В чем заключается пластический обмен. Пластический обмен, его суть и роль для организма. Классификация организмов по отношению к свободному кислороду

Обмен веществ (метаболизм) – это совокупность взаимосвязанных процессов синтеза и расщепления химических веществ, происходящих в организме. Биологи разделяют его

Слайд 19

на пластический (анаболизм ) и энергетический обмены (катаболизм ), которые связаны между собой. Все синтетические процессы нуждаются в веществах и энергии, поставляемых процессами расщепления. Процессы расщепления катализируются ферментами, синтезирующимися в ходе пластического обмена, с использованием продуктов и энергии энергетического обмена.

Для отдельных процессов, происходящих в организмах, используются следующие термины:

Анаболизм (ассимиляция ) – синтез более сложных мономеров из более простых с поглощением и накоплением энергии в виде химических связей в синтезированных веществах.

Катаболизм (диссимиляция ) – распад более сложных мономеров на более простые с освобождением энергии и ее запасанием в виде макроэргических связей АТФ.

Слайд 20

Живые существа для своей жизнедеятельности используют световую и химическую энергию. Зеленые растения – автотрофы ,– синтезируют органические соединения в процессе фотосинтеза, используя энергию солнечного света. Источником углерода для них является углекислый газ. Многие автотрофные прокариоты добывают энергию в процессе хемосинтеза – окисления неорганических соединений. Для них источником энергии могут быть соединения серы, азота, углерода. Гетеротрофы используют органические источники углерода, т.е. питаются готовыми органическими веществами. Среди растений могут встречаться те, которые питаются смешанным способом (миксотрофно ) – росянка, венерина мухоловка или даже гетеротроф– но – раффлезия. Из представителей одноклеточных животных миксотрофами считаются эвглены зеленые.

Слайд 21

Ферменты, их химическая природа, роль в метаболизме .

Ферменты – это всегда специфические белки – катализаторы. Термин «специфические» означает, что объект, по отношению к которому этот термин употребляется, имеет неповторимые особенности, свойства, характеристики. Каждый фермент обладает такими особенностями, потому что, как правило, катализирует определенный вид реакций. Ни одна биохимическая реакция в организме не происходит без участия ферментов. Особенности специфичности молекулы фермента объясняются ее строением и свойствами. В молекуле фермента есть активный центр, пространственная конфигурация которого соответствует пространственной конфигурации веществ, с которыми фермент взаимодействует. Узнав свой субстрат, фермент взаимодействует с ним и ускоряет его превращение.

Ферментами катализируются все биохимические реакции. Без их участия скорость этих реакций уменьшилась бы в сотни тысяч раз. В качестве примеров можно привести такие реакции, как участие РНК – полимеразы в синтезе – и-РНК на ДНК, действие уреазы на мочевину, роль АТФ – синтетазы в синтезе АТФ и другие. Обратите внимание на то, что названия многих ферментов оканчиваются на «аза».

Активность ферментов зависит от температуры, кислотности среды, количества субстрата, с которым он взаимодействует. При повышении температуры активность ферментов увеличивается. Однако происходит это до определенных пределов, т.к. при достаточно высоких температурах белок денатурируется. Среда, в которой могут функционировать ферменты, для каждой группы различна. Есть ферменты, которые активны в кислой или слабокислой среде или в щелочной или слабощелочной среде. В кислой среде активны ферменты желудочного сока у млекопитающих. В слабощелочной среде активны ферменты кишечного сока. Пищеварительный фермент поджелудочной железы активен в щелочной среде. Большинство же ферментов активны в нейтральной среде.

Слайд 22

Энергетический обмен в клетке (диссимиляция)

Энергетический обмен – это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ. Процессы расщепления органических соединений у аэробных организмов происходят в три этапа, каждый из которых сопровождается несколькими ферментативными реакциями.

Слайд 23

Первый этап – подготовительный . В желудочно-кишечном тракте многоклеточных организмов он осуществляется пищеварительными ферментами. У одноклеточных – ферментами лизосом. На первом этапе происходит расщепление белков до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, полисахаридов до моносахаридов, нуклеиновых кислот до нуклеотидов. Этот процесс называется пищеварением.

Второй этап – бескислородный (гликолиз ). Его биологический смысл заключается в начале постепенного расщепления и окисления глюкозы с накоплением энергии в виде 2 молекул АТФ. Гликолиз происходит в цитоплазме клеток. Он состоит из нескольких последовательных реакций превращения молекулы глюкозы в две молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) и две молекулы АТФ, в виде которой запасается часть энергии, выделившейся при гликолизе: С 6 Н 12 O 6 + 2АДФ + 2Ф > 2С 3 Н 4 O 3 + 2АТФ. Остальная энергия рассеивается в виде тепла.

В клетках дрожжей и растений (при недостатке кислорода ) пируват распадается на этиловый спирт и углекислый газ. Этот процесс называется спиртовым брожением .

Энергии, накопленной при гликолизе, слишком мало для организмов, использующих кислород для своего дыхания. Вот почему в мышцах животных, в том числе и у человека, при больших нагрузках и нехватке кислорода образуется молочная кислота (С 3 Н 6 O 3), которая накапливается в виде лактата. Появляется боль в мышцах. У нетренированных людей это происходит быстрее, чем у людей тренированных.

Третий этап – кислородный , состоящий из двух последовательных процессов – цикла Кребса, названного по имени Нобелевского лауреата Ганса Кребса, и окислительного фосфорилирования. Его смысл заключается в том, что при кислородном дыхании пируват окисляется до окончательных продуктов – углекислого газа и воды, а энергия, выделяющаяся при окислении, запасается в виде 36 молекул АТФ. (34 молекулы в цикле Кребса и 2 молекулы в ходе окислительного фосфорилирования). Эта энергия распада органических соединений обеспечивает реакции их синтеза в пластическом обмене. Кислородный этап возник после накопления в атмосфере достаточного количества молекулярного кислорода и появления аэробных организмов.

Окислительное фосфорилирование или клеточное дыхание происходит, на внутренних мембранах митохондрий, в которые встроены молекулы-переносчики электронов. В ходе этой стадии освобождается большая часть метаболической энергии. Молекулы-переносчики транспортируют электроны к молекулярному кислороду. Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть расходуется на образование АТФ.

Слайд 24

Суммарная реакция энергетического обмена:

С 6 Н 12 O 6 + 6O 2 > 6СO 2 + 6Н 2 O + 38АТФ.

Слайд 25

Фотосинтез и хемосинтез

Все живые существа нуждаются в пище и питательных веществах. Питаясь, они используют энергию, запасенную, прежде всего, в органических соединениях – белках, жирах, углеводах. Гетеротрофные организмы, как уже говорилось, используют пищу растительного и животного происхождения, уже содержащую органические соединения. Растения же создают органические вещества в процессе фотосинтеза. Исследования в области фотосинтеза начались в 1630 г. экспериментами голландца ван Гельмонта. Он доказал, что растения получают органические вещества не из почвы, а создают их самостоятельно. Джозеф Пристли в 1771 г. доказал «исправление» воздуха растениями. Помещенные под стеклянный колпак они поглощали углекислый газ, выделяемый тлеющей лучиной. Исследования продолжались, и в настоящее время установлено, что фотосинтез – это процесс образования органических соединений из диоксида углерода (СО 2) и воды с использованием энергии света и проходящий в хлоропластах зеленых растений и зеленых пигментах некоторых фотосинтезирующих бактерий.

Хлоропласты и складки цитоплазматической мембраны прокариот содержат зеленый пигмент – хлорофилл .

Молекула хлорофилла способна возбуждаться под действием солнечного света и отдавать свои электроны и перемещать их на более высокие энергетические уровни. Этот процесс можно сравнить с подброшенным вверх мячом. Поднимаясь, мяч запасается потенциальной энергией; падая, он теряет ее. Электроны не падают обратно, а подхватываются переносчиками электронов (НАДФ + – никотинамиддифосфат ). При этом энергия, накопленная ими ранее, частично расходуется на образование АТФ. Продолжая сравнение с подброшенным мячом, можно сказать, что мяч, падая, нагревает окружающее пространство, а часть энергии падающих электронов запасается в виде АТФ.

Слайд 26

Процесс фотосинтеза подразделяется на реакции, вызываемые светом, и реакции, связанные с фиксацией углерода. Их называют световой и темновой фазами.

Слайд 27

«Световая фаза» – это этап, на котором энергия света, поглощенная хлорофиллом, преобразуется в электрохимическую энергию в цепи переноса электронов. Осуществляется на свету, в мембранах гран при участии белков – переносчиков и АТФ-синтетазы.

Реакции, вызываемые светом, происходят на фотосинтетических мембранах гран хлоропластов:

1) возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;

2) восстановление акцепторов электронов – НАДФ + до НАДФ Н

2Н + + 4е - + НАДФ + > НАДФ Н;

3) фотолиз воды , происходящий при участии квантов света: 2Н 2 О > 4Н + + 4е - + О 2 .

Данный процесс происходит внутри тилакоидов – складках внутренней мембраны хлоропластов. Из тилакоидов формируются граны – стопки мембран.

Результатами световых реакций являются: фотолиз воды с образованием свободного кислорода, синтез АТФ, восстановление НАДФ+ до НАДФ Н. Таким образом свет нужен только для синтеза АТФ и НАДФ-Н.

Слайд 28

«Темновая фаза» – процесс преобразования СО 2 в глюкозу в строме (пространстве между гранами) хлоропластов с использованием энергии АТФ и НАДФ Н.

Результатом темновых реакций являются превращения углекислого газа в глюкозу, а затем в крахмал. Помимо молекул глюкозы в строме происходит образование, аминокислот, нуклеотидов, спиртов.

Слайд 29

Суммарное уравнение фотосинтеза -

Слайд 30

Значение фотосинтеза .

В процессе фотосинтеза образуется свободный кислород, который необходим для дыхания организмов:

кислородом образован защитный озоновый экран, предохраняющий организмы от вредного воздействия ультрафиолетового излучения;

фотосинтез обеспечивает производство исходных органических веществ, а следовательно, пищу для всех живых существ;

фотосинтез способствует снижению концентрации диоксида углерода в атмосфере.

Слайд 31

Хемосинтез – образование органических соединений из неорганических за счет энергии окислительно-восстановительных реакций соединений азота, железа, серы. Существует несколько видов хемосинтетических реакций:

1) окисление аммиака до азотистой и азотной кислоты нитрифицирующими бактериями:

NH 3 > HNQ 2 > HNO 3 + Q;

2)превращение двухвалентного железа в трехвалентное железобактериями:

Fe 2+ >Fe 3+ + Q;

3)окисление сероводорода до серы или серной кислоты серобактериями

H 2 S + O 2 = 2H 2 O + 2S + Q,

H 2 S + O 2 = 2H 2 SO 4 + Q.

Выделяемая энергия используется для синтеза органических веществ.

Роль хемосинтеза. Бактерии – хемосинтетики, разрушают горные породы, очищают сточные воды, участвуют в образовании полезных ископаемых.

Видео «Фотосинтез»

Перерыв

Процессы пластического и энергетического обмена неразрывно связаны между собой. Все синтетические (анаболические) процессы нуждаются в энергии, поставляемой в ходе реакций диссимиляции. Сами же реакции расщепления (катаболизма) протекают лишь при участии ферментов, синтезируемых в процессе ассимиляции.

Роль ФТФ в метаболизме

Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме высокоэнергетических соединений, как правило, в форме аденозинтрифосфата (АТФ). По своей химической природе АТФ относится к мононуклеотидам.

АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) - мононуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэргическими связями.

В этих связях запасена энергия, которая высвобождается при их разрыве:
АТФ + H 2 O → АДФ + H 3 PO 4 + Q 1
АДФ + H 2 O → АМФ + H 3 PO 4 + Q 2
АМФ + H 2 O → аденин + рибоза + H 3 PO 4 + Q 3 ,
где АТФ - аденозинтрифосфорная кислота; АДФ - аденозиндифосфорная кислота; АМФ - аденозинмонофосфорная кислота; Q 1 = Q 2 = 30,6 кДж; Q 3 = 13,8 кДж.
Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования. Фосфорилирование - присоединение остатка фосфорной кислоты к АДФ (АДФ + Ф → АТФ). Он происходит с разной интенсивностью при дыхании, брожении и фотосинтезе. АТФ обновляется чрезвычайно быстро (у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин).
Энергия, накопленная в молекулах АТФ, используется организмом в анаболических реакциях (реакциях биосинтеза). Молекула АТФ является универсальным хранителем и переносчиком энергии для всех живых существ.

Энергетический обмен

Энергию, необходимую для жизнедеятельности, большинство организмов получают в результате процессов окисления органических веществ, то есть в результате катаболических реакций. Важнейшим соединением, выступающим в роли топлива, является глюкоза.
По отношению к свободному кислороду организмы делятся на три группы.

Классификация организмов по отношению к свободному кислороду

У облигатных аэробов и факультативных анаэробов в присутствии кислорода катаболизм протекает в три этапа: подготовительный, бес- кислородный и кислородный. В результате органические вещества распадаются до неорганических соединений. У облигатных анаэробов и факультативных анаэробов при недостатке кислорода катаболизм протекает в два первых этапа: подготовительный и бескислородный. В результате образуются промежуточные органические соединения, еще богатые энергией.

Этапы катаболизма

1. Первый этап - подготовительный - заключается в ферментативном расщеплении сложных органических соединений на более простые. Белки расщепляются до аминокислот, жиры - до глицерина и жирных кислот, полисахариды - до моносахаридов, нуклеиновые кислоты - до нуклеотидов. У многоклеточных организмов это происходит в желудочно-кишечном тракте, у одноклеточных - в лизосомах под действием гидролитических ферментов. Высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде теплоты. Образовавшиеся органические соединения либо подвергаются дальнейшему окислению, либо используются клеткой для синтеза собственных органических соединений.
2. Второй этап - неполное окисление (бескислородный) - заключается в дальнейшем расщеплении органических веществ, осуществляется в цитоплазме клетки без участия кислорода. Главным источником энергии в клетке является глюкоза. Бескислородное, неполное окисление глюкозы называется гликолизом. В результате гликолиза одной молекулы глюкозы образуется по две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК, пируват) CH 3 COCOOH, АТФ и воды, а также атомы водорода, которые связываются молекулой-переносчиком НАД + и запасаются в виде НАД·Н.
Суммарная формула гликолиза имеет следующий вид:
C 6 H 12 O 6 + 2H 3 PO 4 + 2АДФ + 2НАД+ → 2C 3 Н 4 O 3 + 2H 2 O + 2АТФ + 2НАД·Н.
Далее при отсутствии в среде кислорода продукты гликолиза (ПВК и НАД·Н) перерабатываются либо в этиловый спирт - спиртовое брожение (в клетках дрожжей и растений при недостатке кислорода)
CH 3 COCOOH → СО 2 + СН 3 СОН
СН 3 СОН + 2НАД·Н → С 2 Н 5 ОН + 2НАД + ,
либо в молочную кислоту - молочнокислое брожение (в клетках животных при недостатке кислорода)
CH 3 COCOOH + 2НАД·Н → C 3 Н 6 O 3 + 2НАД + .
При наличии в среде кислорода продукты гликолиза претерпевают дальнейшее расщепление до конечных продуктов.
3. Третий этап - полное окисление (дыхание) - заключается в окислении ПВК до углекислого газа и воды, осуществляется в митохондриях при обязательном участии кислорода.
Он состоит из трёх стадий:
А) образование ацетилкоэнзима А;
Б) окисление ацетилкоэнзима А в цикле Кребса;
В) окислительное фосфорилирование в электронотранспортной цепи.

А. На первой стадии ПВК переносится из цитоплазмы в митохондрии, где взаимодействует с ферментами матрикса и образует 1) диоксид углерода, который выводится из клетки; 2) атомы водорода, которые молекулами-переносчиками доставляются к внутренней мембране митохондрии; 3) ацетилкофермент А (ацетил-КоА).
Б. На второй стадии происходит окисление ацетилкоэнзима А в цикле Кребса. Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты) - это цепь последовательных реакций, в ходе которых из одной молекулы ацетил-КоА образуются 1) две молекулы диоксида углерода, 2) молекула АТФ и 3) четыре пары атомов водорода, передаваемые на молекулы-переносчики - НАД и ФАД. Таким образом, в результате гликолиза и цикла Кребса молекула глюкозы расщепляется до СО 2 , а высвободившаяся при этом энергия расходуется на синтез 4 АТФ и накапливается в 10 НАД·Н и 4 ФАД·Н 2 .
В. На третьей стадии атомы водорода с НАД·Н и ФАД·Н 2 окисляются молекулярным кислородом О 2 с образованием воды. Один НАД·Н способен образовывать 3 АТФ, а один ФАД·Н 2 –2 АТФ. Таким образом, выделяющаяся при этом энергия запасается в виде ещё 34 АТФ.
Этот процесс протекает следующим образом. Атомы водорода концентрируются около наружной стороны внутренней мембраны митохондрии. Они теряют электроны, которые по цепи молекул-переносчиков (цитохромов) электронотранспортной цепи (ЭТЦ) переносятся на внутреннюю сторону внутренней мембраны, где соединяются с молекулами кислорода:
О 2 + е - → О 2 - .
В результате деятельности ферментов цепи переноса электронов внутренняя мембрана митохондрий изнутри заряжается отрицательно (за счёт О 2 -), а снаружи - положительно (за счёт Н +), так что между её поверхностями создаётся разность потенциалов. Во внутреннюю мембрану митохондрий встроены молекулы фермента АТФ- синтетазы, обладающие ионным каналом. Когда разность потенциалов на мембране достигает критического уровня, положительно заряженные частицы H + силой электрического поля начинают проталкиваться через канал АТФазы и, оказавшись на внутренней поверхности мембраны, взаимодействуют с кислородом, образуя воду:
1/2О 2 - +2H + → Н 2 О.
Энергия ионов водорода H + , транспортирующихся через ионный канал внутренней мембраны митохондрии, используется для фосфорилирования АДФ в АТФ:
АДФ + Ф → АТФ.
Такое образование АТФ в митохондриях при участии кислорода называется окислительным фосфорилированием.
Суммарное уравнение расщепления глюкозы в процессе клеточного дыхания:
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 38H 3 PO 4 + 38АДФ → 6CO 2 + 44H 2 O + 38АТФ.
Таким образом, в ходе гликолиза образуются 2 молекулы АТФ, в ходе клеточного дыхания - ещё 36 молекул АТФ, в целом при пол- ном окислении глюкозы - 38 молекул АТФ.

Пластический обмен

Пластический обмен, или ассимиляция, представляет собой совокупность реакций, обеспечивающих синтез сложных органических соединений из более простых (фотосинтез, хемосинтез, биосинтез белка и др.).

Гетеротрофные организмы строят собственные органические вещества из органических компонентов пищи. Гетеротрофная ассимиляция сводится, по существу, к перестройке молекул:
органические вещества пищи (белки, жиры, углеводы) → простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) → макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).
Автотрофные организмы способны полностью самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических молекул, потребляемых из внешней среды. В процессе фото- и хемосинтеза происходит образование простых органических соединений, из которых в дальнейшем синтезируются макромолекулы:
неорганические вещества (СО 2 , Н 2 О) → простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) → макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).

Фотосинтез

Фотосинтез - синтез органических соединений из неорганических за счёт энергии света. Суммарное уравнение фотосинтеза:

Фотосинтез протекает при участии фотосинтезирующих пигментов , обладающих уникальным свойством преобразования энергии солнечного света в энергию химической связи в виде АТФ. Фотосинтезирующие пигменты представляют собой белковоподобные вещества. Наиболее важным является пигмент хлорофилл. У эукариот фотосинтезирующие пигменты встроены во внутреннюю мембрану пластид, у прокариот - во впячивания цитоплазматической мембраны.
Строение хлоропласта очень похоже на строение митохондрии. Во внутренней мембране тилакоидов гран содержатся фотосинтетические пигменты, а также белки цепи переноса электронов и молекулы фермента АТФ-синтетазы.
Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой.
1. Световая фаза фотосинтеза протекает только на свету в мембране тилакоидов граны.
К ней относятся поглощение хлорофиллом квантов света, образование молекулы АТФ и фотолиз воды.
Под действием кванта света (hv) хлорофилл теряет электроны, переходя в возбуждённое состояние:

Эти электроны передаются переносчиками на наружную, то есть обращенную к матриксу поверхность мембраны тилакоидов, где накапливаются.
Одновременно внутри тилакоидов происходит фотолиз воды, то есть её разложение под действием света:

Образующиеся электроны передаются переносчиками к молекулам хлорофилла и восстанавливают их. Молекулы хлорофилла возвращаются в стабильное состояние.
Протоны водорода, образовавшиеся при фотолизе воды, накапливаются внутри тилакоида, создавая Н + -резервуар. В результате внутренняя поверхность мембраны тилакоида заряжается положительно (за счёт Н +), а наружная - отрицательно (за счёт е -). По мере накопления по обе стороны мембраны противоположно заряженных частиц нарастает разность потенциалов. При достижении критической величины разности потенциалов сила электрического поля начинает проталкивать протоны через канал АТФ-синтетазы. Выделяющаяся при этом энергия используется для фосфорилирования молекул АДФ:
АДФ + Ф → АТФ.

Образование АТФ в процессе фотосинтеза под действием энергии света называется фотофосфорилированием .
Ионы водорода, оказавшись на наружной поверхности мембраны тилакоида, встречаются там с электронами и образуют атомарный водород, который связывается с молекулой-переносчиком водорода НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат):
2Н + + 4е – + НАДФ + → НАДФ·Н 2 .
Таким образом, во время световой фазы фотосинтеза происходят три процесса: образование кислорода вследствие разложения воды, синтез АТФ и образование атомов водорода в форме НАДФ·Н 2 . Кислород диффундирует в атмосферу, а АТФ и НАДФ·Н 2 участвуют в процессах темновой фазы.
2. Темновая фаза фотосинтеза протекает в матриксе хлоропласта как на свету, так и в темноте и представляет собой ряд последовательных преобразований СО 2 , поступающего из воздуха, в цикле Кальвина. Осуществляются реакции темновой фазы за счёт энергии АТФ. В цикле Кальвина СО 2 связывается с водородом из НАДФ·Н 2 с образованием глюкозы.
В процессе фотосинтеза кроме моносахаридов (глюкоза и др.) синтезируются мономеры других органических соединений - аминокислоты, глицерин и жирные кислоты. Таким образом, благодаря фотосинтезу растения обеспечивают себя и всё живое на Земле необходимыми органическими веществами и кислородом.
Сравнительная характеристика фотосинтеза и дыхания эукариот представлена в таблице.

Сравнительная характеристика фотосинтеза и дыхания эукариот

Признак	Фотосинтез	Дыхание
Уравнение реакции	6СО 2 + 6Н 2 О + энергия света → C 6 H 12 O 6 + 6O 2	C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6СО 2 + 6Н 2 О + энергия (АТФ)
Исходные вещества	Углекислый газ, вода
Продукты реакции	Органические вещества, кислород	Углекислый газ, вода
Значение в круговороте веществ	Синтез органических веществ из неорганических	Разложение органических веществ до неорганических
Превращение энергии	Превращение энергии света в энергию химических связей органических веществ	Превращение энергии химических связей органических веществ в энергию макроэргических связей АТФ
Важнейшие этапы	Световая и темновая фаза (включая цикл Кальвина)	Неполное окисление (гликолиз) и полное окисление (включая цикл Кребса)
Место протекания процесса	Хлоропласты	Гиалоплазма (неполное окисление) и митохондрии (полное окисление)

Генетическая информация у всех организмов хранится в виде определённой последовательности нуклеотидов ДНК (или РНК у РНК-содержащих вирусов). Прокариоты содержат генетическую информацию в виде одной молекулы ДНК. В эукариотических клетках генетический материал распределён в нескольких молекулах ДНК, организованных в хромосомы.
ДНК состоит из кодирующих и некодирующих участков. Кодирующие участки кодируют РНК. Некодирующие области ДНК выполняют структурную функцию, позволяя участкам генетического материала упаковываться определённым образом, или регуляторную функцию, участвуя во включении генов, направляющих синтез белка.
Кодирующими участками ДНК являются гены. Ген - участок молекулы ДНК, кодирующей синтез одной мРНК (и соответственно полипептида), рРНК или тРНК.
Участок хромосомы, где расположен ген называется локусом . Совокупность генов клеточного ядра представляет собой генотип , совокупность генов гаплоидного набора хромосом - гено́м , совокупность генов внеядерных ДНК (митохондрий, пластид, цитоплазмы) - плазмон .
Реализация информации, записанной в генах, через синтез белков называется экспрессией (проявлением) генов. Генетическая информация хранится в виде определённой последовательности нуклеотидов ДНК, а реализуется в виде последовательности аминокислот в белке. Посредниками, переносчиками информации выступают РНК. То есть реализация генетической информации происходит следующим образом:
ДНК → РНК → белок.
Этот процесс осуществляется в два этапа:
1) транскрипция;
2) трансляция.

Транскрипция (от лат. transcriptio - переписывание) - синтез РНК с использованием ДНК в качестве матрицы. В результате образуются мРНК, тРНК и рРНК. Процесс транскрипции требует больших затрат энергии в виде АТФ и осуществляется ферментом РНК-полимеразой.

Одновременно транскрибируется не вся молекула ДНК, а лишь отдельные её отрезки. Такой отрезок (транскриптон ) начинается промотором - участком ДНК, куда присоединяется РНК-полимераза и откуда начинается транскрипция, а заканчивается терминатором - участком ДНК, содержащим сигнал окончания транскрипции. Транскриптон - это ген с точки зрения молекулярной биологии.
Транскрипция, как и репликация, основана на способности азотистых оснований нуклеотидов к комплементарному связыванию. На время транскрипции двойная цепь ДНК разрывается, и синтез РНК осуществляется по одной цепи ДНК.

В процессе транскрипции последовательность нуклеотидов ДНК переписывается на синтезирующуюся молекулу мРНК, которая выступает в качестве матрицы в процессе биосинтеза белка.
Гены прокариот состоят только из кодирующих нуклеотидных последовательностей.

Гены эукариот состоят из чередующихся кодирующих (экзонов ) и некодирующих (интронов ) участков.

После транскрипции участки мРНК, соответствующие интронам, удаляются в ходе сплайсинга, являющегося составной частью процессинга.

Процессинг - процесс формирования зрелой мРНК из её предшественника пре-мРНК. Он включает два основных события. 1.Присоединение к концам мРНК коротких последовательностей нуклеотидов, обозначающих место начала и место конца трансляции. Сплайсинг - удаление неинформативных последовательностей мРНК, соответствующих интронам ДНК. В результате сплайсинга молекулярная масса мРНК уменьшается в 10 раз. Трансляция (от лат. translatio - перевод) - синтез полипептидной цепи с использованием мРНК в роли матрицы.

В трансляции участвуют все три типа РНК: мРНК является информационной матрицей; тРНК доставляют аминокислоты и узнают кодоны; рРНК вместе с белками образуют рибосомы, которые удерживают мРНК, тРНК и белок и осуществляют синтез полипептидной цепи.

Этапы трансляции

Этап	Характеристика
Инициация	Сборка комплекса, участвующего в синтезе полипептидной цепи. Малая субчастица рибосомы соединяется с инициаторной мет-трнк , а затем с мрн к, после чего происходит образование целой рибосомы, состоящей из малой и большой субчастиц.
Элонгация	Удлинение полипептидной цепи. Рибосома перемещается вдоль мрнк , что сопровождается многократным повторением цикла присоединения очередной аминокислоты к растущей полипептидной цепи.
Терминация	Завершение синтеза полипептидной молекулы. Рибосома достигает одного из трёх стоп-кодонов мрнк , а так как не существует трнк с антикодонами, комплементарными стоп-кодонам, синтез полипептидной цепи прекращается. Она высвобождается и отделяется от рибосомы. Рибосомные субчастицы диссоциируют, отделяются от мрнк и могут принять участие в синтезе следующей полипептидной цепи.

Реакции матричного синтеза. К реакциям матричного синтеза относятся

• самоудвоение ДНК (репликация);
• образование мРНК, тРНК и рРНК на молекуле ДНК (транскрипция);
• биосинтез белка на мРНК (трансляция).

Все эти реакции объединяет то, что молекула ДНК в одном случае или молекула мРНК в другом выступают в роли матрицы, на которой происходит образование одинаковых молекул. Реакции матричного синтеза являются основой способности живых организмов к воспроизведению себе подобных.
Регуляция экспрессии генов . Тело многоклеточного организма построено из разнообразных клеточных типов. Они отличаются структурой и функциями, то есть дифференцированы. Различия проявляются в том, что помимо белков, необходимых любой клетке организма, клетки каждого типа синтезируют ещё и специализированные белки: в эпидермисе образуется кератин, в эритроцитах - гемоглобин и т. д. Клеточная дифференцировка обусловлена изменением набора экспрессируемых генов и не сопровождается какими-либо необратимыми изменениями в структуре самих последовательностей ДНК.

2.5.3. 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.

Стадии энергетического обмена

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 + :

С 6 Н 12 0 6 + 2Н 3 Р0 4 + 2АДФ + 2НАД → 2С 3 Н 4 0 3 + 2АТФ + 2НАДН + Н + + 2Н 2 0.

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.

Дыхание

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):

С 3 Н 4 0 3 + НАД + Н~КоА →СН 3 СО~КоА + НАДН + Н + + С0 2 .

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 ФАДН 2 . 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:

0 2 +2е- →0 2 - .

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:

4Н + + О 2 - →2Н 2 0.

Совокупность реакций кислородного дыхания может быть выражена следующим образом: 2С 3 Н 4 0 3 + 60 2 + 36Н 3 Р0 4 + 36АДФ → 6C0 2 + 38Н 2 0 + 36АТФ.

Суммарное уравнение дыхания выглядит таким образом:

С 6 Н 12 0 6 + 60 2 + 38Н 3 Р0 4 + 38АДФ→ 6С0 2 + 40Н 2 0 + 38АТФ.

Брожение

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:

2С 3 Н 4 0 3 + 2НАДН + Н + → 2С 3 Н 6 0 3 + 2НАД.

При брожении с помощью дрожжевых грибов пировиноградная кислота в присутствии кисло­рода превращается в этиловый спирт и оксид углерода (IV):

С 3 Н 4 0 3 + Н 3 Р0 4 + АДФ + НАДН + Н + →С 2 Н 5 ОН + С0 2 + АТФ + Н 2 0 + НАД + .

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:

НАДФ + 2е- + 2Н + → НАДФН + Н + .

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:

Н 2 0 →2Н + +2е- +1/2О 2

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:

2Н 2 0 + 2НАДФ + 3АДФ + ЗН 3 Р0 4 → 2НАДФН + Н + + 3АТФ.

В ходе темновых реакций фотосинтеза (рис. 2.45) происходит связывание молекул С0 2 в виде углеводов, на которое расходуются молекулы АТФ и НАДФН + Н + , синтезированные в световых реакциях:

6С0 2 + 12 НАДФН + Н + + 18АТФ→ С 6 Н 12 0 6 + 6Н 2 0 + 12 НАДФ + 18АДФ + 18Н 3 Р0 4 .

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:

6С0 2 + 12Н 2 0 → С 6 Н 12 0 6 + 60 2 + 6Н 2 0, или

6С0 2 + 6Н 2 0 →С 6 Н 12 0 6 + 60 2 .

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 дм 2 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:

2NH 3 +30 2 → 2HNO 2 + 2Н 2 0 + 663 кДж,

2HN0 2 + 0 2 →2HN0 3 + 192 кДж.

Серобактерии окисляют сероводород до серы, а в некоторых случаях и до серной кислоты:

H 2 S + 0 2 → 2Н 2 0 + 2S + 272 кДж,

2S + 30 2 + Н 2 0 → H 2 S0 4 + 483 кДж.

Железобактерии окисляют соли железа:

4FeC0 3 + 0 2 + 6Н 2 0 →4Fe(OH) 3 + 4С0 2 + 324 кДж.

Водородные бактерии способны окислять молекулярный водород:

2Н 2 + 0 2 → 2Н 2 0 + 235 кДж.

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.

Пластический обмен веществ обозначает совокупность реакций: усвоение и преобразование поступаемых веществ с участием энергии. Организм человека состоит из сложных химических непрекращающихся реакций, как синтез и расщепление, посредством которых разрушаются одни вещества и образуются другие.

Что такое пластический обмен веществ

Получаемый кислород, органические вещества, вода и минеральные соли преобразуются, и человек выделяет наружу конечные продукты метаболизма, как вода, креатинин, азотосодержащие соединения, соли мочевой кислоты и другие излишки, поддерживая этим основную функцию обмена веществ. Метаболизм человека состоит из противоположных, но неотделимых действий ассимиляции (пластического обмена) и диссимиляции (энергетического обмена).

Организм, вследствие расщепления, пополняется необходимой энергией, частью которой делиться с окружающей средой в виде рассеивания тепла. Сочетание таких процессов, определяющих условия усвоения и накопления необходимой энергии, составляют суть пластического обмена и жизнедеятельности в целом.

Получаемые организмом питательные вещества участвуют в синтезе белков, углеводном обмене и отвечают за качество построения новых клеток. Благодаря пластическому обмену происходит развитие и деление клеток, способных меняться на протяжении жизни.

Например, только за сутки в желудке и кишечнике человека меняется до половины эпителиальных клеток, 1,75 клеток костного скелета и миллиарды лейкоцитов и эритроцитов крови. Значение этого вида обмена сводится к обеспечению клетки строительным материалом белком и органическими веществами.

Значение белка для организма и метоболизма

Белки являются пластическим материалом, а его молекулы постоянно обновляются. Место любой разрушенной молекулы занимает новая, и таким образом клетка сохраняет одинаковый химический состав. Подобное обновление происходит благодаря белковым продуктам и через реутилизацию собственных белков. Из 20 аминокислот, отвечающих за образование белков белки, 10 остаются незаменимыми они не способны синтезироваться организмом. Если брать тот факт, что в конечный распад составляют азотосодержащие соединения, а белковый обмен оценивается по азотистому балансу в соотношении поступления и выделения организмом, и ему требуется сохранение определенного оптимума для поддержания жизнедеятельности.

Виды обменов взаимодополняемы, но не всегда сбалансированы, потому как на процесс метаболизма влияет возраст человека. В молодости преобладает пластический обмен в период интенсивного развития организма подразумевается большое количество питательных веществ, что нехарактерно для более зрелых людей.

Конспект урока биологии в 8 классе «Обмен веществ. Пластический и энергетический обмен»

Цель урока:

1. Сформировать теоретические знания о пластическом и энергетическом обменах, проследить их взаимосвязь, раскрыть особенности обмена воды, минеральных солей, белков, жиров и углеводов.

2. Содействовать развитию навыков научного мышления, умение анализировать, синтезировать знания, ставить перед собой цели и добиваться их реализации.

3. Воспитывать интерес к урокам биологии, через применение мультимедийного оборудования; уважение к учителю, одноклассникам, их труду (работа в парах); ответственное отношение к собственной работе.

Тип урока: изучение нового материала

Методы : словесный, наглядный.

Оборудование : мультимедийное оборудование (проектор, экран, компьютер)

Ход урока:

1. Организационный момент (проверка готовности к уроку)

Здравствуйте, ребята! На этом уроке нас ждут интересные и познавательные моменты.

1. Сообщение темы урока.

На прошлом уроке мы завершили изучение сложной, но в свою очередь интересной темы «Внутренняя среда организма». Для того чтобы определить тему этого урока, необходимо разгадать кроссворд, а за одно и повторим изученный материал:

Вопросы:

1. Особый вид соединительной ткани
2. Сгусток крови
3. Прозрачная жидкость, в которой много лимфоцитов
4. Белок, разносчик кослорода
5. Препарат, приготовленный из культур ослабленных микроорганизмов
6. Сосуды, несущие кровь к сердцу
7. Главный орган кровообращения
8. Движение крови в кровеносной системе
9. Сосуды, по которым кровь течет от сердца
10. Иммунитет, вырабатываемый в результате перенесенных болезней
11. Невосприимчивость организма к инфекционным заболеваниям
12. Препарат, получаемый из крови животного

1. Сообщение цели урока.

На этом уроке мы рассмотрим пластический и энергетический обмены, проследим их взаимосвязь, раскроем особенности обмена воды, минеральных солей, белков, жиров и углеводов.

IV. Актуализация знаний необходимых для усвоения нового материала

Учитель: Вспомните основные признаки живых организмов. Почему питание, дыхание, выделение продуктов жизнедеятельности выделены среди других признаков живого?

Вспомните, что называется питанием, дыханием, выделением. Остаются ли неизменными вещества, поступившие из внешней среды в организм?

Таким образом, обобщив и упорядочив все выше сказанное, сформулируйте определение обмен веществ.

1. Изучение новой темы

Обмен веществ в клетке (метаболизм)

Пластический обмен Ассимиляция

Энергетический обмен Диссимиляция

Анаболизм Биосинтез

Катаболизм Распад

А теперь рассмотрим эти процессы поэтапно. Запишите в тетрадях.

Пластический обмен. Вещества, необходимые для данного этапа поступают в клетку вместе с кровью и образуются в процессе пищеварения. Итак, давайте вспомним процесс пищеварения.

Актуализация знаний по пройденной теме:

Что такое пищеварение?

Где расщепляются углеводы и до чего?

Где расщепляются белки и до чего?

Где расщепляются жиры и до чего?

Итак, высокомолекулярные соединения превратились в низкомолекулярные для того, чтобы кровь могла доставить их в клетку. В клетке же из этих низкомолекулярных соединений происходит повторный синтез высокомолекулярных соединений.

Строительным материалом является клетка. Вещества, образовавшиеся в процессе пластического обмена, в первую очередь идут на построение новых клеток. За счет чего мы растем и восстанавливаем клетки, которые погибают в процессе жизнедеятельности. Но для жизнедеятельности организма необходима и энергия. Эту энергию мы получаем в процессе энергетического обмена. В процессе данного этапа часть высокомолекулярных соединений расщепляется. Этот процесс протекает сам поэтапно. Сначала они вновь расщепляются до тех же соединений, которые образуются в процессе пищеварения, давайте вспомним и запишем, (вопросы и ответы)

Углеводы – глюкоза

Белки – аминокислоты

Жиры – глицерин и 3 молекулы жирных кислот

Глюкоза – СO2 , H 2O +энергия

Аминокислоты – СO2 , H 2O +энергия + соединения азота, его соли Глицерин+3 молекулы жирных кислот – СO2 , H 2O +энергия.

В организме человека постоянно идут сложные процессы превращения энергии. В результате одних организм пополняется энергией, в результате других теряет ее. Например, при распаде органических соединений энергия (химическая) освобождается и превращается в электрическую и механическую. Электроэнергия обеспечивает передачу нервных импульсов по нервным волокнам, а механическая – сокращение мышц. В конечном итоге вся энергия переходит в тепловую. Тепло поддерживает температуру тела, избыток удаляется в окружающую среду. Таким образом, организм подчиняется закону сохранения энергии.

При изучении какого предмета вы познакомились с этим законом?

Кто из вас помнит этот закон?

Как он формулируется?

Учитывая то, что в конечном итоге энергия превращается в тепловую, ученым экспериментальным путем удалось определить количество энергии, расходуемой организмом человека. Для этого испытуемого помещают в специальную камеру с двойными стеклами из теплоизоляционного материала, устроенного по принципу калориметра (актуализация знаний по физике, принцип устройства калориметра).

Чтобы человек в камере мог нормально дышать, в нее подают воздух, а углекислый газ улавливают специальными поглотителями. В верхней части камеры находится система извитых труб, через которые протекает вода. Температура воды, поступающей в эту систему и вытекающая из нее, измеряется термометрами. Зная общее количество воды, прошедшей через трубы в течение суток, и разность температуры, поступившей и удалившийся из них воды, нетрудно определить суточный расход энергии. Известно, что у детей вашего возраста за сутки расходуется приблизительно 10500 кДж энергии. Молодой организм растет, клетки его размножаются. Для образования новых клеток необходимы питательные вещества. Ученик, расходующий примерно 10500 кДж в сутки, должен получать с пищей 12200 – 12500 кДж. энергии.

Учитывая те знания, которые вы получили при изучении темы: " Гигиена питания”, можно вычислить какое количество энергии вы получаете в течение дня, а далее уметь эту энергию правильно расходовать. Нормы приема пищи:

Завтрак – 25%

Обед -50%

Полдник -15%

Ужин -10%

А теперь применим ваши знания по математике и химии, составим пропорции. Если принять общее количество затраченной энергии за 100%, то сколько энергии вы получаете за завтраком.

Но для определения норм питания недостаточно знать суточный расход энергии. Ведь эта цифра лишь показывает, сколько кДж в сутки должен человек получать с пищей. При составлении пищевого рациона учитывают, что организм нуждается в питательных веществах всех трех групп. Особенно важно, чтобы в пище было достаточное количество белков, ведь они являются основным источником, из которого образуется вещество клеток. Жиры содержат наибольшие запасы энергии и необходимы для построения клеток, поэтому их присутствие тоже необходимо. Углеводы – это основной энергетический материал организма. Узнав, сколько энергии вы получаете в течение суток, и зная, сколько энергии вы должны израсходовать, можно для себя вычислить, какая сторона обмена у вас должна преобладать. Если вы будете использовать пищу только лишь для построения клеток, то вас ожидает ожирение, а если будете вести активный образ жизни: заниматься спортом, следить за гигиеной, нормой питания, то вы будете здоровыми и долгоңителями. Профессор Мясников А. П. произвел учет изменений, происходящих за сутки в организме человека массой 70 кг. Перечень этих изменений:

Расщепляется: белков-120г.; жиров-70г.; углеводов-450г.

Выделяется: энергии-12,6 Дж.

Поглощается: кислорода-460 л.

Выделяется: углекислого газа-430 л.

Гибнет и заменяется: - эритроцитов-450 млрд.; лейкоцитов-22до30 млрд.; тромбоцитов- 270 до 430 млрд.

Гибнет и восстанавливается: клетки желудка и кишечника-50%; костных клеток скелета – 1/75; покровных клеток- 1/20.

А также:

Сердце проталкивает от 10 до 70 000 л. крови;

Предсердие и желудочки 86 400 раз;

Из желудка и кишечника всасывается 7-9 л. жидкости;

Совершается 23040 раз вдох и выдох;

Образуется и выводится из организма 1,5 л. мочи;

Образуется 20 г. кожного сала;

Испаряется через легкие 0,4 л. воды, а с потом выводится 0.5 л.

За 70 лет жизни человек употребляет:

Воды- 50 т.

Белков- 2,5 т.

Жиров- 2 т.

Углеводов- 10 т.

Поваренной соли- 0,2-0,3 т.

Раскроем особенности обмена воды, минеральных солей, белков, жиров и углеводов:

Обмен белков

Пищевые белки в процессе подготовительной стадии обмена веществ расщепляются изначально в желудке пепсином, а потом в двенадцатиперстной кишке – трипепсином, ферментом поджелудочной железы, до аминокислот. Аминокислоты через кровеносные капилляры ворсинок идут в печень. Тут избыточные аминокислоты теряют свой азот и преобразуются в углеводы и жиры. В клетках из аминокислот строятся белки тела. Белки входят в состав мембран, цитоплазмы, ядер клеток. Они являются ферментами, а также входят в состав антител. Белки принимают участие в транспортировке газов и в свертывание крови. Белки входят и в состав костей.

Обмен жиров

В органах пищеварения в период подготовительной фазы обмена жиры распадаются на жирные кислоты и глицерин. В эпителии кишечника синтезируется жир, который характерен для организма, и через лимфатическую систему идет в жировое депо и клетки, тут он применяется как строительный материал и запасное вещество.

Жиры выполняют в организме множество функций. В них растворяются некоторые витамины, они входят в состав клеточных мембран. Из жиров образуются биологически активные вещества и некоторые гормоны. В организме человека выполняют роль защиты.

Обмен углеводов

Сложные углеводы свой распад начинают в ротовой полости под воздействием ферментов слюны - амилазы. В двенадцатиперстной кишке под воздействием ферментов, которые выделяются поджелудочной железой, они расщепляются до глюкозы и иных простых углеводов. В тонкой кишке продукты распада кишечными ворсинками всасываются в кровь и идут в печень. Тут излишки сахаров задерживаются и преобразуются в гликоген и иные соединения, а оставшаяся часть глюкозы в нужном количестве идет в кровь и распределяется между клетками тела.

В организме, прежде всего, глюкоза есть источником энергии.

Как вы поняли, то печень далеко не последний орган принимающий участие в процессе обмена веществ, давайте посмотрим видео, в котором рассказывается, каким образом очистить ее от шлаков

Обмен воды

Вода - это универсальный растворитель. Все биохимические реакции, жизненные процессы происходят в водной среде. Внутренняя человеческая среда содержит до 90% воды. В организме вода либо химически связана с иными соединениями, либо содержит в себе органические вещества или растворенные минеральные соли.

Пищеварительные соки содержат воду. В жидкой среде осуществляется транспорт кислорода и питательных веществ. Продукты распада также выносятся водой. Таким образом, в организме поддерживается необходимый баланс между выделяемой и поступающей водой.

Обмен минеральных солей

Ни минеральные соли, ни вода, не есть источниками энергии, однако они нужны для осуществления основных функций организма. Минеральные соли содержатся в цитоплазме и клеточных ядрах, в жидкостях, которая образует внутреннюю среду, в пищеварительных соках и иных биологических жидкостях.

Обмен веществ зависит из многих условий и факторов: это правильное питание, занятие спортом, правильное распределение умственного и физического труда; от вредных для организма веществ: алкоголя, никотина, содержания в пище минеральных солей и витаминов. Об этом мы будем говорить на следующих уроках.

VI. Повторение изученной темы.

Сейчас мы с вами проведем небольшое исследование. Проверьте сами себя – поняли ли вы тот материал, о котором говорили сегодня на уроке.

Решите задачу.

На весы кладут мышь под металлическую сетку и весы уравновешивают. Животное активно передвигается по чашке, карабкается по сетке. Приблизительно по прошествии 30 минут после начала эксперимента чашка с мышью приподнялась вверх. По какой причине?

Правильный ответ: за счет выдыхания паров воды и углекислого газа теряется масса тела, которые образуются для получения энергии при расщеплении веществ пищи.

Объясните, по какой причине голодающий человек бывает слабым и худым?

Теперь же давайте закрепим наши знания:

Что такое обмен веществ?

Какой обмен называется пластическим?

Какие процессы здесь протекают?

Что такое энергетический обмен?

Какие вещества при этом образуются, и как они будут удаляться из организма? Какие системы будут участвовать при этом?

VII. Итог урока . Домашнее задание изучить параграф учебника, закончить задания в тетради.

Теперь, ребята, наш урок подходит к концу, и мне бы хотелось подвести итоги. Ещё раз вспомните, какие цели вы ставили перед собой на сегодняшний урок и проанализируйте, достигли ли вы этих целей. Итак, вопрос: каковы мои главные результаты, что я понял, чему научился на уроке.

Хотелось бы закончить наш урок словами: «Великие люди всегда были воздержанными в еде». Оноре де Бальзак

Спасибо всем за урок.