Текст книги "Обмен веществ и энергии в клетках организма"

Автор книги: Рената Петросова

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 5 страниц)

Рената Арменаковна Петросова
Обмен веществ и энергии
в клетках организма

Предисловие

Предлагаемое пособие представляет собой достаточно подробное и полное изложение одной из наиболее сложных тем курса общей биологии – обмена веществ на клеточном уровне. Пособие написано в соответствии с программой углубленного курса общей биологии и программой для поступающих в вузы. Оно адресовано учащимся 10–11 классов, изучающим общую биологию, абитуриентам, поступающим на факультеты биологического и медицинского профиля, а также школьным учителям биологии.

Книга будет полезна тем учащимся, которые хотели бы разобраться в биохимических процессах, протекающих в клетке. Она не подменяет учебник, а дополняет его и систематизирует имеющиеся знания. С его помощью вы разберетесь в том, что осталось неясным после изучения темы по учебнику или объяснения учителя. В нем полно и в доступной форме описаны и объяснены сложные процессы обмена веществ, протекающие на клеточном уровне у автотрофных и гетеротрофных организмов. Это фотосинтез, энергетический обмен, реакции матричного синтеза (репликация ДНК, биосинтез РНК и белка). Понимание именно этих вопросов вызывает наибольшие трудности у старшеклассников. Поэтому параллельно с описанием каждого процесса предлагаются схемы и рисунки, которые значительно облегчают процесс усвоения сложного материала.

После каждой темы даны вопросы для самопроверки и задания различного уровня сложности. Любой ученик, ознакомившись с приведенным в пособии теоретическим материалом и ответив на предлагаемые вопросы, может считать, что он вполне освоил данную тему.

Пособие понадобится тем учащимся, которые хотели бы хорошо подготовиться к выпускным и вступительным экзаменам по биологии, единому государственному экзамену. Старшеклассники и абитуриенты смогут воспользоваться этим пособием для повышения уровня подготовки и систематизации учебного материала. Предлагаемые схемы легко запоминаются и позволяют уточнить и систематизировать сложный материал. Работа с пособием поможет приобрести прочные знания по наиболее сложным вопросам курса общей биологии.

Пособие интересно и учителям биологии, работающим в общеобразовательной и профильной биологической школе. Оно поможет восстановить в памяти сложные процессы обмена веществ, подготовиться к урокам. Приведенные в пособии вопросы и задания могут использоваться для контроля знаний учащихся.

Желаем всем успешной работы с предлагаемым учебным пособием и надеемся, что книга окажет помощь в овладении биологическими знаниями.

1. Обмен веществ и превращение энергии как основное свойство живого

Понятие об обмене веществ и превращении энергии

Одним из характерных признаков живого является обмен веществ и превращение энергии. Обмен веществ, или метаболизм (от греч. metabol – превращение), – это совокупность всех реакций синтеза и распада, протекающих в живых системах, связанная с выделением или поглощением энергии. Для существования организмов необходимы питательные вещества и энергия, которые они получают из внешней среды. В процессе питания и дыхания в организм поступают определенные вещества, которые в результате жизнедеятельности преобразуются, частично накапливаются, а частично выделяются в окружающую среду. Энергия и питательные вещества необходимы для осуществления всех процессов жизнедеятельности организма: роста, развития, движения, размножения и т. д. Основой этих процессов является обмен веществ и превращение энергии.

Живая система, которой является любой организм, находится в сложных взаимоотношениях с окружающей средой. Из окружающей среды он получает пищу, воду, кислород, свет, тепло. Из поступающих веществ и энергии организмы строят свое тело, образуя массу живого вещества планеты. В результате своей жизнедеятельности организмы сами воздействуют на окружающую среду и изменяют ее. Основой взаимосвязи живых систем и среды является обмен веществ и превращение энергии.

Для неживой природы также характерен обмен веществ. Например, при разрушении и выветривании горной породы происходит обмен веществ. Под действием воды, углекислого газа и других веществ крупные сложные породы разрушаются и превращаются в песок и глину. Химические вещества окисляются, например железо ржавеет. При их горении образуются газообразные продукты и вода, которые выделяются в атмосферу.

Основное отличие между обменом веществ в неживой и живой природе заключается в том, что обмен веществ в неживой природе приводит к уничтожению, разрушению вещества, породы. Живые же организмы, благодаря метаболизму, создают новые вещества, живут и воспроизводят себе подобных.

Обмен веществ и энергии состоит из двух взаимосвязанных и противоположных процессов – ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция, анаболизм, или пластический обмен, – это совокупность реакций синтеза высокомолекулярных органических веществ, сопровождающихся поглощением энергии за счет распада молекул АТФ. Диссимиляция, катаболизм, или энергетический обмен, – это совокупность реакций распада и окисления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии и запасанием ее в синтезируемых молекулах АТФ. Эти процессы характерны для живых систем почти всех уровней организации, начиная от клетки и заканчивая биосферой (рис. 1).

Рис. 1. Общая схема обмена веществ и превращения энергии

Ассимиляция и диссимиляция – противоположные и взаимосвязанные процессы, составляющие единство обмена веществ. В живой природе это замкнутый процесс, так как химические элементы, из которых синтезируются органические вещества, переходят от одного организма к другому или выделяются в окружающую среду и вновь поступают в организмы. Происходит круговорот веществ и химических элементов.

Значение АТФ в обмене веществ

В отличие от круговорота веществ, круговорота энергии в живых системах не происходит. Организмам для жизнедеятельности постоянно необходима энергия. Единственным ее источником на Земле является солнце. Солнечная энергия аккумулируется растениями в процессе фотосинтеза, в результате чего она превращается в энергию химических связей молекул органических веществ.

Все остальные организмы используют готовые органические вещества. В процессе жизнедеятельности они расщепляют эти вещества, и энергия высвобождается. Она частично преобразуется, накапливается и в дальнейшем используется вновь в процессе пластического обмена на синтез органических веществ, специфичных для каждого организма. При этом клетка или организм постоянно теряет часть энергии, которая выделяется в виде тепла. Поэтому для существования жизни на Земле необходим постоянный приток энергии.

Одним из ключевых веществ, которое способно преобразовывать энергию солнечного света в энергию химических связей органических веществ, а далее вновь накапливать и передавать для синтеза новых веществ, является АТФ (рис. 2). В двух макроэргических связях ее молекул накапливается в 2,5 раза больше энергии, чем в обычных связях. Клетка использует эту запасенную энергию на различные процессы: биосинтез собственных органических веществ, движение, деление, передачу нервных импульсов и т. д. АТФ – основное вещество, которое обеспечивает функционирование клетки, запасает энергию в процессе энергетического обмена и выделяет в процессе пластического обмена. Ее синтез происходит на кристах митохондрий. Молекулы этого вещества легко и быстро способны доставлять энергию в любую часть клетки. АТФ является ключевым веществом обменных процессов и универсальным источником энергии в клетках, тканях и организмах.

Рис. 2. Строение молекулы АТФ: 1 – аденин; 2 – рибоза

Типы обмена веществ

Факторы внешней среды имеют различное значение для разных организмов. Растениям для роста и развития необходимы свет, вода, углекислый газ, минеральные вещества. Животным и грибам таких условий недостаточно. Им необходимы готовые питательные органические вещества, а свет для существования некоторых из них не является необходимым условием. По способу питания, источнику получения органических веществ и энергии все организмы делятся на автотрофные и гетеротрофные.

Автотрофные организмы (от греч. autós – сам и trophé – питание) синтезируют органические вещества из неорганических. Фотоавтотрофы используют энергию солнечного света в процессе фотосинтеза. К ним относятся все растения и фотосинтезирующие цианобактерии. Хемоавтотрофы используют энергию, которая выделяется при окислении неорганических веществ (серы, железа, азота) в процессе хемосинтеза. К ним относятся хемосинтезирующие бактерии.

Гетеротрофные организмы (от греч. héteros – иной, другой) получают готовые органические вещества от автотрофов. Источником энергии для них является запасенная в органических веществах энергия, которая выделяется при химических реакциях распада и окисления этих веществ. К ним относятся животные, грибы, многие бактерии.

Процесс автотрофной ассимиляции осуществляется за счет энергии солнечного света или окисления неорганических веществ, а органические вещества синтезируются при этом из неорганических. В зависимости от поглощения неорганического вещества различают ассимиляцию углерода, ассимиляцию азота, ассимиляцию серы и других минеральных веществ. Автотрофная ассимиляция связана с процессами фотосинтеза и хемосинтеза, в результате которых из неорганических веществ синтезируются органические. Этот процесс носит название первичного синтеза органических веществ.

При гетеротрофной ассимиляции организм поглощает органические вещества в готовом виде и преобразует их в собственные органические вещества за счет энергии, содержащейся в поглощенных веществах. Гетеротрофная ассимиляция включает процессы потребления пищи, переваривания ее, усвоения и синтеза новых органических веществ. Этот процесс называется вторичным синтезом органических веществ.

Процессы диссимиляции у организмов также различаются. Одним из них для жизнедеятельности необходим кислород – это аэробные организмы. Другим кислород не нужен, и процессы их жизнедеятельности могут протекать в бескислородной среде – это анаэробные организмы.

Рис. 3. Поток вещества и энергии в биосфере

Большинство организмов являются аэробными. Это все растения, животные (за исключением некоторых паразитов), основная часть грибов и бактерий. Дыхание для них является главной формой диссимиляции. При дыхании богатые энергией органические вещества полностью окисляются кислородом до энергетически бедных веществ – углекислого газа и воды. При этом происходит освобождение энергии, которая используется организмом. Молекулярный кислород, который используется в этих процессах, образуется при фотосинтезе, т. е. автотрофной ассимиляции.

Различают внешнее дыхание и внутреннее. Газообмен между организмом и внешней средой, включающий в себя поглощение кислорода и выделение углекислого газа, а также транспорт этих веществ по организму к отдельным органам, тканям и клеткам, называется внешним дыханием. В этом процессе кислород не используется, а только транспортируется.

Внутреннее, или клеточное, дыхание включает в себя биохимические процессы, которые приводят к освобождению энергии и образованию воды и углекислого газа. Эти процессы протекают в цитоплазме и митохондриях эукариотных клеток или на мезосомах прокариотных клеток.

Другой формой диссимиляции является анаэробное окисление. Процессы энергетического обмена в этом случае протекают по типу брожения. Брожение – это форма диссимиляции, при которой богатые энергией органические вещества расщепляются до менее богатых энергией органических веществ. В этом случае также происходит высвобождение энергии, но значительно меньше.

В зависимости от конечных продуктов различают типы брожения: спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и т. д. Спиртовое брожение встречается у дрожжевых грибов, некоторых бактерий, в растительных тканях. Молочнокислое брожение характерно для молочнокислых бактерий, а также протекает в мышечной ткани животных и человека при недостатке кислорода.

В филогенетическом отношении брожение более древний процесс. Первый этап брожения – гликолиз имеет место у многих аэробных организмов, в том числе у животных и человека.

Анаэробных организмов значительно меньше, чем аэробных. К ним относятся многие микроорганизмы – бактерии и грибы, а также паразитические организмы, вторично утратившие способность к биологическому окислению в связи с образом жизни. Кислородный путь диссимиляции оказался более выгодным в энергетическом отношении. Вспомните, какое количество АТФ запасается на бескислородном и кислородном этапе расщепления, и станет ясно, почему кислородный путь оказался предпочтительным.

Взаимосвязь реакций обмена веществ у автотрофных и гетеротрофных организмов

Через процессы обмена веществ автотрофные и гетеротрофные организмы в природе связаны между собой.

Самыми важными в природе группами организмов являются автотрофы, которые способны синтезировать органические вещества из неорганических. Большинство автотрофов – зеленые растения, которые в процессе фотосинтеза превращают неорганический углерод – углекислый газ – в сложные органические соединения. Зеленые растения выделяют при фотосинтезе кислород, который необходим для дыхания живых существ.

Гетеротрофы усваивают только готовые органические вещества, получая энергию при их расщеплении. Автотрофные и гетеротрофные организмы связаны между собой процессами обмена веществ и энергией. Фотосинтез является практически единственным процессом, обеспечивающим организмы питательными веществами и кислородом.

Несмотря на огромные масштабы фотосинтеза, зеленые растения Земли используют всего 1 % солнечной энергии, падающей на листья.

В последние годы особое внимание привлекает к себе одноклеточная водоросль хлорелла, которая содержит до 6 % хлорофилла и обладает замечательной способностью усваивать до 20 % солнечной энергии. При искусственном разведении хлорелла быстро размножается, а в ее клетке повышается содержание белка. Этот белок используется в качестве пищевых добавок ко многим продуктам. Установлено, что с 1 га водной поверхности можно получать ежедневно до 700 кг сухого вещества хлореллы. Кроме того, в хлорелле синтезируется большое количество витаминов.

Большой интерес ученых к хлорелле связан и с космическими полетами. Хлорелла в искусственных условиях может обеспечить кислородом, выделяемым при фотосинтезе, космический корабль.

Рис. 4. Биологический круговорот веществ. Связь организмов и процессов обмена веществ

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какие две группы реакций составляют обмен веществ?

2. Охарактеризуйте процессы пластического и энергетического обмена.

3. За счет какой энергии идет синтез молекулы АТФ?

4. Назовите основной источник энергии на Земле. Как аккумулируется эта энергия?

5. Почему АТФ можно назвать ключевым источником энергии в реакциях обмена веществ?

6. Каково основное значение дыхания?

7. Какие типы обмена веществ по характеру используемой энергии и источнику получения углерода для синтеза органических веществ существуют на Земле?

8. Почему фотосинтез можно назвать основным процессом, обеспечивающим жизнь на Земле?

9. Чем отличается первичный синтез органических веществ от вторичного?

10. В чем отличие анаэробных и аэробных организмов?

2. Ферментативный характер реакций обмена веществ

Каждая клетка – животная, растительная, бактериальная, самая сложная или самая примитивная, характеризуется сложными химическими процессами. Важнейшей особенностью химических реакций, протекающих в клетке, является их каталитический характер. Биологическими катализаторами являются специализированные белки – ферменты, или энзимы.

Сотни реакций обмена веществ, которые происходят в клетке, идут при непосредственном участии ферментов. Вещество, которое связывается с ферментом для проведения химической реакции, называется субстратом. Ферменты активизируют субстрат, делают его доступным для проведения реакции. Ускоряя химические реакции, эти вещества в реакциях не расходуются. Они не влияют также и на природу конечных продуктов.

Из-за высокой скорости реакции небольшое количество фермента может катализировать превращение большого количества вещества, так как освобождение фермента каждый раз идет очень быстро.

Сравним скорость действия неорганических катализаторов и ферментов. Для гидролиза белка до аминокислот в лабораторных условиях необходимо в течение 10–15 ч кипятить белок с 20 %-ным раствором соляной кислоты. Если же к белку при комнатной температуре добавить несколько капель фермента трипсина или химотрипсина, то гидролиз закончится за 60–80 мин. Сопоставим условия этих двух реакций. Фермент действует в мягких условиях, а его скорость во много раз превышает скорость неорганических катализаторов.

Свойства ферментов

Одним из наиболее важных отличий ферментов от неорганических катализаторов является их высокая специфичность к субстрату. Особенностью биокатализаторов является способность ускорять реакцию только с определенным субстратом или группой сходных по строению субстратов. Немецкий ученый Э. Фишер, исследуя эту удивительную избирательность ферментов, высказал предположение о наличии в их молекуле некоторого участка, структура которого строго соответствует структуре субстрата. Его выражение: «субстрат подходит к ферменту, как ключ к замку» – определило одно из самых важных свойств ферментов – специфичность по отношению к субстрату.

Например, в организме животных и человека отсутствует фермент, расщепляющий целлюлозу, но крахмал и гликоген легко подвергаются гидролизу ферментом амилазой. Разница в строении этих углеводов состоит только в том, что молекула первого вещества состоит из остатков β-глюкозы, а молекулы двух других – из остатков а-глюкозы. Фермент амилаза действует на α-гликозидную связь в молекуле крахмала, гликогена, мальтозы, но не действует на β-гликозидную связь в целлюлозе.

Фермент трипсин расщепляет как природный белок, так и искусственный полипептид, так как действует на пептидную связь. Эти ферменты обладают групповой специфичностью, так как действуют на вещества с одинаковой связью.

Однако есть такие ферменты, которые катализируют реакцию только с одним-единственным веществом.

Строение ферментов

Каждый фермент имеет определенное строение. Как и у всех белков, оно зависит от его первичной структуры, которая определяет третичную и четвертичную структуры, т. е. форму глобулы и ее пространственную конфигурацию. Результаты исследований показали, что молекулы ферментов во много раз больше, чем молекулы веществ, которые они активируют в реакциях. Ферменты, как правило, являются глобулярными белками. Часто они образуют комплексы с небелковыми компонентами: металлами (цинком, железом, марганцем, медью и др.), низкомолекулярными органическими соединениями, витаминами. Например, в состав каталазы входит железо; витамин B₃ (или PP) является компонентом окислительно-восстановительных ферментов; витамин В, входит в состав ферментов, отщепляющих углерод от молекул органических соединений.

Ферменты, как вещества белковой природы, имеют большую молекулярную массу, которая колеблется от нескольких тысяч до миллиона. Например, трипсин имеет молекулярную массу 40 000, а синтетаза высших жирных кислот (ВЖК), катализирующая синтез жирных кислот, относится к ферментам-гигантам с молекулярной массой более 1 000 000. Она состоит из целого конвейера белков, объединенных в одну суперструктуру. Как правило, для высокомолекулярных ферментов характерна четвертичная структура. Например, фермент каталаза, расщепляющий пероксид водорода, состоит из шести субъединиц.

В ферменте различают три центра: субстратный, активный и регуляторный (рис. 5). Непосредственно в реакции участвует лишь небольшая часть белковой молекулы, состоящая обычно от 3 до 15 остатков аминокислот. Это каталитический, или активный, центр фермента. Остальные аминокислоты белка определяют конфигурацию молекулы, связывают субстрат, присоединяют дополнительные ионы. Активный центр является главной частью фермента. Здесь происходит видоизменение субстрата, собственно реакция, образуются продукты или продукт. В некоторых случаях функции активного центра выполняет небелковый компонент, например витамин, который в этом случае связан с ферментом и составляет единое целое.

Рис. 5. Строение фермента: 1 – субстратный центр; 2 – активный центр; 3 – регуляторный центр

Субстратный центр служит «якорной» площадкой для соединения фермента с субстратом. При этом между ними возникают определенные связи, позволяющие ферменту удерживать субстрат. Активный и субстратный центры ферментов часто находятся рядом или совпадают.

Для работы этих центров, т. е. присоединения субстрата и катализа реакции, необходима определенная форма белка-фермента. Фермент сохраняет свою активность до тех пор, пока в нем поддерживается специфическая конфигурация каталитического центра, что связано с третичной и четвертичной структурами белка.

Конфигурация белковой молекулы может изменяться таким образом, чтобы обеспечить быстрый доступ веществ в активный центр или, наоборот, затормозить реакцию. Эту функцию выполняет регуляторный центр фермента. К нему могут присоединяться неорганические ионы, низкомолекулярные вещества, которые видоизменяют форму молекулы фермента таким образом, чтобы способствовать быстрому соединению с субстратом или, наоборот, невозможности соединения.