Обмен веществ и энергии в клетке. Энергетический обмен.

Общая характеристика обмена веществ и энергии. Обмен веществ и энергии, или метаболизм (от греч. metabole – перемена), – процесс, который лежит в основе всех явлений жизни.

Все известные науке живые организмы представляют собой открытые системы, постоянно обменивающиеся веществом и энергией с окружающей средой. Энергия нужна для биосинтеза сложных органических веществ, свойственных каждой клетке (аминокислоты, сахара, нуклеотиды, липиды, белки, нуклеиновые кислоты), которые используются для построения различных клеточных структур и обеспечения процессов жизнедеятельности. Для получения энергии многие живые организмы расщепляют и окисляют сложные органические соединения.Клетка, так же как и организм, – открытая живая система, поэтому она может функционировать только в условиях постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой.

Обмен веществ осуществляется в три этапа:

•поступление веществ в клетку;

•использование этих веществ клеткой;

•выделение конечных продуктов обмена в окружающую среду.

Процесс использования поступивших в клетку веществ представляет собой совокупность всех химических реакций, протекающих в клетке. Различают две стороны обменных процессов: пластический и энергетический обмены.

Пластический обмен, или анаболизм (от греч. anabole – подъем), представляет собой совокупность реакций биосинтеза (фотосинтез, биосинтез белка, хемосинтез), протекающих с затратами энергии и обеспечивающих клетку структурным материалом. Энергетический обмен, или катаболизм (от греч. katbole – сбрасывание, разрушение), – это совокупность биохимических реакций расщепления и окисления сложных органических веществ, обеспечивающих клетку энергией.Пластический и энергетический обмены неразрывно связаны между собой: все реакции пластического обмена требуют затрат энергии, накопленной в процессе энергетического обмена, а для протекания реакций энергетического обмена необходимы органические вещества и ферменты (образуемые в процессе пластического обмена).

Энергетический обмен. Все организмы получают энергию в результате окисления органических соединений. Окислением называют потерю электронов каким-либо атомом или потерю атомов водорода молекулой, а также присоединение к молекуле атомов кислорода. Реакции окисления сопровождаются выделением энергии. Особенно много энергии выделяется при окислении органических соединений, так как в их молекулах электроны находятся на высоких энергетических уровнях, а значит, обладают большим запасом энергии.

Фотосинтез – процесс пластического и энергетического обменов. Хемосинтез.

Фотосинтез, общая характеристика. Все органические вещества, встречающиеся в живой природе, – продукты жизнедеятельности автотрофных организмов, синтезируемых ими из неорганических веществ. Такой процесс называется фотосинтезом. Основная роль в нем принадлежит фотосинтезирующим организмам, главным образом зеленым растениям, использующим для фотосинтеза энергию солнечного света, которая поглощается зеленым пигментом – хлорофиллом. Кроме зеленых растений, к фотосинтезу способны некоторые прокариоты: цианобактерии (синезеленые), пурпурные и зеленые бактерии.В ходе фотосинтеза создаются органические вещества, необходимые для жизни и самих фотосинтетиков, и гетеротрофных организмов. Световая энергия в процессе фотосинтеза превращается в доступную для всех организмов энергию химических связей органических веществ, запасаемую в продуктах фотосинтеза (простые углеводы, крахмал и другие полисахариды). В процессе фотосинтеза зеленые растения и цианобактерии выделяют кислород, который используется при дыхании организмов (зеленые и пурпурные бактерии кислород не выделяют).

В фотосинтезе участвуют пигменты (зеленые – хлорофилл, желтые – каротиноиды), ферменты и другие соединения, упорядоченно расположенные на выростах внутренней мембраны – тилакоидах или в стреме хлоропласта. Тилакоиды представляют собой уплощенные замкнутые мембранные мешочки, которые как бы накладываются друг на друга и образуют структуры – граны, напоминающие стопки монет.

Фазы фотосинтеза. У растений в процессе фотосинтеза выделяют две последовательные фазы – световую и темновую. Световая фаза фотосинтеза происходит на свету и только на внутренних мембранах хлоропласта – в тилакоидах, в которые встроены молекулы хлорофилла. В реакциях световой фазы участвуют хлорофилл, вода, ферменты и молекулы-переносчики, встроенные в мембраны.Молекулы хлорофилла поглощают свет, электроны их атомов приходят в возбужденное состояние и перескакивают на орбитали, удаленные от ядра. Вследствие этого связь электронов с ядром ослабевает. Затем электроны подхватываются молекулами-переносчиками и выносятся на наружную сторону мембраны тилакоида.

Темновая фаза

Эта фаза протекает в строме хлоропласта. Для ее реакций не нужна энергия света, поэтому они происходят не только на свету, но и в темноте. Реакции темновой фазы представляют собой цепочку последовательных преобразований углекислого газа (поступает из воздуха), приводящую к образованию глюкозы и других органических веществ.

Значение фотосинтеза. Значение фотосинтеза столь велико, что можно сказать: от него зависит жизнь на нашей планете. Космическая роль фотосинтеза объясняется тем, что это процесс на Земле, идущий в глобальном масштабе и связанный с превращением энергии солнечного излучения в энергию химических связей сложных органических веществ. Эта космическая энергия, запасаемая зелеными растениями, и составляет основу жизнедеятельности всех организмов – от бактерий до человека. Важно, что в процессе фотосинтеза образуется молекулярный кислород, который выделяется в атмосферу. В настоящее время в результате сжигания топлива на нашей планете ежегодно расходуется огромное количество кислорода. И только благодаря фотосинтезу поддерживается его необходимое содержание в атмосферном воздухе.Кроме того, вследствие фотосинтеза, протекающего сотни миллионов лет, на Земле накопились запасы каменного угля. Фотосинтез препятствует увеличению концентрации углекислого газа в атмосфере, предотвращая перегрев атмосферы Земли вследствие так называемого парникового эффекта.

Ген и генетический код

Понятие «ген». Белки – важнейший компонент живой клетки, они составляют самую большую по массе часть органических веществ клетки и обеспечивают уникальность ее химического состава, структурной организации и функциональной активности. Клетки каждого организма имеют свой специфический набор белков. Он отличается от набора белков, характерного для клеток другого организма. Информация о том, какие белки должны синтезироваться в клетках данного организма, хранится в хромосомах, а именно в ДНК. Наследственная информация существует в виде последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Участок молекулы ДНК, в котором закодирована информация о первичной структуре одного белка, получил название ген. Термин «ген» (от греч. genos – рождение, образующий) предложил в 1909 г. датский биолог В. Иогансен (взамен ранее употребляемых понятий «наследственный зачаток», «наследственный фактор»). Существует несколько определений понятия «ген», но наиболее приемлемое следующее. Ген – элементарная единица наследственности, представляющая собой участок молекулы ДНК, который содержит информацию о первичной структуре одного белка. Гены в хромосомах расположены линейно. Одни из них кодируют белки, другие несут информацию о рРНК и тРНК. Кроме того, есть гены, которые ничего не кодируют, а контролируют функцию других генов. Есть «молчащие» гены, функции которых не проявляются.

Генетическим код. Благодаря специальным исследованиям было доказано, что нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) и белок – универсальные определяющие факторы наследственности.Впервые американский биохимик М. Ниренберг получил искусственно синтезированную РНК, состоящую сплошь из одинаковых нуклеотидов, содержащих только одно азотистое основание – урацил. При помещении ее в специальный аппарат был получен белок, образованный из одной аминокислоты – фенилаланина. В результате был сделан вывод, что цепочка, состоящая из последовательности нуклеотидов, которые содержат только азотистое основание урацил, определяет синтез молекулы белка, образованной только молекулами аминокислоты фенилаланина. Вскоре удалось найти сочетания нуклеотидов, кодирующих все 20 аминокислот, и расшифровать так называемый генетический код.Генетический код – это определенная система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Сущность генетического кода заключается в том, что каждой аминокислоте в белковой молекуле соответствует участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов – триплет (или кодон).

Вспомним, что каждая из двух цепей молекулы ДНК построена из нуклеотидов четырех типов, в состав которых входят четыре разных азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц). Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь. Названия нуклеотидов условно обозначают начальными буквами соответствующих азотистых оснований. С помощью этого четырехбуквенного алфавита «записывается» вся информация о множестве различных белковых молекул.

Свойства генетического кода. Для генетического кода характерны определенные свойства. Триплетность, т. е. код триплетен. Это означает, что число нуклеотидов, кодирующих одну аминокислоту, равно 3. Избыточность (или вырожденность). Это свойство заключается в том, что одна и та же аминокислота может быть закодирована несколькими разными триплетами, поскольку аминокислот 20, а триплетов 64 (только 3 из них являются стоп-кодаками). Исключение составляют аминокислоты метионин и триптофан, которые кодируются только одним триплетом. Избыточность кода снижает вероятность ошибки и обеспечивает надежность функционирования кода. Однозначность. Согласно названному свойству каждому триплету соответствует только одна определенная аминокислота.

Колинеарность. Колинеарность означает, что последовательность нуклеотидов в гене точно соответствует последовательности аминокислот в белке.Неперекрываемость. Это свойство проявляется в том, что определенный нуклеотид может входить в состав только одного кодона, а генетический код «читается» с определенного знака. Например, последовательность нуклеотидов ААГТГЦГГА можно прочитать лишь как последовательность трех следующих друг за другом триплетов: ААГ – ТГЦ – ГГА. Универсальность означает общность генетического кода для всех живых организмов, независимо от уровня их организации и систематического положения. Универсальность генетического кода – одно из наиболее убедительных доказательств общности происхождения всей живой природы. Существуют бессмысленные триплеты (или стоп-кодоны), не кодирующие аминокислоты. Они указывают на начало и конец синтеза белка.

Биосинтез белков

Биосинтез белка – один из важнейших процессов обмена веществ в клетке. В ходе такого синтеза формируются биополимеры – сложные молекулы белков, состоящие из мономеров – аминокислот . Биосинтез белков протекает в цитоплазме клетки, а точнее – на рибосомах с участием матричной РНК – мРНК (еще ее называют информационной РНК – иРНК) и транспортной РНК (тРНК) под контролем ДНК ядра. Выяснение роли ДНК и РНК в процессе биосинтеза белков в клетке – одно из замечательных достижений биологической науки середины XX в. Биосинтез белков включает два этапа: транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция.Транскрипция (от лат. transcriptio – переписывание) – это биосинтез молекул матричной РНК (мРНК), происходящий в ядре на основе молекулы ДНК. В ходе транскрипции фермент РНК-полимераза передвигается вдоль молекулы ДНК. При этом фермент удерживает на себе нуклеотиды растущей цепи мРНК, которая синтезируется на основе одной из цепей молекулы ДНК из нуклеотидов, находящихся в ядерном матриксе.

Трансляция. В рибосомах синтезируются полипептидные цепи белков на матрице мРНК, т. е. осуществляется трансляция (лат. translatio – перевод, перенесение). Сборка белковых молекул происходит в рибосомах. При атом одна мРНК связывается с несколькими рибосомами, образуя сложную структуру – полисому. На полисоме одновременно идет синтез многих молекул одного белка. Аминокислоты, из которых синтезируются белковые молекулы, доставляются к рибосомам молекулами тРНК. Они имеют относительно небольшие размеры (в них входят от 70 до 90 нуклеотидов) и напоминают по форме лист клевера

Реакции матричного синтеза. Процессы трансляции, транскрипции и репликации (самоудвоения) ДНК называют реакциями матричного синтеза (от лат. matrix – штамп, форма с углублением). Эти реакции осуществляются только в живых клетках и в точном соответствии с планом, заложенным в структуре уже существующих молекул, которые играют роль матриц. Такими молекулами являются молекулы ДНК (во время репликации и транскрипции) и мРНК (во время трансляции). Таким образом, роль матрицы могут выполнять как молекулы ДНК, так и молекулы РНК.