Крок до ВНЗ. Біологія. Довідник
Обмін речовин у клітині
Існування живих організмів зумовлено тим, що постійно: в них надходять поживні речовини із навколишнього середовища; ці речовини перетворюються в організмі; продукти життєдіяльності виводяться з організму. Сукупність хімічних перетворень у клітинах називається обміном речовин, або метаболізмом (від грец. metabole — зміна). Усі хімічні реакції в клітинах відбуваються за участю ферментів — каталізаторів, які розміщені на мембранах мітохондрій та ЕПС.
Розрізняють 2 типи реакцій у клітині: І-й тип — реакції синтезу білків, жирів, вуглеводів, нуклеїнових кислот, тобто асиміляція; ІІ-й тип — реакція розщеплення складних органічних речовин до менш складних сполук (СО2 і Н2О), які супроводжуються виділенням енергії — дисиміляція.
Сукупність реакцій біосинтезу називають пластичним обміном, або анаболізмом (від грец. anabole — підняття). Сукупність реакцій розщеплення, що забезпечують клітину енергією, називають енергетичним обміном, або катаболізмом (від грец. katabole — руйнування). Енергія, що звільняється внаслідок розщеплення речовин, акумулюється у макроергічних зв’язках АТФ. Ця енергія використовується під час біосинтезу. Таким чином, енергетичний та пластичний обміни тісно пов’язані між собою та із зовнішнім середовищем і в єдності становлять обмін речовин і енергії в кожній клітині і в організмі в цілому. Процеси асиміляції не завжди врівноважені з процесами дисиміляції. Так, в організмах, що розвиваються, переважає асиміляція (накопичуються речовини, і росте організм). При інтенсивній фізичній роботі, нестачі поживних речовин та старінні переважають процеси дисиміляції.
За способом одержання енергії живі організми поділяють на автотрофів та гетеротрофів. Організми, що використовують для утворення своїх органічних речовин органічні речовини, утворені іншими організмами (живі організми, їх рештки, продукти життєдіяльності), які вони одержують з їжею, називають гетеротрофами. Організми, здатні утворювати органічні сполуки з неорганічних, називаються автотрофами. Організми, що використовують енергію світла, називають фототрофами (зелені рослини, ціанобактерії). Організми, що використовують енергію хімічних реакцій, називають хемотрофами (сіркобактерії, залізобактерії).
Енергетичний обмін
Енергетичний обмін організмів здійснюється у три послідовних етапи:
а) підготовчий;
б) безкисневий;
в) кисневий.
Підготовчий етап здійснюється у цитоплазмі клітин одноклітинних організмів та у шлунково-кишковому тракті багатоклітинних організмів. Молекули білків, жирів, вуглеводів розщеплюються за участю ферментів на простіші сполуки: білки на амінокислоти, жири на гліцерол і жирні кислоти, вуглеводи на моносахариди, нуклеїнові кислоти на нуклеотиди. Енергія розсіюється у вигляді теплоти.
Безкисневий етап — ферментативне розщеплення простих органічних сполук у клітинах. Прикладом такого процесу є гліколіз (від грец. glykys — солодкий і lysis — розпад) — багатоступінчасте безкисневе розщеплення глюкози на дві молекули піровиноградної (С3Н4О3) або молочної кислоти (С3Н6О3) у м’язових клітинах:
С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 +2НАД = 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О + 2НАД · 2Н2
У процесі розпаду глюкози беруть участь 13 різних ферментів. Під час гліколізу виділяється 200 кДж енергії. 84 кДж використовується на синтез 2-х молекул АТФ, а решта (116 кДж) використовується у вигляді теплоти. Значення гліколізу: організм дістає енергію в умовах дефіциту кисню.
Спиртове бродіння — тип перетворення глюкози, коли вона розпадається на дві молекули етилового спирту (С2Н5ОН) та дві молекули вуглекислого газу (СО2):
С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ = 2СО2 + 2С2Н5ОН + 2 АТФ + 2Н2О
Молочнокисле (молочне) бродіння — вид безкисневого бродіння.
Кисневий (аеробний) етап здійснюється на мембранах мітохондрій. Важливе місце в аеробному енергетичному обміні належить циклу Кребса, названому так на честь англійського біохіміка X. Кребса, який відкрив цей процес у 1937 р. На початку циклу піровиноградна кислота реагує з щавлевооцтовою, утворюючи лимонну кислоту. Остання через низку послідовних реакцій перетворюється на інші кислоти. Внаслідок таких перетворень відтворюється щавлевооцтова кислота, яка знову реагує з піровиноградною, і цикл повторюється. У кожному циклі Кребса утворюється одна молекула АТФ. Крім того, в ході біохімічних реакцій циклу від органічних кислот відщеплюються атоми Гідрогену. Ці атоми відновлюють певні сполуки.
Дві молекули молочної кислоти розщеплюються за участю АДФ і фосфорної кислоти. Енергія від розпаду 2-х молекул молочної кислоти використовується для синтезу 36 молекул АТФ.
Процес кисневого розщеплення описується рівнянням:
2С3Н6О3 + 6О2 + 36АДФ + 36Н3РО4 = 36АТФ + 6СО2 +36Н2О
Решта енергії розсіюється у вигляді тепла, 55 % перетворюється в енергію хімічних зв’язків АТФ. Це процес дихання. Процеси надходження в організм із зовнішнього середовища кисню, використання його клітинами і тканинами для окислення органічних речовин і виділення з організму вуглекислого газу називається диханням. Сумарне рівняння повного розщеплення глюкози записується так:
С6Н12О6 + 38АДФ + 38Н3РО4 +6О2 = 6СО2 + 38АТФ + 6Н2О
Завершується енергетичний обмін виведенням кінцевих продуктів з організму.
Пластичний обмін
До основних процесів пластичного обміну належить біосинтез білків, вуглеводів, ліпідів, нуклеїнових кислот, а також фотосинтез і хемосинтез.
Найважливішу роль у процесі біосинтезу білка відіграють нуклеїнові кислоти — ДНК, РНК. На ДНК записана інформація про білки. Ген — ділянка ДНК, яка містить інформацію про послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюгу. Єдину для всіх живих організмів систему збереження спадкової інформації називають генетичним кодом. Це певна послідовність нуклеотидів у молекулах нуклеїнових кислот, яка визначає порядок введення амінокислотних залишків у поліпептидний ланцюг під час його синтезу. Генетичний код триплетний. Кожна з амінокислот, які входять до складу білка, кодується послідовністю з трьох нуклеотидів — триплетом, який отримав назву кодон. Генетичний код однозначний, тобто кожний триплет кодує лише одну амінокислоту. Генетичний код не перекривається, тобто зчитування генетичної інформації може відбуватися лише одним способом і неможливе іншим. Послідовність нуклеотидів зчитується із закріпленої точки. Генетичний код вироджений, тобто одна амінокислота може кодуватись не одним, а кількома триплетами нуклеотидів. Код універсальний, єдиний для всіх організмів.
Біохімічний код спадковості
|
І нуклеотид |
II нуклеотид |
III нуклеотид |
|||
|
У |
Ц |
А |
Г |
||
|
У |
УУУ Фен |
УЦУ Сер |
УАУ Тир |
У |
У |
|
УУЦ Фен |
УЦЦ Сер |
УАЦ Тир |
УГЦ Цис |
Ц |
|
|
УУА Лей |
УЦА Сер |
УАА нонсенс |
УГА нонсенс |
А |
|
|
УУГ Лей |
УЦГ Сер |
УАГ нонсенс |
УГГ Трип |
Г |
|
|
Ц |
ЦУУ Лей |
ЦЦУ Про |
ЦАУ Гіс |
ЦГУ Apr |
У |
|
ЦУЦ Лей |
ЦЦЦ Про |
ЦАЦ Гіс |
ЦКЦ Apr |
Ц |
|
|
ЦУА Лей |
ЦЦА Про |
ЦАА Нои |
ЦГА Apr |
А |
|
|
ЦУГ Лей |
ЦЦГ Про |
ЦАГ Гли |
ЦГТ Apr |
Г |
|
|
А |
АУУ Ілей |
АЦУ Тре |
ААУ Аси |
АГУ Сер |
У |
|
АУЦ Ілей |
АЦЦ Тре |
ААЦ Аси |
АГЦ Сер |
Ц |
|
|
АУА Ілей |
АЦА Тре |
ААА Ліз |
АГА Apr |
А |
|
|
АУГ Мет |
АЦГ Тре |
ААГ Ліз |
АГГ Арг |
Г |
|
|
Г |
ГУУ Вал |
ГЦУ Ала |
ГАУ Асп |
ГГУ Глі |
У |
|
ГУЦ Вал |
ГЦЦ Ала |
ГАЦ Асп |
ГГЦ Глі |
Ц |
|
|
ГУА Вал |
ГЦА Ала |
ГАА Глу |
ГГА Глі |
А |
|
|
ШУШ Вал |
ГЦГ Ала |
ГАГ Глу |
ГГГ Глі |
Г |
|
Біосинтез білків
Біосинтез білків відбувається у цитоплазмі клітини на спеціальних органелах — рибосомах. Кожна рибосома має велику і малу субодиниці, які відіграють важливу роль на різних етапах біосинтезу білків.
Біосинтез білка проходить у 4 етапи.
І етап. Транскріпція — передача інформації про структуру білка з молекули ДНК на іРНК. Особливий фермент РНК-полімераза, просуваючись по молекулі ДНК, за принципом комплементарності підбирає нуклеотиди і з’єднує їх в один ланцюг. Ділянка ДНК (ген або група генів) є матрицею для відповідної іРНК. На початку кожної групи генів є своєрідний посадочний майданчик для ферменту РНК-полімерази — промотор. Тільки приєднавшись до неї, РНК-полімераза здатна почати синтез іРНК. У кінці групи генів РНК-полімераза зустрічає стоп-сигнал — термінатор (у вигляді певної послідовності нуклеотидів), який сигналізує про припинення процесу транскрипції. Синтезовані молекули іРНК переходять із ядра в цитоплазму, а ДНК відновлює свою структуру.
II етап. Активація амінокислот. Цей процес відбувається в цитоплазмі. Активовані молекули амінокислот з’єднуються з відповідними молекулами транспортних РНК. У молекулі тРНК є дві важливі ділянки: акцепторна ділянка, до якої прикріплюється відповідна амінокислота, антикодон — триплет нуклеотидів, який комплементарний кодону іРНК даної амінокислоти. Активовані амінокислоти, сполучені з тРНК, надходять до рибосом.
III етап. Трансляція — синтез поліпептидних ланцюгів. Відбувається так: молекула іРНК рухається між двома субодиницями рибосом, і до неї послідовно приєднуються молекули тРНК з амінокислотами. При цьому за принципом комплементарності кодони іРНК вступають у зв’язок з антикодонами тРНК. Послідовність розташування амінокислот при цьому визначається порядком чергування триплетів у молекулі іРНК. Про завершення синтезу поліпептидного ланцюга сигналізує термінуючий кодон іРНК (УАА, УАГ, УГА). Процес синтезу молекули білка потребує великих витрат енергії. На сполучення кожної амінокислоти з тРНК витрачається енергія двох молекул АТФ. Крім того, енергія ще двох молекул АТФ потрібна для пересування рибосоми по іРНК.
Синтез одного білка триває від 20 до 560 секунд. Але ця швидкість буде підвищена, якщо синтез поліпептидного ланцюга відбудеться на полірибосомальному комплексі (полісомі) — скупченні рибосом (до 80 й більше), коли вони об’єднані однією іРНК в групу.
IV етап. Утворення вторинної і третинної структур білкової молекули. Цей етап здійснюється в цитоплазмі шляхом скручування, згортання поліпептидного ланцюга. Потім до нього приєднуються різні органічні молекули — вуглеводи, жирні кислоти тощо.
Цей процес проходить в ЕПС та комплексі Гольджі і називається посттрансляційними модифікаціями.
Синтез білків у клітині відбувається в інтерфазі.
Фотосинтез
Процес синтезу органічних речовин з неорганічних, який відбувається з використанням світлової енергії і за участю хлорофілу, називають фотосинтезом. Процес фотосинтезу виражається таким сумарним рівнянням:
Основним фотосинтетичним пігментом вищих рослин є хлорофіл. За хімічною структурою розрізняють хлорофіл а (міститься у хлоропластах всіх зелених рослин та ціанобактерій), в, с та д (в клітинах водоростей).
Фотосинтез — це складний, багатоступінчастий процес, який складається з двох фаз: світлової і темнової.
Світлова фаза фотосинтезу відбувається на мембранах тилакоїдів хлоропластів. Ця стадія розпочинається з моменту поглинання квантів світла молекулою хлорофілу; при цьому електрони атома Магнію у молекулі хлорофілу переходять на більш високий енергетичний рівень, нагромаджуючи потенціальну енергію; частина електронів зразу ж повертається на своє попереднє місце, а енергія, що виділяється при цьому, випромінюється у вигляді тепла; значна частина електронів з високим рівнем енергії передає її іншим хімічним сполукам для фотохімічної роботи, яка здійснюється за кількома основними напрямками.
1. Відбувається процес розкладу (фотоліз) води; при цьому утворюються електрони (е), протони (Н+) та молекулярний кисень відповідно до рівняння:
Н2О —> 1/2О2 + 2Н+ + 2е
Протони Н+, приєднуючи електрони з високим рівнем енергії, перетворюються на атомарний Гідроген, який використовується у наступних реакціях фотосинтезу.
2. Перетворення енергії електронів на енергію АТФ. Оскільки під час фотосинтезу в макроергічних зв’язках АТФ акумулюється енергія світла, процес її утворення називається фотофосфорилюванням.
3. Відновлення універсального біологічного переносника Гідрогену НАДФ+ до НАДФ · Н. Таким чином, у результаті світлової фази фотосинтезу утворюються АТФ з АДФ; НАДФ+ відновлюється і утворюється НАДФ · Н; виділяється молекулярний кисень; АТФ і НАДФ · Н використовуються у темновій фазі фотосинтезу.
Темнова фаза фотосинтезу, або цикл Кельвіна, — ряд послідовних реакцій, що супроводжуються поглинанням вуглекислого газу і утворенням вуглеводів, відбувається в стромі хлоропласта. Ці реакції можуть відбуватися і на світлі, і в темряві. СО2, який надходить із зовнішнього середовища, вловлюється п’ятикарбоновими органічними сполуками, що містяться у хлоропластах рослин; при цьому утворюється нестійка шестикарбонова сполука, що швидко розщеплюється на дві трикарбонові молекули.
У результаті семи послідовних ферментативних реакцій з використанням енергії АТФ і НАДФ Н утворюється шестикарбонова молекула глюкози.
Сумарне рівняння реакції темнової фази:
6СО2 +18АТФ +12НАД · Н2 —> С6Н12О6 +18АДФ + 18Ф + 12НАДФ+6Н2О,
де Ф — залишок фосфорної кислоти.
Отже, у темновій фазі фотосинтезу як результат ряду ферментативних реакцій відбувається відновлення вуглекислого газу до глюкози.
Значення фотосинтезу:
— фотосинтез підтримує баланс газів в атмосфері, необхідний для життя на Землі, перешкоджає збільшенню концентрації СО2, запобігає надмірному нагріванню Землі;
— виділення кисню в процесі фотосинтезу сприяло формуванню озонового екрану, який захищає все живе від згубного впливу ультрафіолетового випромінювання;
— фотосинтез — єдиний процес на Землі, який іде в грандіозних масштабах і зв’язаний з перетворенням Е сонячного світла в Е хімічних зв’язків. Ця космічна Е, накопичена зеленими рослинами, складає основу для життєдіяльності всіх інших гетеротрофних організмів на Землі від бактерій до людини.
ЦЕ ЦІКАВО
В процесі фотосинтезу наземні рослини утворюють 100-170 млрд т, а рослини океанів — 60-70 млрд т біомаси в рік (у перерахунку на суху речовину).
Загальна маса рослин на Землі дорівнює 2 400 млрд т (90 % — це целюлоза). Загальна маса тварин і мікроорганізмів — 23 млрд т, що становить близько 1 % від рослинної біомаси. За час існування на Землі органічні залишки живого накопичувалися й модифікувалися. На суші вони представлені у вигляді підстилки, гумусу та торфу, із яких за певних умов у товщі літосфери формувалося вугілля. В океанах органічні рештки входили до складу осадових порід. При опусканні в глибинні шари літосфери з цих залишків утворилися газ і нафта. Маса органічної речовини підстилки, торфу й гумусу оцінюється в 190, 220, 2500 млрд т відповідно, нафти й газу — 10000-12000 млрд т, а осадових порід — 20000000 млрд т. Особливо інтенсивне накопичення мертвих органічних залишків відбувалося 300 млн років тому в палеозойську еру.
Незважаючи на грандіозність масштабів, природний фотосинтез — повільний і малоефективний процес: рослинами використовується лише 1 % всієї сонячної енергії.
Запитання для самоконтролю
1. Які функції виконує обмін речовин?
2. У чому виявляється взаємозв’язок між процесами пластичного та енергетичного обміну?
3. Що являє собою гліколіз?
4. Наведіть приклади автотрофних та гетеротрофних організмів.
5. Назвіть основні етапи біосинтезу білка.
6. Які властивості має генетичний код?
7. Охарактеризуйте будову органел, що беруть участь в енергетичному обміні.
8. Які процеси відбуваються у світловій фазі фотосинтезу?
9. Які процеси відбуваються в темновій фазі фотосинтезу?
10. Поясніть, чому, за висловом Тімірязєва, зелені рослини здійснюють космічну роль.
Тестові завдання
Виберіть одну правильну відповідь.
1. Процес енергетичного обміну — це:
A) дихання;
Б) фотосинтез;
B) синтез РНК;
Г) біосинтез білка.
2. Кисневий етап енергетичного обміну відбувається в:
A) цитоплазмі;
Б) мітохондріях;
B) хлоропластах;
Г) мітохондріях і хлоропластах.
3. Під час гліколізу розщеплюється:
A) АТФ;
Б) ДНК;
B) глюкоза;
Г) білки.
4. Структурна одиниця, що відповідає за синтез певної молекули білка:
A) ген;
Б) кодон;
B) іРНК;
Г) нуклеотид.
5. Під час фотосинтезу утворюються речовини:
A) білки;
Б) жири;
B) вуглеводи;
Г) нуклеїнові кислоти.
6. Цикл Кребса є стадією:
A) фотосинтезу;
Б) кисневого етапу енергетичного обміну;
B) безкисневого етапу енергетичного обміну;
Г) підготовчого етапу енергетичного обміну.
7. Реакції світлової фази фотосинтезу перебігають у:
A) стромі;
Б) мембранах тилакоїдів;
B) зовнішній мембрані хлоропласта;
Г) внутрішній мембрані хлоропласта.
8. У темновій фазі фотосинтезу відбувається процес:
A) синтезу АТФ;
Б) синтезу глюкози;
B) утворення молекулярного кисню;
Г) утворення атомів Гідрогену.
9. При фотосинтезі кисень виділяється внаслідок розщеплення сполуки:
A) СО2;
Б) АТФ;
B) Н2О;
Г) NО2.
10. Установіть послідовність етапів біосинтезу білка.
A) Відбувається синтез поліпептидних ланцюгів;
Б) утворюється просторова структура молекули білка;
B) фермент розкручує ділянку подвійної спіралі ДНК;
Г) активовані молекули амінокислот з’єднуються з молекулами транспортних РНК;
Д) інформація про структуру білка передається з молекули ДНК на іРНК.
|
1 |
|
|
2 |
|
|
3 |
|
|
4 |
|
|
5 |
Практичні завдання
1. У процесі дисиміляції в тканинах утворилось 220 г вуглекислого газу і 450 г молочної кислоти. Як відбувалось розщеплення глюкози і яка маса її засвоїлася?
2. За 50 хвилин плавання плавець витратив 1200 кДж енергії. Протягом якого часу він зможе плавати з такою самою інтенсивністю, якщо в його організмі розщепилося 400 г глюкози, половина якої — в процесі гліколізу?
3. У процесі дисиміляції утворилося 24 моль СО2 і 12 моль С3Н6О3. Яка кількість речовини глюкози при цьому розщепилась?
4. У процесі фотосинтезу одна рослина поглинає 280 г СО2 за світловий день. Яка маса глюкози утвориться в листках і яка маса кисню виділиться за 5 днів? Процесом дихання знехтувати.
5. У процесі фотосинтезу рослина поглинула 2 м3 СО2. Визначте, який об’єм О2 виділився при цьому і яка маса глюкози синтезувалась за нормальних умов.
