Пластический обмен — это совокупность реакций синтеза необходимых соединений (белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот) из веществ, которые попали в клетку, с поглощением энергии.
Пластический и Энергетический обмены
Все виды РНК (иРНК, тРНК, рРНК) синтезируются ферментами РНК-полимеразами по принципу комплементарности на молекуле ДНК. Процесс синтеза молекулы РНК на матрице ДНК называется транскрипцией. Фермент РНК-полимераза во время синтеза РНК продвигается вдоль определенного участка молекулы ДНК и действует подобно застежке-молнии, разъединяя двойную спираль.
Запасной формой липидов в организме являются жиры. На жирные кислоты приходится около 90 % энергии, которая запасается в жирах. С участием специфических ферментов в клетках эукариот в цитоплазме происходит биосинтез жирных кислот. Процессы эти могут продолжаться в митохондриях и некоторых других органеллах.
Жиры синтезируются в клетках кишечного эпителия, в печени, подкожной клетчатке, легких и некоторых других органах. Есть ферментные системы в некоторых тканях, которые могут обеспечить образование жиров из углеводов, в частности глюкозы.
Автотрофные организмы синтезируют подавляющее большинство углеводов. Они образуют из углекислого газа и воды шестиуглеродные моносахариды (гексозы). В ограниченном количестве из других органических соединений углеводы синтезируются в клетках гетеротрофных организмов.
В результате ферментативных реакций полисахариды образуются из моносахаридов. Биосинтез моносахаридов происходит двумя путями:
1) характерный автотрофным организмам, ведет к восстановлению С02 глюкозу;
2) благодаря ряду реакций из соединений неуглеводной природы (пировиноградной и молочной кислот, глицерина, некоторых аминокислот) образуется глюкоза.
В основе процесса лежит способность молекул ДНК к самоудвоению – репликации. Процесс репликации полуконсервативный, так как каждая из двух дочерних молекул ДНК имеет одну цепь от материнской молекулы, а вторую – синтезированную на первой. Для начала репликации двухцепочечная материнская молекула ДНК должна расплестись в определенной точке.
Фермент ДНК-полимераза катализирует синтез второй цепи дочерней молекулы ДНК. Цепи материнской молекулы ДНК разделяются из-за разрушения водородных связей. С участием фермента ДНК-полимераза по принципу комплементарности к нуклеотидам каждой материнской цепи присоединяются свободные нуклеотиды. Каждая из цепей становится матрицей для синтеза новой цепи дочерней молекулы ДНК. Каждая из дочерних молекул ДНК является точной копией материнской. У-подобная зона ДНК, где происходит репликация, называется репликационной «вилкой».
Вдоль матричной цепи размещаются в определенном порядке соответствующие одиночные нуклеотиды. Новая цепь ДНК синтезируется в виде коротких фрагментов, которые потом соединяются ковалентными связями под действием особого фермента. ДНК эукариот может удваиваться одновременно во многих точках ее молекулы.
Образовательный портал для подготовки к экзаменам
Сайты, меню, вход, новости
Версия для печати и копирования в MS Word
Перечисленные ниже термины, кроме двух, используются для характеристики пластического обмена. Определите два термина, «выпадающих» из общего списка, и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.
Пластический обмен — совокупность всех реакций синтеза органических веществ, происходящих в организме. Энергетический обмен — совокупность всех реакций распада органических веществ, происходящих в организме. Репликация (синтез ДНК), транскрипция (синтез иРНК), хемосинтез (синтез органических веществ бактериями-хемосинтетиками) относятся к пластического обмену.
Расщепление и окисление (процессы распада веществ) относятся к энергетическому обмену.
Sonya Kontramot 17.06.2018 18:36
Неверно введен ответ.
В вопросе нужно выбрать два термина НЕ относящиеся к пластическому обмену – это репликация (3) и транскрипция (4). Однако в ответах указаны термины, которые относятся к пластическому обмену.
Наталья Евгеньевна Баштанник
Репликация – удвоение ДНК- пластический обмен; транскрипция – образование иРНК – пластический обмен
Sonya Kontramot 26.06.2018 18:49
обнаружила ошибку. В данном варианте указано, что расщепление не относится к пластическому обмену, однако расщепление АТФ – это часть пластического обмена.
В другом задании https://bio-ege.sdamgia.ru/problem?id=11493 Также фигурирует расщепление, но с правильным вариантом ответа.
Пожалуйста, не могли бы вы дополнить вариант разъяснениями или скорректировать его.
В данном задании не уточняется какое именно вещество расщепляется, в большинстве заданий “базового” уровня (если они без уточнений) – мы рассматриваем ответы без исключений.
Расщепление и окисление в обобщенном понимании – это этапы энергетического обмена.
было в ЕГЭ
в условии
в решении
в тексте к заданию
в атрибутах
Добавить в вариант
В световой микроскоп можно увидеть
Информация о последовательности расположения аминокислот в молекуле белка переписывается в ядре с молекулы ДНК на молекулу
Роль матрицы в синтезе молекул и-РНК выполняет
2) плазматическая мембрана
3) мембрана эндоплазматической сети
4) одна из цепей молекулы ДНК
В основе каких реакций обмена лежит матричный принцип
2) сборки молекул белка из аминокислот
3) синтеза глюкозы из углекислого газа и воды
4) образования липидов
Первичная структура молекулы белка, заданная последовательностью нуклеотидов иРНК, формируется в процессе
Какие процессы протекают во время мейоза?
Какие свойства ДНК подтверждают, что она является носителем генетической информации?
В каких реакциях обмена веществ осуществляется связь между ядром, ЭПС, рибосомами, митохондриями?
Какие процессы происходят в ядре клетки в интерфазе?
К функциям клеточного центра относится
1) хранение наследственной информации
2) осуществление процессов транскрипции
4) участие в клеточном делении
На рисунке изображена схема
1) транскрипции бактериального гена
2) репликации бактериальной хромосомы
3) репликации хромосомы эукариот
4) транскрипции гена эукариот
Фрагмент рибосомного гена имеет последовательность АТТГЦЦГАТТАЦЦАААГТАЦЦААТ. Какова будет последовательность РНК, кодируемая этим участком? К какому классу РНК она будет относиться? Какова будет её функция?
1) репликации бактериальной хромосомы
2) транскрипции гена эукариот
4) транскрипции бактериального гена
Фрагмент рибосомного гена имеет последовательность ЦЦЦТАТГТАТТАЦГГААГАГГЦАТТ. Какова будет последовательность РНК, кодируемая этим участком? К какому классу РНК она будет относиться? Какова будет её функция?
Установите соответствие между процессами обмена веществ и его видом.
Б) образование 36 молекул АТФ
B) синтез иРНК на ДНК
Е) расщепление питательных веществ
Запишите в ответ цифры, расположив их в порядке, соответствующем буквам:
Выберите признаки РНК.
1) содержится в рибосомах и ядрышке
2) способна к репликации
3) состоит из одной цепи
4) содержится в хромосомах
5) набор нуклеотидов АТГЦ
6) набор нуклеотидов АГЦУ
Роль центриолей в жизни клетки заключается в том, что они участвуют в
3) образовании веретена деления
4) биосинтезе белка
Установите соответствие между признаком организма и группой, для которой он характерен.
A) клеточное строение тела
Б) наличие собственного обмена веществ
B) встраивание собственной ДНК в ДНК клетки хозяина
Г) состоит из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки
Д) размножение делением надвое
Е) способность к обратной транскрипции
В результате какого процесса энергия окислительно-восстановительной реакции переходит в энергию АТФ?
Химическое взаимодействие клеток, тканей, органов и систем органов, осуществляемое через кровь, происходит в процессе
3) энергетического обмена
4) гуморальной регуляции
При умственной работе в клетках мозга человека усиливается
В процессе энергетического обмена, в отличие от пластического, происходит
1) расходование энергии, заключенной в молекулах АТФ
2) запасание энергии в макроэргических связях молекул АТФ
3) обеспечение клеток белками и липидами
4) обеспечение клеток углеводами и нуклеиновыми кислотами
Расщепление липидов до глицерина и жирных кислот происходит в
1) подготовительную стадию энергетического обмена
3) кислородную стадию энергетического обмена
4) ходе пластического обмена
В процессе пластического обмена
1) более сложные углеводы синтезируются из менее сложных
2) жиры превращаются в глицерин и жирные кислоты
3) белки окисляются с образованием углекислого газа, воды, азотсодержащих веществ
4) происходит освобождение энергии и синтез АТФ
Пластический обмен в клетках животных не может происходить без энергетического, так как энергетический обмен обеспечивает клетку
В чем проявляется взаимосвязь пластического и энергетического обмена
1) пластический обмен поставляет органические вещества для энергетического
2) энергетический обмен поставляет кислород для пластического
3) пластический обмен поставляет минеральные вещества для энергетического
4) пластический обмен поставляет молекулы АТФ для энергетического
В процессе пластического обмена в клетках синтезируются молекулы
4) неорганических веществ
Установите соответствие между признаками обмена веществ и его этапами.
ПРИЗНАКИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ
В) Энергия запасается в молекулах АТФ
Д) В процессе участвуют рибосомы
Е) В процессе участвуют митохондрии
К каким последствиям приведет снижение активности ферментов, участвующих в кислородном этапе энергетического обмена животных?
Какова взаимосвязь между пластическим и энергетическим обменом веществ? Аргументируйте свой ответ.
Установите соответствие между характеристикой обмена и его видом.
А) окисление органических веществ
Б) образование полимеров из мономеров
Г) запасание энергии в клетке
Какие функции выполняют углеводы в организме животных?
Установите соответствие между признаками обмена веществ и его видом.
A) синтез углеводов в хлоропластах
B) синтез 38 молекул АТФ
Е) образование белков из аминокислот на рибосомах
В процессе обмена веществ в клетке энергия АТФ может использоваться
1) для выделения углекислого газа из клетки
2) на поступление веществ в клетку через плазматическую мембрану
3) при расщеплении биополимеров
4) для образования воды на кислородном этапе энергетического обмена
Во время физической работы в клетках мышечной ткани человека усиливается
К пластическому обмену относят процесс
В результате какого процесса в клетке синтезируются липиды?
2) биологического окисления
Энергетический обмен поставляет для реакций пластического обмена
Растения сами синтезируют все необходимые им аминокислоты, используя азот, аммиак, нитраты. Высшие животные и человек получают незаменимые аминокислоты с пищей. Заменимые аминокислоты животные и грибы синтезируют из азотосодержащих соединений. Биосинтез белка из аминокислот – это сложный многоэтапный процесс, который требует много энергии. Каждая из реакций биосинтеза обеспечивается специфическими ферментами.
Все живые организмы сохраняют наследственную информацию в молекулах нуклеиновых кислот в виде определенной последовательности нуклеотидов. Такая единая система сохранения называется генетическим кодом.
В полипептидной цепи каждый аминокислотный остаток кодируется определенной последовательностью из трех нуклеотидов – триплетом (комбинация из трех нуклеотидов дает возможность кодировать 43 = 64 типа аминокислот, то есть 20 основных).
Свойства генетического кода
1) вырожденность – одну аминокислоту могут кодировать несколько разных триплетов. Большинство основных аминокислот (18 из 20) кодируется несколькими триплетами – от 2 до 6, лишь две (триптофан и метионин) – одним;
2) однозначность – каждый триплет кодирует лишь определенную аминокислоту;
3) универсальность – код единый для всех организмов, существующих на Земле. Одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты разных организмов;
4) неперекрываемость – генетическая информация может считываться лишь одним способом, в одном направлении.
Между генами существуют участки, которые не несут генетической информации. Они лишь отделяют одни участки от других, как «разделительные знаки». Их называют спейсерами (от англ. спейс – пространство). Каждый из трех триплетов (УАА, УАГ, УГА) означает прекращение синтеза одной полипептидной цепи. Они называются стоп-кодонами. Триплет АУГ определяет место начала синтеза следующей полипептидной цепи.
Этапы биосинтеза белков
В 50-х годах XX века был выяснен механизм этого процесса. Синтез белка включает несколько этапов: транскрипцию (синтез предшественника иРНК – про-иРНК), трансляцию (перенесение последовательности нуклеотидов в молекуле иРНК в последовательность аминокислотных остатков молекулы белка) и обособление белковой молекулы.
Транскрипция (от лат. thranscriptio – переписывание). Фермент PHК-полимераза разъединяет двойную цепь ДНК. По принципу комплементарности на одной из них синтезируется молекула про-иРНК. Потом она с помощью специальных ферментов превращается в активную форму иРНК. Для этого из нее удаляются участки, лишенные генетической информации. Из ядра она может поступать в цитоплазму клетки.
Трансляция (от лат. translatio – передача). В цитоплазме с помощью ковалентной связи каждая из 20 аминокислот присоединяется к определенной тРНК, иРНК связывается с рибосомой. Рибосома надвигается на нитевидную молекулу иРНК таким образом, что она оказывается между двумя субъединицами. По принципу комплементарности транспортная РНК, которая переносит аминокислоту, взаимодействует с помощью своего триплета – антикодона с особым триплетом иРНК – кодоном. Первый кодон дает сигнал о начале синтеза полипептидной цепи.
Возникает инициативный комплекс, который состоит из триплета иРНК, рибосомы и определенной тРНК.
Благодаря последовательному соединению пептидными связями аминокислотных остатков между собой, полипептидная цепь удлиняется. Рибосома перемещается слева направо по иРНК и образует белковую молекулу. С помощью определенной тРНК каждая из аминокислот транспортируется к рибосоме и размещается в цепи.
В рибосоме есть особый участок, где происходит трансляция – функциональный центр. Его размеры отвечают длине двух триплетов. Вместе с тем в функциональном центре может находиться два соседних триплета иРНК. В одной его части антикодон тРНК узнает кодон иРНК, а в другой – аминокислота освобождается от тРНК.
Длина молекулы иРНК определяет количество рибосом, которые одновременно могут уместиться на ней. Молекула иРНК с нанизанными на нее рибосомами называется полисомой, или полирибосомой.
Процесс синтеза белка происходит с большой затратой энергии, которая выделяется при расщеплении АТФ. На присоединение к синтезированной полипептидной цепи одного аминокислотного остатка расходуется энергия, которая высвобождается при расщеплении одной молекулы АТФ.
Синтез белковой молекулы завершается, как только рибосома достигает стоп — кодона. Рибосома вместе с белковой молекулой оставляет иРНК. Молекула белка попадает в эндоплазматическую сеть и транспортируется к определенному участку клетки, а рибосома – на любую другую молекулу иРНК. Белок приобретает определенную пространственную конфигурацию, молекула белка становится функционально активной.
У эукариот и прокариот механизмы биосинтеза белка схожи. Различаются рибосомы. Размеры рибосом у прокариот меньше. Рибосомы прокариот похожи на рибосомы митохондрий и пластид.
ОТВЕТ: Энергию
окисления органических веществ.
ОТВЕТ: Фототрофы
– энергию света, хемотрофы – энергию
окисления неорганических веществ.
ОТВЕТ: В
световой фазе.
ОТВЕТ: Вода (
в результате фотолиза – распада под
действием света в световой фазе,
происходит выделение кислорода).
ОТВЕТ: В их
клетках нет хлоропластов и хлорофилла.
ОТВЕТ: При их
окислении выделяется два раза больше
энергии, чем при окислении углеводов и
белков.
ОТВЕТ: Участок
одной из полинуклеотидных цепей ДНК.
ОТВЕТ: В
реакциях фотосинтеза.
ОТВЕТ: В обоих
процессах происходит синтез АТФ.
ОТВЕТ:
Сходство: в результате этих процессов
синтезируется глюкоза. Различия:
фотосинтез происходит в клетках растений,
в хлоропластах, а хемосинтез – в клетках
хемосинтезирующих бактерий (азото-,
серо_, железобактерий) на мембранных
структурах. В результате фотосинтеза
выделяется кислород, а в результате
хемосинтеза – нет.
ОТВЕТ: В реакциях
окисления органических веществ в
процессе энергетического обмена.
ОТВЕТ: В реакциях
биосинтеза белка.
ОТВЕТ: В
образовании органических веществ с
затратой энергии АТФ.
ОТВЕТ: Синтез
АТФ и высокоэнергетических атомов
водорода, фотолиз ( распад воды под
действием света приводящий к выделению
кислорода).
ОТВЕТ:
Поступление из атмосферы углекислого
газа и его восстановление водородом за
счет НАДФ. 2Н; синтез глюкозы и крахмала
с использованием АТФ.
ОТВЕТ:
В ДНК содержится информация о первичной
структуре молекул белка. Эта информация
переписывается на молекулу и-РНК, которая
переносит ее из ядра к рибосоме, т.е.
и-РНК служит матрицей для сборки молекул
белка. Т-РНК присоединяют аминокислоты
и доставляют их к месту синтеза белка
– к рибосоме.
ОТВЕТ:
Одна т-РНК транспортирует одну
аминокислоту. Так как в синтезе белка
участвовало 30 т-РНК, белок состоит из
30 аминокислот. Одну аминокислоту кодирует
триплет нуклеотидов, значит, 30 аминокислот
кодирует 30 триплетов. Триплет состоит
из 3 нуклеотидов, значит количество
нуклеотидов в гене, кодирующем белок
из 30 аминокислот, равно 30х3= 90.
ОТВЕТ:
В результате реакции окислительного
фосфорилирования из АДФ и остатка
фосфорной кислоты образуется молекула
АТФ, которая является источником энергии
для всех процессов жизнедеятельности
клетки.
ОТВЕТ:
Сходство: в результате фототрофного
и хемотрофного питания образуется
углевод – глюкоза.
Различие:
фототрофные бактерии для синтеза
глюкозы используют энергию света, а
хемотрофные – энергию окисления
неорганических веществ.
ОТВЕТ:
Для реакций пластического обмена (для
синтеза веществ) нужна энергия АТФ,
которая образуется в результате
энергетического обмена. А для реакций
энергетического обмена (для распада
веществ) нужны вещества, которые
синтезируются в результате пластического
обмена. В результате пластического
обмена (биосинтеза белков) образуются
ферменты, которые участвуют в реакциях
энергетического обмена.
ОТВЕТ:
Матрица, это объект, с которого снимается
копия. Участок молекулы ДНК является
матрицей для синтеза и -РНК, а молекула
и-РНК является матрицей для сборки
молекулы белка в рибосомах.
ОТВЕТ:
В процессе биосинтеза белка используется
энергия молекул АТФ, синтезируемых в
процессе энергетического обмена. В
реакциях энергетического обмена
участвуют ферменты, образованные в
результате биосинтеза белка. Процесс
распада белков до аминокислот является
промежуточным этапом энергетического
обмена.
ОТВЕТ:
Последовательность на и-РНК: ЦАЦГГЦАГУУУУ;
антикодоны на т-РНК: ГУГ,ЦЦГ,УЦА,ААА;
аминокислотная последовательность:
Гис-гли-сер-фен.
ОТВЕТ:
Реакции полного биологического окисления
будут идти слабо, и в клетке будет
преобладать процесс бескислородного
окисления – гликолиз. Молекул АТФ
синтезируется меньше, что приведет к
недостатку энергии в клетке и организме.
В клетке и организме будут накапливаться
продукты неполного окисления, которые
могут привести к их гибели. Из-за
недостатка молекул АТФ замедлятся
процессы пластического обмена.
ОТВЕТ:
Новая цепь ДНК будет: ЦАТ- ГГЦ- ТГТ
– ТЦЦ – ТЦЦ – ГТЦ. Структура и-РНК
будет: ГУА – ЦЦГ – АЦА – АГГ – АГГ –
ЦАГ. Произойдет удлинение молекулы
белка на одну аминокислоту. Молекула
белка будет состоять из аминокислот:
вал – про – тре – арг – арг – гли.
ОТВЕТ:
1) и-РНК: АЦУ – УАЦ – УЦА – ЦЦГ –
УУА.
2) ДНК: 1-ая цепь: ТГА – АТГ – АГТ – ГГЦ
– ААТ
2-ая цепь: АЦТ – ТАЦ –ТЦА –ЦЦГ
– ТТА
3) количество нуклеотидов: А – 9 (30%), Т
– 9 (30%), так как А=Т; Г -6 (20%), Ц – 6 (20%), так
как Г=Ц.
ОТВЕТ:
Если при замене нуклеотида, новый кодон
соответствует той же аминокислоте или
аминокислоте со сходным химическим
составом, который не меняет структуру
белка; если изменения произойдут на
участках между генами или неактивных
участках ДНК.
ОТВЕТ:
Антикодоны т-РНК комплементарны кодонам
и-РНК, а последовательность нуклеотидов
и-РНК комплементарна одной из цепей
ДНК.
т-РНК:
УУА, ГГЦ, ЦГЦ, АУУ, ЦГУ
и-РНК:
ААУ-ЦЦГ-ГЦГ-УАА-ГЦА
1
цепь ДНК: ТТА-ГГЦ-ЦГЦ-АТТ-ЦГТ
2
цепь ДНК: ААТ-ЦЦГ-ГЦГ-ТАА-ГЦА.
В
молекуле ДНК А=Т= 7, число Г=Ц= 8.
ОТВЕТ:
В половых клетках 23 хромосомы, т.е. в два
раза меньше, чем в соматических, поэтому
масса ДНК в сперматозоиде в два раза
меньше и составляет 6х 10-9
: 2= 3х 10-9мг. Перед началом
деления (в интерфазе) количество ДНК
удваивается и масса ДНК равна 6х 10-9
х2 = 12 х 10-9мг. После митотического
деления в соматической клетке число
хромосом не меняется и масса ДНК равна
6х 10-9 мг.
ОТВЕТ:
Первичная структура белка определяется
последовательностью аминокислот,
зашифрованных на участке молекулы
ДНК. ДНК является матрицей для молекулы
и-РНК. Матрицей для синтеза белка является
молекула и-РНК, а они в пробирке
одинаковые. К месту синтеза белка т-РНК
транспортируют аминокислоты в соответствии
с кодонами и-РНК.
ОТВЕТ:
одна т-РНК транспортирует одну
аминокислоту, следовательно, 30 т-РНК
соответствуют 30 аминокислотам, и белок
состоит из 30 аминокислот; одну
аминокислоту кодирует триплет нуклеотидов,
значит, 30 аминокислот кодируют 30
триплетов; количество нуклеотидов
в гене, кодирующем белок из 30 аминокислот,
30 х 3 = 90.
ОТВЕТ:
аденин (А) комплементарен тимину (Т),
а гуанин (Г) – цитозину (Ц), поэтому
количество комплементарных нуклеотидов
одинаково; количество нуклеотидов с
аденином составляет 24%; количество
гуанина (Г) и цитозина (Ц) вместе составляют
52%, а каждого из них – 26%.
А)
Первичную структуру закодированного
белка.
Б)
Количество (в%) различных видов нуклеотидов
в этом гене (в двух цепях)
В)
Длину этого гена
ОТВЕТ:
А) 1-ая цепь ДНК: ЦТА-АТГ-ТАА-ЦЦА-
2-ая цепь ДНК:
ГАТ-ТАЦ-АТТ- ГГТ-
По
таблице генетического кода определяем
аминокислоты:
Аминокислоты: лей- мет- тир – про
Б)
Количество А=8; Т=8; Г=4; Ц=4. Все количество
= 24 = 100%.
А=Т=
8 (8х100%) : 24 = 33, 3%
Г=Ц=4
(4х100%) : 24= 16,6%
В)
Длина гена: 12х 0,34 = 4,04 нм (0,34нм – длина
1 нуклеотида)
Г)
Длина белка: 4 кодона х 0,3нм = 1,2 нм (0,3нм
– длина 1 ам/к-ты.)
если
фрагмент цепи ДНК имеет следующую
последовательность нуклеотидов:
ГТГТАТГГААГТ.
ОТВЕТ:
ГТГ-ТАТ-ГГА-АГТ – ДНК
ГУГ;
УАУ; ГГА; АГУ – антикодоны т-РНК
Биосинтез нуклеиновых кислот
Все живые организмы способны синтезировать нуклеотиды. Аминокислоты служат посредниками нуклеотидов, которые входят в состав нуклеиновых кислот.
Значительная часть азотистых оснований при расщеплении нуклеиновых кислот не распадается, а используется снова для синтеза нуклеотидов. Предшественники ДНК – дезоксирибонуклеотиды образуются путем восстановления (изъятия атома кислорода) рибозы до дезоксирибозы.
Фотосинтез и хемосинтез.
Обмен
веществ и превращения энергии — свойства
живых организмов
Клетку
можно уподобить миниатюрной химической
фабрике, на которой происходят сотни и
тысячи химических реакций.
Обмен
веществ
— совокупность химических превращений,
направленных на сохранение и
самовоспроизведение биологических
систем.
Он
включает в себя поступление веществ в
организм в процессе питания и дыхания,
внутриклеточный обмен веществ, или
метаболизм,
а также выделение конечных продуктов
обмена.
Обмен
веществ неразрывно связан с процессами
превращения одних видов энергии в
другие. Например, в процессе фотосинтеза
световая энергия запасается в виде
энергии химических связей сложных
органических молекул, а в процессе
дыхания она высвобождается и расходуется
на синтез новых молекул, механическую
и осмотическую работу, рассеивается в
виде тепла и т. д.
Протекание
химических реакций в живых организмах
обеспечивается благодаря биологическим
катализаторам белковой природы —
ферментам,
или
энзимам.
Как и другие катализаторы, ферменты
ускоряют протекание химических реакций
в клетке в десятки и сотни тысяч раз, а
иногда и вообще делают их возможными,
но не изменяют при этом ни природы, ни
свойств конечного продукта (продуктов)
реакции и не изменяются сами. Ферменты
могут быть как простыми, так и сложными
белками, в состав которых, кроме белковой
части, входит и небелковая —
кофактор (кофермент).
Примерами ферментов являются амилаза
слюны, расщепляющая полисахариды при
длительном пережевывании, и пепсин,
обеспечивающий переваривание белков
в желудке.
Ферменты
отличаются от катализаторов небелковой
природы высокой специфичностью действия,
значительным увеличением с их помощью
скорости реакции, а также возможностью
регуляции действия за счет изменения
условий протекания реакции либо
взаимодействия с ними различных веществ.
К тому же и условия, в которых протекает
ферментный катализ, существенно
отличаются от тех, при которых идет
неферментный: оптимальной для
функционирования ферментов в организме
человека является температура 37°С,
давление должно быть близким к
атмосферному, а рН среды может
существенно колебаться. Так, для амилазы
необходима щелочная среда, а для пепсина
— кислая.
Механизм
действия ферментов заключается в
снижении энергии активации веществ
(субстратов), вступающих в реакцию,
за счет образования промежуточных
фермент-субстратных комплексов (рис.
2.42).
Энергетический
и пластический обмен, их взаимосвязь
Метаболизм
складывается из двух одновременно
протекающих в клетке процессов:
пластического и энергетического
обменов.
Пластический
обмен (анаболизм, ассимиляция)
представляет собой совокупность реакций
синтеза, которые идут с затратой энергии
АТФ. В процессе пластического обмена
синтезируются органические вещества,
необходимые клетке. Примером реакций
пластического обмена являются фотосинтез,
биосинтез белка и репликация (самоудвоение)
ДНК.
Энергетический
обмен (катаболизм, диссимиляция)
— это совокупность реакций расщепления
сложных веществ до более простых. В
результате энергетического обмена
выделяется энергия, запасаемая в
виде АТФ. Наиболее важными процессами
энергетического обмена являются дыхание
и брожение.
Пластический
и энергетический обмены неразрывно
связаны, поскольку в процессе пластического
обмена синтезируются органические
вещества и для этого необходима энергия
АТФ, а в процессе энергетического
обмена органические вещества расщепляются
и высвобождается энергия, которая затем
будет израсходована на процессы синтеза.
Энергию
организмы получают в процессе питания,
а высвобождают ее и переводят в доступную
форму в основном в процессе дыхания. По
способу питания все организмы делятся
на автотрофов и гетеротрофов.
Автотрофы
способны самостоятельно синтезировать
органические вещества из неорганических,
а
гетеротрофы
используют исключительно готовые
органические вещества.
Несмотря
на всю сложность реакций энергетического
обмена, его условно подразделяют на три
этапа: подготовительный, анаэробный
(бескислородный) и аэробный (кислородный).
На
подготовительном этапе
молекулы полисахаридов, липидов, белков,
нуклеиновых кислот распадаются на более
простые, например, глюкозу, глицерин и
жирные кислоты, аминокислоты, нуклеотиды
и др. Этот этап может протекать
непосредственно в клетках либо в
кишечнике, откуда расщепленные
вещества доставляются с током крови.
Анаэробный
этап
энергетического обмена сопровождается
дальнейшим расщеплением мономеров
органических соединений до еще более
простых промежуточных продуктов,
например, пи- ровиноградной кислоты,
или пирувата. Он не требует присутствия
кислорода, и для многих организмов,
обитающих в иле болот или в кишечнике
человека, является единственным способом
получения энергии. Анаэробный этап
энергетического обмена протекает в
цитоплазме.
Бескислородному
расщеплению могут подвергаться различные
вещества, однако довольно часто
субстратом реакций оказывается глюкоза.
Процесс ее бескислородного расщепления
называется
гликолизом.
При гликолизе молекула глюкозы теряет
четыре атома водорода, т. е. окисляется,
при этом образуются две молекулы
пировиноградной кислоты, две молекулы
АТФ и две молекулы восстановленного
переносчика водорода НАДН + Н+:
Образование
АТФ из АДФ происходит вследствие прямого
переноса фосфат-аниона с предварительно
фосфорилированного сахара и называется
субстратным фосфорилированием.
Аэробный
этап
энергетического обмена может происходить
только в присутствии кислорода, при
этом промежуточные соединения,
образовавшиеся в процессе бескислородного
расщепления, окисляются до конечных
продуктов (углекислого газа и воды) и
выделяется большая часть энергии,
запасенной в химических связях
органических соединений. Она переходит
в энергию макро- эргических связей 36
молекул АТФ. Этот этап также называется
тканевым дыханием.
В случае отсутствия кислорода промежуточные
соединения превращаются в другие
органические вещества, и этот процесс
называется
брожением.
Механизм
клеточного дыхания схематически
изображен на рис. 2.43.
Аэробное
дыхание происходит в митохондриях, при
этом пировиноградная кислота сначала
утрачивает один атом углерода, что
сопровождается синтезом одного
восстановительного эквивалента НАДН
+ Н+
и молекулы ацетилкофермента А (ацетил-КоА):
Ацетил-КоА
в матриксе митохондрий вовлекается в
цепь химических реакций, совокупность
которых называется
циклом Кребса (циклом трикарбоновых
кислот, циклом лимонной кислоты).
В ходе этих превращений образуется
две молекулы АТФ, ацетил-КоА полностью
окисляется до углекислого газа, а его
ионы водорода и электроны присоединяются
к переносчикам водорода НАДН + Н+
и
ФАДН2.
Переносчики транспортируют протоны
водорода и электроны к внутренним
мембранам митохондрий, образующим
кристы. При помощи белков-переносчиков
протоны водорода нагнетаются в
межмембранное пространство, а электроны
передаются по так называемой
дыхательной цепи ферментов, расположенной
на внутренней мембране митохондрий,
и сбрасываются на атомы кислорода:
Следует
отметить, что некоторые белки дыхательной
цепи содержат железо и серу.
Из
межмембранного пространства протоны
водорода транспортируются обратно
в матрикс митохондрий с помощью
специальных ферментов — АТФ-синтаз, а
выделяющаяся при этом энергия расходуется
на синтез 34 молекул АТФ из каждой молекулы
глюкозы. Этот процесс называется
окислительным
фосфорилированием.
В матриксе митохондрий протоны водорода
реагируют с радикалами кислорода с
образованием воды:
Суммарное
уравнение дыхания выглядит таким
образом:
В
отсутствие кислорода или при его
недостатке происходит брожение. Брожение
является эволюционно более ранним
способом получения энергии, чем дыхание,
однако оно энергетически менее выгодно,
поскольку в результате брожения
образуются органические вещества, все
еще богатые энергией. Различают несколько
основных видов брожения: молочнокислое,
спиртовое, уксуснокислое и др. Так, в
скелетных мышцах в отсутствие кислорода
в ходе брожения пировиноградная
кислота восстанавливается до молочной
кислоты, при этом образовавшиеся ранее
восстановительные эквиваленты
расходуются, и остаются всего две
молекулы АТФ:
При
брожении с помощью дрожжевых грибов
пировиноградная кислота в присутствии
кислорода превращается в этиловый
спирт и оксид углерода (IV):
При
брожении с помощью микроорганизмов из
пировиноградной кислоты могут образоваться
также уксусная, масляная, муравьиная
кислоты и др.
АТФ,
полученная в результате энергетического
обмена, расходуется в клетке на различные
виды работы: химическую, осмотическую,
электрическую, механическую и регуляторную.
Химическая работа заключается в
биосинтезе белков, липидов, углеводов,
нуклеиновых кислот и других жизненно
важных соединений. К осмотической работе
относят процессы поглощения клеткой и
выведения из нее веществ, которые во
внеклеточном пространстве находятся
в концентрациях, больших, чем в самой
клетке. Электрическая работа тесно
взаимосвязана с осмотической, поскольку
именно в результате перемещения
заряженных частиц через мембраны
формируется заряд мембраны и приобретаются
свойства возбудимости и проводимости.
Механическая работа сопряжена с движением
веществ и структур внутри клетки, а
также клетки в целом. К регулятор- ной
работе относят все процессы, направленные
на координацию процессов в клетке.
Фотосинтез,
его значение, космическая роль
Фотосинтезом
называют процесс преобразования энергии
света в энергию химических связей
органических соединений с участием
хлорофилла.
В
результате фотосинтеза образуется
около 150 млрд тонн органического вещества
и приблизительно 200 млрд тонн кислорода
ежегодно. Этот процесс обеспечивает
круговорот углерода в биосфере, не давая
накапливаться углекислому газу и
препятствуя тем самым возникновению
парникового эффекта и перегреву Земли.
Образующиеся в результате фотосинтеза
органические вещества не расходуются
другими организмами полностью,
значительная их часть в течение миллионов
лет образовала залежи полезных ископаемых
(каменного и бурого угля, нефти). В
последнее время в качестве топлива
начали использовать также рапсовое
масло («биодизель») и спирт, полученный
из растительных остатков. Из кислорода
под действием электрических разрядов
образуется озон, который формирует
озоновый экран, защищающий все живое
на Земле от губительного действия
ультрафиолетовых лучей.
Наш
соотечественник, выдающийся физиолог
растений К. А. Тимирязев (1843-1920) назвал
роль фотосинтеза «космической», поскольку
он связывает Землю с Солнцем (космосом),
обеспечивая приток энергии на планету.
Фазы
фотосинтеза. Световые и темновые реакции
фотосинтеза, их взаимосвязь
В
1905 году английский физиолог растений
Ф. Блэкмен обнаружил, что скорость
фотосинтеза не может увеличиваться
беспредельно, какой-то фактор ограничивает
ее. На основании этого он выдвинул
предположение о наличии двух фаз
фотосинтеза:
световой
и
темновой.
При низкой интенсивности освещения
скорость световых реакций возрастает
пропорционально нарастанию силы света,
и, кроме того, данные реакции не зависят
от температуры, поскольку для их
протекания не нужны ферменты. Световые
реакции протекают на мембранах тилакоид.
Скорость
темновых реакций, напротив, возрастает
с повышением температуры, однако по
достижении температурного порога в
30°С этот рост прекращается, что
свидетельствует о ферментативном
характере указанных превращений,
происходящих в строме. Следует отметить,
что свет также оказывает на темновые
реакции определенное влияние, несмотря
на то, что они называются темновыми.
Световая
фаза фотосинтеза (рис. 2.44) протекает на
мембранах тилакоидов, несущих несколько
типов белковых комплексов, основными
из которых являются фотосистемы I и II,
а также АТФ- синтаза. В состав фотосистем
входят пигментные комплексы, в которых,
кроме хлорофилла, присутствуют и
каротиноиды. Каротиноиды улавливают
свет в тех областях спектра, в которых
этого не делает хлорофилл, а также
защищают хлорофилл от разрушения светом
высокой интенсивности.
Кроме
пигментных комплексов, фотосистемы
включают и ряд белков-акцепторов
электронов, которые последовательно
передают друг другу электроны от молекул
хлорифилла. Последовательность этих
белков называется
электронтранспортной цепью хлоропластов.
С
фотосистемой II также ассоциирован
специальный комплекс белков, который
обеспечивает выделение кислорода в
процессе фотосинтеза. Этот кислородвыделяющий
комплекс содержит ионы марганца и хлора.
В
световой фазе
кванты света, или фотоны, попадающие на
молекулы хлорофилла, расположенные на
мембранах тилакоидов, переводят их в
возбужденное состояние, характеризующееся
более высокой энергией электронов. При
этом возбужденные электроны от
хлорофилла фотосистемы I передаются
через цепь посредников на переносчик
водорода НАДФ, присоединяющий при
этом протоны водорода, всегда имеющиеся
в водном растворе:
Восстановленный
НАДФН + Н+
будет впоследствии использован в
темновой стадии. Электроны от хлорофилла
фотосистемы II также передаются по
электронтранспортной цепи, однако они
заполняют «электронные дырки» хлорофилла
фотосистемы I. Недостаток электронов в
хлорофилле фотосистемы II заполняется
за счет отнимания у молекул воды, которое
происходит с участием уже упоминавшегося
выше кислородвыделяющего комплекса. В
результате разложения молекул воды,
которое называется
фотолизом,
образуются протоны водорода и выделяется
молекулярный кислород, являющийся
побочным продуктом фотосинтеза:
Протоны
водорода, накопившиеся в полости
тилакоида в результате фотолиза воды
и нагнетания при переносе электронов
по электронтранспортной цепи, вытекают
из тилакоида через канал в мембранном
белке — АТФ-синтазе, при этом из АДФ
синтезируется АТФ. Данный процесс
называется
фотофосфорилированием.
Он не требует участия кислорода, однако
очень эффективен, так как дает в 30 раз
больше АТФ, чем митохондрии в процессе
окисления. Образовавшаяся в световых
реакциях АТФ впоследствии будет
использована в темновых реакциях.
Суммарное
уравнение реакций световой фазы
фотосинтеза можно записать следующим
образом:
В
ходе
темновых реакций
фотосинтеза (рис. 2.45) происходит связывание
молекул С02
в виде углеводов, на которое расходуются
молекулы АТФ и НАДФН + Н+,
синтезированные в световых реакциях:
Процесс
связывания углекислого газа является
сложной цепью превращений, названной
циклом Кальвина
в честь его первооткрывателя. Темновые
реакции протекают в строме хлоропластов.
Для их протекания необходим постоянный
приток углекислого газа извне через
устьица, а затем и по системе межклетников.
Первыми
в процессе фиксации углекислого газа
образуются трехуглеродные сахара,
являющиеся первичными продуктами
фотосинтеза, тогда как образующуюся
позже глюкозу, которая расходуется на
синтез крахмала и другие процессы
жизнедеятельности, называют конечным
продуктом фотосинтеза.
Таким
образом, в процессе фотосинтеза энергия
солнечного света преобразуется в энергию
химических связей сложных органических
соединений не без участия хлорофилла.
Суммарное уравнение фотосинтеза можно
записать следующим образом:
Реакции
световой и темновой фаз фотосинтеза
взаимосвязаны, так как увеличение
скорости лишь одной группы реакций
влияет на интенсивность всего процесса
фотосинтеза только до определенного
момента, пока вторая группа реакций не
выступит в роли лимитирующего фактора,
и возникает потребность в ускорении
реакций второй группы для того, чтобы
первые происходили без ограничений.
Световая
стадия, протекающая в тилакоидах,
обеспечивает запасание энергии для
образования АТФ и переносчиков
водорода. На второй стадии, темновой,
энергетические продукты первой стадии
используются для восстановления
углекислого газа, и происходит это в
компартментах стромы хлоропластов.
На
скорость фотосинтеза оказывают влияние
различные факторы окружающей среды:
освещенность, концентрация углекислого
газа в атмосфере, температура воздуха
и почвы, доступность воды и др.
Для
характеристики фотосинтеза используется
понятие его продуктивности.
Продуктивность
фотосинтеза
— это масса синтезируемой за 1 час
глюкозы на 1 дм2
листовой поверхности. Этот показатель
фотосинтеза максимален при оптимальных
условиях.
Фотосинтез
присущ не только зеленым растениям, но
и многим бактериям, в том числе ци-
анобактерям, зеленым и пурпурным
бактериям, однако у последних он может
иметь некоторые отличия, в частности,
при фотосинтезе бактерии могут не
выделять кислорода (это не касается
цианобактерий).
Хемосинтез.
Роль хемосинтезирующих бактерий на
Земле
Хемосинтез
— это процесс синтеза органических
соединений за счет химической энергии
неорганических соединений.
Данный
процесс был открыт выдающимся русским
ученым С.Н. Виноградским в 1887 году. К
группе хемосинтетиков (хемотрофов)
относятся в основном бактерии:
нитрифицирующие, серобактерии,
железобактерии и др. Они используют
энергию окисления соединений азота,
серы, ионов железа соотвественно. При
этом донором электронов выступает не
вода, а другие неорганические вещества.
Так,
нитрифицирующие бактерии окисляют
образованный из атмосферного азота
азотфиксирующими бактериями аммиак до
нитритов и нитратов:
Серобактерии
окисляют сероводород до серы, а в
некоторых случаях и до серной кислоты:
Железобактерии
окисляют соли железа:
Водородные
бактерии способны окислять молекулярный
водород:
Источником
углерода для синтеза органических
соединений у всех автотрофных бактерий
выступает углекислый газ.
Хемосинтезирующие
бактерии наиболее значительную роль
играют в биогеохимических циклах
химических элементов в биосфере, так
как в процессе их жизнедеятельности
образовались залежи многих полезных
ископаемых. Кроме того, они являются
источниками органического вещества
на планете, т. е. продуцентами, а также
делают доступным и для растений, и для
других организмов целый ряд неорганических
веществ.