров.

2. 
   Бескислородный этап (анаэробный) – гликолиз
   

Этот этап является последним для организмов-анаэробов, обитающих в условиях, где кислород отсутствует. На этапе гликолиза происходит расщепление молекулы глюкозы: образуется 2 молекулы АТФ и 2 молекулы пировиноградной кислоты (ПВК). Происходит данный этап в цитоплазме клеток.

3. 
   Кислородный этап (аэробный)
   

Этот этап доступен только для аэробов - организмов, живущих в кислородной среде. Из каждой молекулы ПВК, образовавшейся на этапе гликолиза, синтезируется 18 молекул АТФ - в сумме с двух ПВК выход составляет 36 молекул АТФ.

Таким образом, суммарно с одной молекулы глюкозы можно получить 38 АТФ (гликолиз + кислородный этап).

Кислородный этап протекает на кристах митохондрий (складках, выпячиваниях внутренней мембраны), где наибольшая концентрация окислительных ферментов. Главную роль в этом процессе играет так называемый цикл Кребса, который подробно изучает биохимия.



ФОТОСИНТЕЗ

В растениях фотосинтез является анаболизмом, а дыхание – катаболизмом. В процессе фотосинтеза образуется глюкоза, которая запасается в качестве энергии и расходуется на построение организма. Дыхание или окисление способствует высвобождению энергии путём расщепления глюкозы до воды и углекислого газа, которые в дальнейшем используются в процессе фотосинтеза.





Светозависимая фаза (световая)

Эта фаза происходит только на свету на мембранах тилакоидов в хлоропластах. В ней принимают участие различные ферменты, белки-переносчики, молекулы АТФ-синтетазы и зеленый пигмент хлорофилл.

Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачи энергии. При воздействии кванта света хлорофилл теряет электрон, переходя в возбужденное состояние. С помощью переносчиков электроны скапливаются с наружной поверхности мембраны тилакоидов, тем временем внутри тилакоида происходит фотолиз воды (разложение под действием света):

H₂O --> H⁺ + OH^-

Гидроксид-ионы отдают лишний электрон, превращаясь в реакционно способные радикалы OH, которые собираются вместе и образуют молекулу воды и свободный кислород (это побочный продукт, который в дальнейшем удаляется в ходе газообмена).

4OH --> 2H₂O + O₂↑

Образовавшиеся при фотолизе воды протоны (H⁺) скапливаются с внутренней стороны мембраны тилакоидов, а электроны - с внешней. В результате по обе стороны мембраны накапливаются противоположные заряды.

При достижении критической разницы, часть протонов проталкивается на внешнюю сторону мембраны через канал АТФ-синтетазы. В результате этого выделяется энергия, которая может быть использована для фосфорилирования молекул АДФ:


Протоны, попав на поверхность мембраны тилакоидов, соединяются с электронами и образуют атомарный водород, который используется для восстановления молекулы-переносчика НАДФ (никотинамиддинуклеотидфосфат). Благодаря этому окисленная форма - НАФД⁺ превращается в восстановленную - НАДФ∗H₂.

Предлагаю создать квинтэссенцию из полученных нами знаний. Итак, в результате светозависимой фазы фотосинтеза образуются:

• 
  Свободный кислород O₂ - в результате фотолиза воды
  
• 
  АТФ - универсальный источник энергии
  
• 
  НАДФ∗H₂ - форма запасания атомов водорода
  

Кислород удаляется из клетки как побочный продукт фотосинтеза, он совершенно не нужен растению. АТФ и НАДФ∗H₂ в дальнейшем оказываются более полезны: они транспортируются в строму хлоропласта и принимают участие в светонезависимой фазе фотосинтеза.
Светонезависимая (темновая) фаза

Светонезависимая фаза происходит в строме (матриксе) хлоропласта постоянно: и днем, и ночью - вне зависимости от освещения.

При участии АТФ и НАДФ∗H₂ происходит восстановление CO₂ до глюкозы C₆H₁₂O₆. В светонезависимой фазе происходит цикл Кальвина, в ходе которого и образуется глюкоза. Для образования одной молекулы глюкозы требуется 6 молекул CO₂, 12 НАДФ∗H₂ и 18 АТФ.


Таким образом, в результате темновой (светонезависимой) фазы фотосинтеза образуется глюкоза, которая в дальнейшем может быть преобразована в крахмал, служащий для запасания питательных веществ у растений.

Метаболизм включает энергетический и пластический обмен. В результате первого процесса образуются простые вещества, второй процесс направлен на создание сложных органических веществ, участвующих в катаболизме. Оба процесса параллельны и проходят с затратой энергии.
АТФ

В биологии АТФ – это источник энергии и основа жизни. АТФ – аденозинтрифосфат – участвует в процессах метаболизма и регулирует биохимические реакции в организме. Аденозинтрифосфат или аденозинтрифосфорная кислота – нуклеотид, состоящий из трёх частей:

аденина – пуринового азотистого основания; рибозы – моносахарида, относящегося к пентозам; трёх остатков фосфорной кислоты.

Фосфатные группы соединены между собой высокоэнергетическими связями, которые легко разрушаются. При гидролизе (взаимодействии с водой) связи фосфатной группы распадаются, высвобождая большое количество энергии, а АТФ превращается в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту).

Условно химическая реакция выглядит следующим образом:

АТФ + Н2О → АДФ + Н3РО4 + энергия

Часть высвободившейся энергии (около 40 кДж/моль) участвует в анаболизме (ассимиляции, пластическом обмене), часть – рассеивается в виде тепла для поддержания температуры тела. При дальнейшем гидролизе АДФ отщепляется ещё одна фосфатная группа с высвобождением энергии и образованием АМФ (аденозин-монофосфата). АМФ гидролизу не подвергается.

АТФ располагается в цитоплазме, ядре, хлоропластах, в митохондриях. Синтез АТФ в животной клетке происходит в митохондриях, а в растительной – в митохондриях и хлоропластах.

АТФ образуется из АДФ и фосфата с затратой энергии. Такой процесс называется фосфорилированием:

АДФ + Н3РО4 + энергия → АТФ + Н2О



В растительных клетках фосфорилирование происходит при фотосинтезе и называется фотофосфорилированием. У животных процесс протекает при дыхании и называется окислительным фосфорилированием.

Помимо энергетической аденозинтрифосфорная кислота выполняет другие функции:

• 
  является материалом для синтеза нуклеиновых кислот;
  
• 
  является частью ферментов и регулирует химические процессы, ускоряя или замедляя их протекание;
  
• 
  является медиатором – передаёт сигнал синапсам (местам контакта двух клеточных мембран)
  

ВИТАМИНЫ

Важную роль в метаболизме играют витамины – органические соединения, участвующие во многих химических реакциях организма. Они являются катализаторами, антиоксидантами, способствуют транспортировке веществ в клетку и образованию сигнальных молекул, реагирующих на изменение окружающей среды.

Витамины не синтезируются клетками и поступают в организм вместе с пищей. Исключениями являются витамины D, К и В3. Витамин D синтезируется в коже под действием ультрафиолетовых лучей, а К и В3 синтезируют бактерии кишечника.

Витамины являются катализаторами обменных процессов, не входят в состав тканей и не являются источником энергии. К витаминам не относятся микроэлементы и незаменимые аминокислоты.

Кратко о витаминах можно выделить несколько тезисов:

• 
  обозначаются латинскими буквами, за которыми стоят названия органических веществ;
  
• 
  при недостатке развивается гиповитаминоз;
  
• 
  при избытке развивается гипервитаминоз;
  
• 
  долгое отсутствие витаминов вызывает авитаминоз;
  
• 
  суточная потребность колеблется от 1,5 мкг до 600 мг в зависимости от витамина;
  
• 
  детям и подросткам некоторые витамины требуются в переизбытке, т.к. интенсивно происходят рост и развитие организма;
  
• 
  требуются в течение всей жизни.
  

Витамины делятся на два вида:

• 
  водорастворимые – не накапливаются, избытки вымываются водой (С, группы В);
  
• 
  жирорастворимые – могут накапливаться в организме в жировой ткани (К, А, Е, D).
  

Общее действие, норма и нахождение в продуктах представлено в таблице “Витамины”.

Название	Действие	Суточная норма	Где находятся
А – ретинол	Формирует иммунную систему, влияет на рост волос, когтей, способствует эластичности кожи	900 мкг	Печень, молочные продукты, яичный желток
В1 – тиамин	Помогает извлекать энергию из углеводов, способствует развитию нервной системы	1,5 мг	Бобовые, фундук, свинина
В2 – рибофлавин	Участвует в обмене веществ, входит в состав слизистых оболочек	1,8 мг	Куриная печень, молочные продукты
В3, РР – ниацин	Влияет на уровень холестерина, улучшает память	20 мг	Зелёные овощи, курятина, орехи, субпродукты
В4 – холин	Способствует обмену жиров, прохождению нервных импульсов, регулирует уровень инсулина и холестерина	550 мг	Рис, овсянка, проросшие зёрна пшеницы, шпинат, печень, молоко
В5 – пантотеновая кислота	Участвует в белковом и жировом обмене	5 мг	Рис, дрожжи, субпродукты
В6 – пиридоксин	Участвует в обмене веществ и кровообращении	2 мг	Отруби, капуста
В7, Н – биотин	Регулирует белковый и жировой баланс, участвует в синтезе ферментов	50 мкг	Печень, яйца, сыр, мясо, зелёный горошек, яблоки, картофель
В9 – фолацин	Влияет на передачу генетической информации и уровень гемоглобина	400 мкг	Зелёные овощи, яйца, бананы, орехи
В12 – цианокобаламин	Участвует в кроветворении, поддерживает уровень гемоглобина	3 мкг	Морепродукты, морская капуста, икра, творог
С – аскорбиновая кислота	Влияет на образование коллагена, способствует защитной реакции организма, делает кровеносные сосуды эластичными	90 мг	Смородина, черёмуха, цитрусовые, шиповник, капуста
Группа D – эргокальциферол, холекальциферол, дигидротахистерол	Участвует в формировании и росте костей, способствует развитию зубов	15 мкг	Солнечный свет, растительное масло, рыба, яйца
Е – токоферолы	Делает непроницаемыми мембраны клеток, способствует кровообращению, участвует в формировании мышц	15 мг	Растительные масла, орехи
К – филлохинон	Способствует свёртываемости крови	120 мкг	Цветная капуста, шпинат, куриное мясо

Витамины не синтезируются клетками и поступают в организм вместе с пищей. Исключениями являются витамины D, К и В3. Витамин D синтезируется в коже под действием ультрафиолетовых лучей, а К и В3 синтезируют бактерии кишечника.

Витамины являются катализаторами обменных процессов, не входят в состав тканей и не являются источником энергии. К витаминам не относятся микроэлементы и незаменимые аминокислоты.

Бета-каротин находится в овощах (морковь, петрушка, перец) и является предшественником ретинола, а триптофан (аминокислота) – ниацина. Попав в организм, бета-каротин синтезирует витамин А, как триптофан – витамин В3.

Несмотря на то, что витамины поступают в организм исключительно из внешней среды, они играют значительную роль в метаболизме. Без витаминов нарушается работа систем органов, ослабевает иммунитет, развиваются различные заболевания.

Витамины выполняют следующие функции в организме человека:

• 
  участвуют в обменных процессах в составе ферментов и гормонов;
  
• 
  обладают антиоксидантными свойствами, защищая организм от воздействия свободных радикалов;
  
• 
  участвуют в синтезе гормонов;
  
• 
  регулируют работу систем органов;
  
• 
  способствуют усвоению веществ и элементов.
  

Тема следующей лекции: «Пластический обмен. Биосинтез белка.»