Пластический и энергетический обмен в клетке, способы получения энергии.
Обмен веществ (метаболизм) – это совокупность всех химических реакций, которые происходят в организме. Все эти реакции делятся на 2 группы:
Пластический обмен (анаболизм) – это когда из простых веществ с затратой энергии образуются (синтезируются) более сложные.
Пример: При фотосинтезе из углекислого газа и воды синтезируется глюкоза.
Очевидно, что синтез каких-либо веществ невозможен без затрат энергии. Как же клетка получает энергию для реакций биосинтеза?
Наряду с процессами синтеза новых веществ в клетках происходит постоянный распад запасенных при ассимиляции сложных органических веществ. При участии ферментов эти молекулы распадаются до более простых соединений; при этом высвобождается энергия. Чаще всего эта энергия запасается в виде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Далее энергия АТФ используется для различных нужд клетки, в том числе и для реакций биосинтеза. Совокупность реакций распада веществ клетки, сопровождающихся выделением энергии, получила название энергетического обмена.
Энергетический обмен (катаболизм) – это когда сложные вещества распадаются (окисляются) до более простых, и при этом выделяется энергия, необходимая для жизнедеятельности.
Пример: В митохондриях глюкоза, аминокислоты и жирные кислоты окисляются кислородом до углекислого газа и воды, при этом образуется энергия (клеточное дыхание).
Взаимосвязь пластического и энергетического обмена.
Пластический обмен обеспечивает клетку сложными органическими веществами (белками, жирами, углеводами, нуклеиновыми кислотами), в том числе белками-ферментами для энергетического обмена.
Энергетический обмен обеспечивает клетку энергией. При выполнении работы (умственной, мышечной и т.п.) энергетический обмен усиливается.
ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН.
Он включает в себя три разновидности:
фотосинтез,
хемосинтез
биосинтез белков.
Первый используется только растениями и некоторыми фотосинтезирующими бактериями. Такие организмы называются автотрофами, так как сами вырабатывают для себя органические соединения из неорганических.
Второй используется определенными бактериями, в том числе и анаэробными, для жизни которых не требуется кислород. Формы жизни, использующие хемосинтез, называются хемотрофами.
Животные и грибы относятся к гетеротрофам — существам, которые получают органические вещества из других организмов.
Фотосинтез:
СВЕТОВАЯ
Квант света, падающий на лист, поглощается молекулой хлорофилла.
В результате этого она переходит в возбуждённое состояние - один из электронов получает избыток энергии:
Хл свет Хл* +
е –
Возбужденный электрон перемещается по цепи сложных органических соединений, теряя энергию, которая расходуется на синтез АТФ из АДФ и фосфата. Этот процесс очень эффективен, и в хлоропласте образуется АТФ приблизительно в 30 раз больше, чем в митохондриях тех же растений.
Потеряв избыток энергии, электрон возвращается к молекуле хлорофилла, которая теперь способна захватить новый квант света.
Так как описываемые реакции происходят в водных растворах, то значительная часть возбужденных электронов захватывается продуктами диссоциации Н20 — ионами Н+. Ион водорода получает избыток энергии и связывается со специальными молекулами-переносчиками. Освободившиеся ионы гидроксила ОН- взаимодействуют друг с другом, в результате чего образуются вода и молекулярный кислород. Процесс разложения воды под действием энергии солнечного света получил название фотолиза. Таким образом, кислород, который выделяется в процессе фотосинтеза в атмосферу, образуется в результате фотолиза.
На этом световая фаза заканчивается, и дальнейшие процессы фотосинтеза могут идти и без солнечного освещения.
Во время световой фазы образуются богатые энергией молекулы и ионы водорода, необходимые для темновой фазы фотосинтеза.
ТЕМНОВАЯ фаза также протекает в пластидах. В процессе реакций этой фазы происходит захват специальным веществом молекул углекислого газа (СО2) из внешней среды. Путем целого ряда последовательных биохимических превращений из углекислого газа и водорода образуется шестиуглеродный сахар — глюкоза. Глюкоза может быть использована в дальнейшем как на синтез сложных углеводов, целлюлозы и крахмала, так и на образование белков и липидов.
Хемосинтез:
Многие виды бактерий, способные синтезировать необходимые им органические соединения из неорганических за счет энергии химических реакций окисления, происходящих в клетке, относятся к хемотрофам. Захватываемые бактерией вещества окисляются, а образующаяся энергия используется на синтез сложных органических молекул из С02 и Н20. Этот процесс носит название хемосинтеза.
Хемосинтез - это процесс синтеза органических веществ из неорганических за счёт энергии, освобождающейся при окислении неорганических соединений.
Важнейшую группу хемосинтезирующих организмов представляют собой нитрифицирующие бактерии.
Эти бактерии, обитая в почве, окисляют аммиак, образующийся при гниении органических остатков, до азотистой кислоты:
2NH3 + 3О2 = 2HN02 + 2Н2О + 653,5 кДж. Затем бактерии других видов этой группы окисляют азотистую кислоту до азотной: 2HNO2 + О2 = 2HNО3 +151,1 кДж. Взаимодействуя с минеральными веществами почвы, азотистая и азотная кислоты образуют соли, которые являются важнейшими компонентами минерального питания высших растений.
Водородные бактерии
Окисляют водород в качестве источника энергии
2Н2 + О2→ 2Н2О+235кДж
Источник углерода для них углекислый газ
Железобактерии
Переводят двувалентное железо в трёхвалентное
4FeCO3+O2+6H2O→4Fe(OH)3+4CO2
Бесцветные бактерии
Окисляют сероводород и накапливают в своих клетках серу.
2H2S+O2→2H2O+2S+272кДж
При недостатке сероводорода бактерии проводят дальнейшее окисление серы до серной кислоты
2S+3O2+2H2O→2H2SO4+636кДж
Биосинтез белков: Обмен белков в организме подразумевает расщепление тех, которые были употреблены в пищу, на аминокислоты и построение из последних своих собственных белков, свойственных именно данному живому существу. Пластический обмен - это синтез белков клеткой, он включает в себя два основных процесса: транскрипцию и трансляцию.
Транскрипция: Транскрипция — это процесс синтеза информационной РНК с помощью ДНК по принципу комплементарности. Осуществляется он в ядре клетки.
Трансляция: Этот термин обозначает перенос зашифрованной на иРНК информации о структуре белка на синтезирующийся полипептид. Местом для проведения данного процесса служит цитоплазма клетки, а именно, рибосома — специальный органоид, который отвечает за синтез белков. Это органелла овальной формы, состоящая из двух частей, которые соединяются в присутствии иРНК.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН.
Энергетический обмен в клетке подразделяют на три этапа. Первый этап — подготовительный. Во время него крупные пищевые полимерные молекулы распадаются на более мелкие фрагменты:
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.
Второй этап — неполное бескислородное расщепление веществ. На этом этапе вещества, образовавшиеся во время подготовительного этапа, разлагаются при помощи ферментов в отсутствие кислорода. Разберем этот этап на примере гликолиза — ферментативного расщепления глюкозы.
Гликолиз происходит в животных клетках и у некоторых микроорганизмов. Суммарно этот процесс можно представить в виде следующего уравнения: С6Н12О6 + 2Н3Р04 + 2АДФ → 2С3Н603 + 2АТФ + 2Н2О Таким образом, при гликолизе из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты (С3Н4О3), которая во многих клетках, например в мышечных, превращается в молочную кислоту (С3Н6О3), причем высвободившейся при этом энергии достаточно для превращения двух молекул АДФ в две молекулы АТФ.
У большинства растительных клеток и некоторых грибов второй этап энергетического обмена представлен спиртовым брожением: С6Н12О6+2Н3РО4+2АДФ→2С2Н5ОН +2С02 + 2АТФ + 2H2О Исходные продукты спиртового брожения те же, что и у гликолиза, но в результате образуется этиловый спирт, углекислый газ, вода и две молекулы АТФ. Есть такие микроорганизмы, которые разлагают глюкозу до ацетона, уксусной кислоты и других веществ, но в любом случае «энергетическая прибыль» клетки составляет две молекулы АТФ.
Третий этап энергетического обмена — полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание. При этом вещества, образовавшиеся на втором этапе, разрушаются до конечных продуктов — СО2 и Н2О. Этот этап можно представить себе в следующем виде: 2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36 АДФ → 6СО2 + 42 Н2О + 36АТФ. Таким образом, окисление двух молекул пировиноградной кислоты, образовавшихся при ферментативном расщеплении глюкозы до СО2 и Н2О, приводит к выделению большого количества энергии, достаточного для образования 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 (2800 кДж)
Способы получения энергии:
Автотрофы – организмы, синтезирующие из неорганических веществ органические.
Фототрофы – источник энергии – солнечный свет.
Хемотрофы - организмы в качестве внешнего источника энергии используют энергию химических связей пищи или восстановленных неорганических соединений - таких, как сероводород, метан, сера.
Гетеротрофы – не способны синтезировать органические вещества из неорганических.
Миксотрофы – сочетают в себе признаки как автотрофов, так и гетеротрофов.