Тема 6 Обмен веществ и энергией

Тема 6
Обмен веществ и энергией






Молекулы ДНК по большей части
двухцепочечные и закручены в спираль
Молекулы РНК всегда одноцепочечные, но
они могут изгибаться, образуя петли,
удерживаемые короткими участками со
спаренными основаниями
В организмах содержатся три вида РНК:
-м-РНК (или и-РНК) – комплементарна т-РНК
-т-РНК – имеет акцепторный участок и
антикодон
-р-РНК – входит в состав рибосом




Синтез белка начинается с
транскрипции.
Транскрипция – это синтез м-РНК по
матрице ДНК.
Процесс идет по принципу
комплементарности с помощью
фермента ДНК-полимеразы
Синтезированная м-РНК поступает в
цитоплазму на рибосомы
Транскрипция: синтез РНК на
ДНК-матрице




Второй этап биосинтеза называется
трансляцией
Трансляция – это перенос информации
с м-РНК на белок во время синтеза
Происходит на рибосомах, собранных в
полисомы
Ферментативный процесс, фермент –
синтетаза.



Два ключевых участка
транспортной РНК: конец,
присоединяющий
аминокислоту (или
акцепторный участок) и петля,
несущая три основания
антикодона
Эти основания соединяются
путем комплементарного
взаимодействия с тремя
основаниями кодона м-РНК
Благодаря этому на
соответствующее место в
полипептиде становится
«правильная» аминокислота
т -РНК
Этапы синтеза: А м-РНК присоединяется к рибосоме.
Антикодоны первых двух т-РНК спариваются с
кодонами м-РНК

Б. Фермент связывает аминокислоты друг с другом,
освобождая первую аминокислоту от от ее т-РНК




В.
Первая т-РНК покидает рибосому, чтобы
подобрать новую молекулу
аминокислоты. Рибосома перемещается
вдоль м-РНК и на ней оказывается
теперь третий кодон.
Вторая аминокислота соединяется с
третьей, а вторая покидает рибосому.
Все это повторяется до тех пор, пока
рибосома не дойдет до стоп-кодона

Схема биосинтеза белка: а – рибосома; б – матричная РНК;
в – транспортная РНК; г – образование полипептидной
связи; д – растущая полипептидная цепь
Синтез белка на полисомах
Энергетический обмен:
гликолиз, кислородное расщепление


Совокупность реакции расщепления
называют энергетическим обменом
клетки или диссимиляцией.
Диссимиляция прямо противоположна
ассимиляции: в результате расщепления
вещества утрачивают сходство с веществами
клетки.

Пластический и энергетический обмены
(ассимиляция и диссимиляция) находятся
между собой в неразрывной связи. С одной
стороны, реакции биосинтеза нуждаются в
затрате энергии, которая черпается из
реакций расщепления. С другой стороны, для
осуществления реакций энергетического
обмена необходим постоянный биосинтез,
обслуживающих эти реакции ферментов, так
как в процессе работы они изнашиваются и
разрушаются.

Сложные системы реакций, составляющие
процесс пластического и энергетического
обменов, тесно связаны не только между
собой, но и с внешней средой. Из внешней
среды в клетку поступают пищевые вещества,
которые служат материалом для реакций
пластического обмена, а в реакциях
расщепления из них освобождается энергия,
необходимая для функционирования клетки.
Во внешнюю среду выделяются вещества,
которые клеткой больше не могут быть
использованы.



Все проявления жизнедеятельности, все
функции клетки осуществляются с затратой
энергии. Энергия требует для движения
биосинтетических реакций, переноса веществ
через клеточные мембраны, для любых форм
клеточной активности.
Источником энергии в живых клетках,
обеспечивающим все виды их деятельности,
является аденозинтрифосфорная кислота
(АТФ).
Освобождающаяся при расщеплении АТФ
энергия обеспечивает любые виды клеточных
функций - движение, биосинтез, перенос
веществ через мембраны и др.
Строение молекулы АТФ


АТФ представляет единый и универсальный
источник энергии для функциональной
деятельности клетки. Отсюда понятно, что
возможна передача энергии из одних частей
клетки в другие и заготовка энергии впрок.
Синтез АТФ может происходить в одном месте
клетки и в одно время, а использоваться она
может в другом месте и в другое время.
Синтез АТФ осуществляется главным образом в
митохондриях. Именно поэтому митохондрии
называют "силовыми станциями" клетки.
Образовавшаяся здесь АТФ по каналам
эндоплазматической сети направляется в те
участки клетки, где возникает потребность в
энергии.

Вверху и в середине - вид
продольного среза через
митохондрию (вверху митохондрия из
эмбриональной клетки
кончика корня; в середине
- из клетки взрослого листа
элодеи). Внизу трехмерная схема, на
которой часть митохондрии
срезана, что позволяет
видеть ее внутреннее
строение. 1 - наружная
мембрана; 2 - внутренняя
мембрана; 3 - кристы; 4 матрикс.
Строение митохондрии.


Этапы энергетического обмена. Для изучения
энергетического обмена клетки его удобно
разделить на три последовательных этапа.
Рассмотрим их на примере животной клетки.
Первый этап подготовительный. На этом этапе
крупные молекулы углеводов, жиров, белков,
нуклеиновых кислот распадаются на мелкие
молекулы: из крахмала образуется глюкоза, из
жиров - глицерин и жирные кислоты, из белков аминокислоты, из нуклеиновых кислот нуклеотиды. Распад веществ на этом этапе
сопровождается незначительным энергетическим
эффектом. Вся освобождающаяся при этом энергия
рассеивается в виде тепла.




Второй этап энергетического обмена
называют бескислородным расщеплением
или гликолизом
Вещества, образовавшиеся в подготовительном
этапе вступают на путь дальнейшего распада. Это
сложный, многоступенчатый процесс.
Гликолиз представляет собой ряд
последовательных ферментативных реакций. на
начальной стадии в гликолиз вступают
шестиуглеродная глюкоза, Н3РО4 и АДФ. В итоге
образуются трехуглеродная молочная кислота,
АДФ и вода.
Суммарное уравнение гликолиза:
 С6Н12О6+2Н3РО4+2АДФ
=2С3Н6О3+2АТФ+2Н2О



Третий этап энергетического обмена стадия кислородного расщепления или
дыхания. Продукты, возникшие в
предшествующей стадии, окисляются до
конца, т. е. до СО2 и Н2О.
Основное условие осуществления этого
процесса - наличие в окружающей среде
кислорода и поглощение его клеткой.
Стадия кислородного расщепления, как и
предыдущая стадия бескислородного
расщепления, представляет собой ряд
последовательных ферментативных реакций.
Каждая реакция катализируется особым
ферментом.



Подробное исследование реакций кислородного
расщепления показало, что в этих реакциях так
же принимает участие Н3РО4 и АДФ.
В ходе кислородного расщепления двух
трехуглеродных молекул происходит
образование 36 молекул АТФ.
Суммарное уравнение кислородного процесса:



2С3Н6О3+6О2+366+36АДФ =6СО2+6Н2О+36АТФ+36Н2О
Суммарное уравнение полного расщепления
глюкозы:
С6Н12О6+6О2+38Н3РО4+38АДФ =6СО2+6Н2О+38АТФ+38Н2О



Химический цикл кислородного
расщепления называют циклом
Кребса (его также называют циклом
лимонной кислоты или циклом
трикарбоновых кислот) в честь
Ханса Адольфа Кребса, который в
1953 году был удостоен
Нобелевской премии за свое
открытие.
Цикл Кребса — это повторяющаяся
последователь биохимических
реакций, происходящих в процессе
дыхания животных, растений и
многих микроорганизмов.
На следующем слайде изображен
его упрощенный вариант. Числа в
скобках означают количество
углеродных атомов в каждой
органической молекуле
Энергия, которая позволяет этим бегунам выступить на
соревновании, получена в биохимических реакциях
цикла Кребса

Значение для клетки третьей, кислородной стадии
энергетического обмена очень велико. Если в ходе
бескислородного расщепления освобождается 200
кдж/моль (50 ккал/моль) глюкозы, то в стадии
кислородного процесса освобождается 2600 кдж
(650 ккал), т. е. в 13 раз больше. Если в ходе
бескислородного расщепления синтезируются две
молекулы АТФ, то в кислородную стадию их
образуется 36, т. е. в 18 раз больше. Иными
словами, в ходе расщепления глюкозы в клетке на
стадии кислородного процесса освобождается и
преобразуется в другие формы энергии свыше 90%
энергии глюкозы.

Окисление органических веществ, происходящее в клетке,
часто сравнивают с горением: в обоих случаях происходит
поглощение кислорода и выделение СО2 и Н2О. Однако
между этими процессами имеются глубокие различия.
Дыхание представляет высокоупорядоченный,
многоэтапный процесс. Благодаря участию в нем
ферментов оно идет с достаточной скоростью при
температуре, несравненно более низкой, чем горение.
Принципиально отличается в обоих процессах способ
преобразования химической энергии расщепляемых
веществ. При горении вся энергия переходит в тепловую.
Дальнейшее использование ее для производства работы
всегда происходит с низким к. п. д. При биологическом
окислении главная часть энергии переходит в химическую
энергию универсального энергетического вещества - АТФ,
которое в дальнейшем используется клеткой с к. п. д.,
недостижимым для тепловых двигателей.
Происхождение жизни на Земле
Происхождение жизни
Происхождение жизни, одна из центральных проблем
естествознания.
Теории, касающиеся возникновения Земли и жизни на
ней, да и всей Вселенной, разнообразны и далеко не
достоверны. Согласно теории стационарного состояния,
Вселенная существовала вечно. Согласно другим
гипотезам, Вселенная могла возникнуть из сгустка
нейтронов в результате «Большого взрыва», родилась в
одной из черных дыр или же была создана Творцом.
Вопреки бытующим представлениям, наука не может
опровергнуть тезис о божественном сотворении
Вселенной, так же как теологические взгляды не
обязательно отвергают возможность того, что жизнь в
процессе своего развития приобрела черты, объяснимые
на основе законов природы.
Среди многочисленных гипотез возникновения жизни на
Земле необходимо упомянуть следующие:
-жизнь была создана сверхъестественным существом в
определенное время (креационизм).
-жизнь возникала неоднократно из неживого вещества
(самозарождение).
-жизнь существовала всегда (теория стационарного
состояния).
-жизнь занесена на нашу планету извне (теория
панспермии).
-жизнь возникла однажды в результате процессов,
подчиняющихся химическим и физическим законам
(биохимическая эволюция
Общепризнанной теорией в
настоящее время является
теория биохимической
эволюции, предложенная в
1924 году русским ученым
Александром Ивановичем
Опариным
Эта гипотеза кажется наиболее состоятельной. Многие
ученые подтвердили возможность абиогенного синтеза
сложных органических веществ из простых
неорганических в условиях, которые предположительно
были характерны для "новорожденной" Земли.
Академиком А.И. Опариным были опытным путем
получены коацерваты - сложные белковые комплексы,
способные обмениваться с окружающей средой
веществами и избирательно накапливать различные
соединения. Но как бы ни были похожи коацерваты на
простейшие клетки живых организмов, живыми они не
являются. Никому не удалось опытным путем создать
живое существо. Поэтому все гипотезы являются
умозрительными.
Основные положения теории А.И. Опарина
Предполагают, что Земля сформировалась 4,5-5
млрд лет назад.
Древняя атмосфера состояла из водяных паров,
водорода, аммиака и метана.
В соответствии с теорией А.И. Опарина жизнь
возникла в несколько стадий:
Вероятно, на первом этапе в древней атмосфере
Земли сформировались простейшие
углеводороды. Предполагают, что необиогенез
начался 3-3,5 млрд лет назад.
В дальнейшем происходит освобождение
углеводородов в атмосферу Земли, где они
реагируют с водяными парами, аммиаком и
другими газами.
Эти реакции интенсифицировались УФ излучением
и электрическими разрядами в среде, содержащей
очень мало кислорода.
В этих условиях образовались молекулярный азот,
спирты, альдегиды, кетоны и органические
кислоты.
Благодаря абиогенной полимеризации и
конденсации эти молекулы становились близкими
по строению к соединениям, которые входят в
состав живых организмов.
Так возникли полимерные соединения, подобные
белкам, нуклеиновым кислотам и АТФ.
Происходит образование коацерватных капель.
А.И. Опарин считал, что в процессе эволюции
коацервация оказалась мощным средством
концентрации соединений высокой
молекулярной массы.
В дальнейшем шло совершенствование и
селекция коацерватов, которые становились
устойчивыми системами, обособленными от
среды и способными к реакциям.
У коацерватов совершенствуется метаболизм,
синтезируются и упорядочиваются мембраны, т.е.
появляются первичные организмы. При
поглощении ионов металлов происходило
образование ферментов. Увеличение размеров
коацерватов и их фрагментация, возможно, вели к
образованию идентичных коацерватов, т.е.
возникает деление и размножение. Вероятно, так
возникли первые сомовоспроизводящиеся
организмы – пробионты. Сложные процессы
химической эволюции, переходящей в
биохимическую и биологическую можно выразить
простой схемой:
На этой стадии заканчивается
предбиологическая и начинается
биологическая эволюция.
Предполагают, что первыми организмами
были гетеротрофы. Из-за отсутствия
кислорода в примитивной земной атмосфере
и гидросфере метаболизм первичных
организмов был анаэробным.
Как предполагают, они питались за счет
органических веществ, растворенных в
первичном океане.
•Однако запасы абиогенно возникших
органических субстанций постепенно
истощались. Это давало преимущество тем
организмам, которые обладали способностью
поглощать свет и создавать органические
вещества из неорганических соединений и
углерода.
• В результате отбора возник биологический путь
синтеза органического вещества – фотосинтез.
Предполагают, что первыми
фотосинтезирующими организмами были
цианобактерии. Вслед за фотосинтезом
наступило расхождение организмов на растения
и животных.
•Схема "биохимическая
эволюция"
Теория А.И. Опарина
нашла международное
признание, т.к. она
имеет ряд
экспериментальных
доказательств. В 1953
г. американец С.
Миллер, пропуская
электрический разряд
через нагретую смесь
метана, водорода, и
водяных паров,
получил абиогенным
путем аминокислоты
(глицин и аланин),
альдегиды, молочную,
уксусную и другие
кислоты.
Как любая научная теория, теория Опарина
непрерывно подвергается совершенствованию. В
последние годы стали появляться данные, что жизнь
возникла не в океане, а в геотермальных источниках в
архее и первыми полимерами были молекулы РНК, т.е.
жизнь началась с РНК. Предполагают, что местами
абиогенной поликонденсации азотистых оснований РНК
могли служить минералы цеолиты. Они могли быть
катализаторами, сходными с белками-ферментами,
появившимися значительно позднее. Цеолиты плавали
в горячих растворах с высоким содержанием метана,
аммиака и фосфатов, катализируя процесс сборки РНК.
В дальнейшем молекулы РНК объединились с
липидами, что подготовило жизнь в океане и начали
образовываться первичные жизненные формы.
Приверженцами внеземного происхождения
жизни на Земле были такие солидные фигуры
европейской науки как Г. Гельмгольц, Л.Пастер,
С. Аррениус, В. Вернадский, Ф. Крик.
Существуют многочисленные вариации того, как
именно жизнь попала на Землю, и самая
известная из них — теория панспермии. Согласно
ей жизнь широко распространена в межзвездном
пространстве, но поскольку там нет условий для
развития, живая материя превращается в
спермии, или споры, и таким образом
перемещается по космосу. Миллиарды лет назад
кометы занесли спермии на Землю, где
сложилась благоприятная для их раскрытия
среда.