Обмен веществ - краткая теория. обмен веществ. Обмен веществ
 Скачать 23.46 Kb.
|
|
ОБМЕН ВЕЩЕСТВ Обмен веществ - процесс поступления биохимических превращений и выведения веществ из клетки. Включает в себя энергетический и пластический обмен. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН (диссимиляция, катаболизм) - совокупность реакций расщепления в результате которой выделяется энергия и запасается в виде АТФ. Происходит в лизосоме, гиалоплазме и митохондриях. ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН (ассимиляция, анаболизм) - совокупность реакций синтеза, которые протекает с за тратой энергии АТФ. В процессе ПО синтезируются органические вещества, необходимые клетке. ПО осуществляется на мембранах ЭПС, хлоропластах и ядре. К ПО относят: репликации ДНК, биосинтез белка, фотосинтез, хемосинтез и др. Пластический и энергетический обмены тесно взаимосвязаны: пластический обмен поставляет аналитическому ферменты, необходимые для расщепления, а энергетический пластическому - энергию и мономеры, например, аминокислоты для синтеза белков. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН ЭТАПЫ: подготовительный, гликолиз (бескислородный этап (анаэробный), кислородный (аэробный, тканевое дыхание). Энергетический обмен в клетке разбит на этапы во времени и пространстве, чтобы не допустить перегревания клетки. Подготовительный этап Происходит в лизосомах, так же в пищеварительном тракте многоклеточных животных при наличии ферментов. Полимеры расщепляются до мономеров (белки до аминокислот, нуклеиновые кислоты до нуклеотидов, полисахариды до моносахаридов, жиры до глицерина и жирных кислот.). При этом выделяется энергия, которая рассеивается в виде тепла. АТФ на подготовительной этапе не образуется. Подготовительный этап поставляет мономеры для пластического обмена и готовит вещества к дальнейшему расщеплению. Гликолиз У аэробов гликолиз предшествует кислородом этапу. Происходит в гиалоплазме. Гликолиз — это простейшая форма образования и аккумулирования энергии в макроэргических связях АТФ. Молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты(C3H4O3) или на две молекулы молочной кислоты(C3H6O3) (особенно в клетках мышц) C6H12O6 + 2АДФ + 2H3PO4 = 2C3H6O3 + 2АТФ + 2H2O (суммарное уравнение гликолиза) (пировиноградная может восстанавливаться до молочной) Во время гликолиза выделяется около 200 кДж энергии, часть которой расходуется на синтез двух молекул АТФ - 80 кДж, а часть рассеивается в виде тепла 120 кДж. Гликолиз имеет чрезвычайно большое физиологическое значение, несмотря на его низкую эффективность. В условиях дефицита кислорода организмом благодаря гликолизу может получать энергию. И вдобавок конечные продукты - пировиноградная и молочная кислоты-в аэробных условиях подвергаются дальнейшему ферментативного расщеплению. Существуют другие способы преобразования глюкозы без доступа кислорода с аккумуляцией энергии в виде АТФ - брожение. Типы брожения: спиртовое (дрожжи, бактерии), молочнокислое (молочное кислые бактерии). При всех видах брожения образуются 2 молекулы АТФ. Кислородный этап Происходит в митохондриях. Органические соединения, которые образовались в бескислородном этапе, окисляются до конечных продуктов - CO2, H2O. В кислородном этапе выделяют цикл Кребса и окислительное фосфорилирование. Цикл Кребса - происходит в строме митохондрий при наличии ферментов. Пировиноградная кислота включается в цикл Кребса - цикл ферментативных реакций. Во время цикла Кребса образуется углекислый газ, который выводится из клетки и атомы водорода, которые связываются с переносчиками водорода - НАД. В результате образуется восстановленная форма - НАД2H. Окислительное фосфорилирование - осуществляется на мембранах крист митохондрий, где располагается ряд ферментов в определённой последовательности. НАД2H поступает на мембранах крист, где при помощи ферментов атомы водорода расщепляются на протоны водорода и электроны H° -> H+ + e. Протоны закачиваются в межмембранное пространство митохондрий, в «протонный резервуар». Внутренняя мембрана непроницаема для ионов водорода. Электроны поступают на электронно-транспортную цепь (ЭТЦ), образованную ферментами, встроенными в мембрана крист. Последним акцептором электронов является молекулярный кислород, диффундировавший из атмосферы: 1/2O2 + 2e -> O2- Образовавшиеся анионы кислорода скапливаются на внутренней стороне мембраны крист. По разные стороны мембраны крист накапливаются разноимённые заряды: Н+ - в межмембранном пространстве - «протонном резервуаре», О-2 - на противоположной стороне мембраны. В связи с избирательной проницаемостью мембраны на ней возникает электрическое поле. При напряжении 200 мВ в ферменте АТФ-синтеза, встроенном в мембрану крист, открывается протонный канал. Через каналы протоны водорода проникают на противоположную сторону мембраны и взаимодействуют с анионами кислорода с образованием воды: 2Н+ + О2- = Н2О При этом электрическое поле разряжается, а его энергия используется для восстановления АТФ (окислительное фосфорилирование). 2C3H6O3 + 6O2 + 36АДФ + 36 Н3РО4 = 6СО2 + 36АТФ + 36Н2О (суммарное уравнение кислородного этапа) С6Н12О6 + 6О2 + 38АДФ + 38Н3РО4 = 6СО2 + 38АТФ + 44Н2О (суммарное уравнение энергетического обмена) Выделяется почти 2,8тыс. кДж энергии: 1596 кДж (55%) – запасается в виде макроэргических связей АТФ, оставшиеся (45%) рассеиваются в виде тепла. ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН ФОТОСИНТЕЗ - процесс преобразования энергии света в энергию хим. связей органических веществ. Характерен для зелёных растений, сине-зелёных водорослей, некоторых бактерий. Фотосинтез осуществляется при помощи пигментов: хлорофиллы, каротиноиды, фикобелины. Пигменты образуют фотосистемы. В фотосистеме есть реакционный центр (образован одной молекулой хлорофилла) и антенные молекулы, которые фокусируют свет на реакционном центре. У зелёных растений фотосистемы встроены в мембраны гран хлоропластов. Выделяют 2 фазы фотосинтеза: Световая фаза – происходит только на свету Темновая фаза – в свете не нуждается, происходит после световой. Световая фаза осуществляется на мембранах гран хлоропластов. Квант света попадает на фотосистему-1 (ФС-1). На внешнем энергетическом уровне магния (входит в состав хлорофилла) находятся 2 электрона, которые, получив энергию света, переходят на более высокий энергетический уровень. Электроны подхватываются переносчиками электронов и используются на восстановление НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат): НАДФ + 2Н+ + 2е = НАДФ*2Н В ФС-1 возникает дефицит электронов, который пополняется за счёт фотосистемы 2. Квант света, попадая на фотосистему 2, выбивает электроны из реакционного центра. Электроны поступают на электронно-транспортную цепь (ЭТЦ) и перемещаются в ФС-2. При этом электроны теряют энергию, которая используется на восстановление АТФ – фотофосфорилирование. Дефицит электронов в фотосистеме 2 восстанавливается за счёт фотолиза воды – расщепление воды на свету Н2О = 2Н+ + 2е + 1\2О2 Результат световой фазы: Восстановление НАДФ Восстановление АТФ Фотолиз воды Молекулярный кислород диффундирует в атмосферу, НАДФ*2Н и АТФ используются в темновой фазе. Темновая фаза фотосинтеза протекает в строме хлоропласта. Углекислый газ, поступивший из атмосферы, заключается в цикл Кальвина. В результате цикла ферментативных реакций происходит синтез глюкозы с участием НАДФ*2Н и использованием энергии АТФ. Суммарное уравнение темновой фазы: 6СО2 + 12НАДФ*Н2 + 18 АТФ C6H12O6 + 6H2O Суммарное уравнение фотосинтеза: 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 Космическая роль зелёных растений: «Консервируют» солнечную энергию в энергию химических связей органических веществ. Формируют атмосферу планеты, поглощая СО2 и выделяя О2. Синтезируют органические вещества из неорганических. В биогеоценозах выполняют роль продуцентов. Весь кислород в атмосфере имеет фотосинтетическое происхождение. Фотосинтез, который происходит с выделением О2, называется оксигенный. У бактерий фотосинтез происходит без фотолиза воды и выделения молекулярного кислорода. Например, у некоторых серобактерий источником катионов водорода является сероводород. В результате фотолиза сероводорода выделяется свободная сера. Такой фотосинтез – анаэробный. ХЕМОСИНТЕЗ Хемосинтез - процесс преобразования энергии химических реакций в энергию химических связей. Виноградский. Характерен для некоторых бактерий: нитрифицирующих, железо бактерий и др. Древний способ автотрофного синтеза. Путь преобразования энергии при хемосинтезе: окисления неорганических веществ -> выделение энергии, которая преобразуется в АТФ -> синтез органических веществ с использованием АТФ. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитритов, а потом до нитритов. Бесцветный серо бактерии окисляют сероводород и прочие соединения серы до серной кислоты. Железо бактерии принимают участие в образовании залежей железных руд, окисляют соединения двухвалентного железа до трёхвалентного. Роль хемосинтез в природе: круговорот азота, повышение плодородия почвы, залежи полезных ископаемых, пищевой и коровой белок, биологическая очистка воды, участие в биогеохимических циклах (круговорот веществ). |