Пятница, 16.11.2018, 15:26
учим на отлично!
Главная » Файлы » Загальна біологія » лекції

Загальна біологія. Заняття 3. Трансформація енергії та речовини в живих системах
17.09.2015, 21:02

План:

1.       Пластичний обмін.

  1. Енергетичний обмін, його значення.

  2. Фотосинтез та хемосинтез.

 

Літ-ра: С.Г. Мамонтов, В.Б. Захаров Общая биология, 1986 г. стр. 41-48; Загальна біологія: Підруч./ М.Є. Кучеренко та інш. 1998. с. 101-108

 

1.         У клітинах безперервно йдуть процеси біологічного синтезу, або біосинтезу. За допомогою ферментів з простих низькомолекулярних речовин утворюються складні високомолекулярні сполуки: з амінокислот синтезуються білки, з моносахаридів - складні вуглеводи, з азотистих основ - нуклеотиди, а з них - нуклеїнові кислоти.

Сукупність реакцій біологічного синтезу називається пластичним обміном, або асиміляцією. Назву цього виду обміну відображає його суть: з простих речовин, що поступають в клітину ззовні, утворюються речовини, подібні до речовин клітини.

Структура великих органічних молекул, що синтезуються, визначається послідовністю нуклеотидів в ДНК, тобто генотипом. Синтезовані речовини використовуються в процесі росту для побудови клітин і їх органел та для заміни втрачених або зруйнованих молекул. Всі реакції синтезу йдуть з поглинанням енергії.

Одна з найважливіших форм пластичного обміну - біосинтез білків. Все різноманіття їх властивостей, кінець кінцем, визначається первинною структурою, тобто послідовністю амінокислот. Величезна кількість відібраних еволюцією унікальних сполук амінокислот відтворюється шляхом синтезу нуклеїнових кислот з такою послідовністю азотистих основ, яка відповідає послідовності амінокислот в білках. Кожній амінокислоті в поліпептидному ланцюжку відповідає комбінація з трьох нуклеотідов - триплет. Так, амінокислоті цистеїну відповідає триплет АЦА, валіну - ЦАА, лізину - ТТТ і так далі.

Таким чином, певні поєднання нуклеотидів і послідовність їх розташування в молекулі ДНК є кодом, що несе інформацію про структуру білка.

Код включає всі можливі поєднання трьох азотистих основ. Таких поєднань може бути 43 = 64, тоді як кодується тільки 20 амінокислот. В результаті деякі амінокислоти кодуються декількома триплетами. Ця надмірність коду має велике значення для підвищення надійності передачі генетичної інформації. Наприклад, амінокислоті аргініну можуть відповідати триплети ГЦА, ГЦГ, ГЦТ, ГЦЦ і так далі. Зрозуміло, що випадкова заміна третього нуклеотида в цих триплетах ніяк не відіб'ється на структурі білка, що синтезується, В кожній молекулі ДНК, що складається з мільйонів нуклеотидних пар, записана інформація про послідовність амінокислот в сотнях різних білків. Кожна ділянка молекули ДНК, що несе інформацію про структуру якого-небудь білка, відмежовується від інших ділянок. Існують триплети, функцією яких є запуск синтезу полінуклеотідной ланцюжка, і триплети, які припиняють синтез, тобто служать розділовими «знаками».

Одна з основних властивостей коди - його специфічність. Немає випадків, коли один і той же триплет відповідав би більш ніж одній амінокислоті. Код універсальний для всіх живих організмів і ніколи не перекривається, тобто закодовані триплети транслюються - передаються у вигляді інформації триплета і-РНК завжди цілком. При прочитуванні інформації з молекули ДНК неможливе використання азотистої основи одного триплета в комбінації з основами іншого триплета.

Для того, щоб синтезувався білок, інформація про послідовність амінокислот в його первинній структурі має бути доставлена до рибосом. Цей процес включає два етапи - транскрипція і трансляція. Транскрипція (буквально - переписування) інформації відбувається шляхом синтезу на одному з ланцюгів молекули ДНК одноланцюгової молекули РНК, послідовність нуклеотидів якій точно відповідає послідовності нуклеотидів матриці - полінуклеотидного ланцюга ДНК. Існують спеціальні механізми «пізнавання» початкової точки синтезу, вибору ланцюга ДНК, з якою прочитується інформація, а також механізми завершення процесу. Так утворюється інформаційна РНК (і-РНК). Наступний етап біосинтезу - переведення послідовності нуклеотидів в молекулі і-РНК в послідовність амінокислот - трансляція.

У цитоплазмі на один з кінців і-РНК (а саме на той, з якого починався синтез молекули в ядрі) насувається рибосома і починає синтез поліпептиду. Рибосома переміщається по молекулі і-РНК не плавно, а поривчасто, триплет за триплетом.

У міру переміщення рибосоми по молекулі і-РНК до поліпептидного ланцюжка одна за одною приєднуються амінокислоти, відповідні триплетам і-РНК. Точна відповідність амінокислоти коду триплета і-РНК забезпечується т-РНК. Для кожної амінокислоти існує своя т-РНК, один з триплетів якої комплементарний певному триплету і-РНК. Так само кожній амінокислоті відповідає свій фермент, що приєднує її до т-РНК. Після завершення синтезу поліпепдний ланцюг відділяється від матриці - молекули і-РНК, згортається в спіраль, а потім набуває третинної структури, властивої даному білку. Молекула і-РНК, може використовуватися для синтезу поліпептидів багато разів, так само, як і рибосома.

Поданий тут опис транскрипції і трансляції є дуже спрощений. Слід пам'ятати, що біосинтез білків - процес надзвичайно складний, зв'язаний за участю багатьох ферментів і витратою великої кількості енергії, що значно перевищує кількість енергії пептидних зв'язків, що утворюються. Вражаюча складність системи біосинтезу і її висока енергоємність забезпечують високу точність і впорядкованість синтезу поліпептидів.

2.         Процесом, протилежним синтезу, є дисиміляція - сукупність реакцій розщеплювання. При розщеплюванні високомолекулярних сполук виділяється енергія, необхідна для реакцій біосинтезу. Тому дисиміляцію називають ще енергетичним обміном клітини.

Хімічна енергія поживних речовин знаходиться в різних ковалентних зв'язках між атомами в молекулах органічних сполук. Наприклад, при розриві такого хімічного зв'язку, як пептидна, звільняється близько 12 кдж на 1 моль. У глюкозі кількість потенційної енергії, що міститься в зв'язках між атомами С, Н і О, складає 2800 кДж на 1 моль (тобто на 180 грамів глюкози). При розщепленні глюкози енергія виділяється поетапно за участю ряду ферментів згідно підсумковому рівнянню:

С6Н2О6 + 6О2 -> 6Н2О + 6СО2 + 2800 кдж

Частина енергії, що звільняється з живильних речовин, розсівається у формі теплоти, а частина акумулюється, тобто накопичується в багатих енергією фосфатних зв'язках АТФ. Саме АТФ забезпечує енергією всі види клітинних функцій: біосинтез, механічну роботу (ділення клітки, скорочення м'язів), активне перенесення речовин через мембрани, підтримку мембранного потенціалу в процесі проведення нервового імпульсу, виділення різних секретів.

Молекула АТФ складається з азотистої підстави аденіна, цукру рибози і трьох залишків фосфорної кислоти. Аденін, рибоза і перший фосфат утворюють аденозинмонофосфат (АМФ). Якщо до першого фосфату приєднується другий, виходить аденозиндифосфат (АДФ). Молекула з трьома залишками фосфорної кислоти (АТФ) найбільш енергоємна. Відщеплення кінцевого фосфату АТФ супроводиться виділенням 40 кдж замість 12 кдж, звичайних хімічних зв'язків, що виділяються при розриві. Завдяки багатим енергією зв'язкам в молекулах АТФ клітина може накопичувати велику кількість енергії в дуже маленькому просторі і витрачати її у міру потреби. Синтез АТФ здійснюється в мітохондріях. Звідси молекули АТФ поступають в різні ділянки клітини, забезпечуючи енергією процеси життєдіяльності.

Енергетичний обмін зазвичай ділять на три етапи. Перший етап - підготовчий. На цьому етапі молекули ди- і полісахаридів, жирів, білків розпадаються на дрібні молекули - глюкозу, гліцерин і жирні кислоти, амінокислоти; великі молекули нуклеїнових кислот - на нуклеотиди. На цьому етапі виділяється невелика кількість енергії, яка розсівається у вигляді теплоти.

Другий етап - безкисневий, або неповний. Він називається також анаеробним диханням або бродінням. Термін «бродіння» зазвичай застосовують по відношенню до процесів, що відбуваються в клітинах мікроорганізмів або рослин. Речовини, що утворюються на цьому етапі, за участю ферментів піддаються подальшому розщеплюванню. Наприклад, в м'язах в результаті анаеробного дихання молекула глюкози розпадається на дві молекули піровиноградної кислоти (С3Н4О3), які потім відновлюються в молочну кислоту. У реакціях розщеплювання глюкози беруть участь фосфорна кислота і АДФ.

У сумарному вигляді це виглядає так:

С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ -> 3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О

У дріжджів молекула глюкози без участі кисню перетворюється на етиловий спирт і діоксид вуглецю (спиртове бродіння):

С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ -> 2С2Н5ОН + 2СО2 + 2АТФ + 2Н2О

У інших мікроорганізмів гліколіз може завершуватися утворенням ацетону, оцтової кислоти і так далі. У всіх випадках розпад однієї молекули глюкози супроводиться утворенням двох молекул АТФ. В ході безкисневого розщеплення глюкози у вигляді хімічного зв'язку в молекулі АТФ зберігається 40 % енергії, а остання розсівається у вигляді теплоти.

Третій етап енергетичного обміну - стадія аеробного дихання, або кисневого розщеплювання. Реакції цієї стадії енергетичного обміну також каталізують ферментами. При доступі кисню до клітини речовини, що утворилися під час попереднього етапу, окислюються до кінцевих продуктів - Н2О і СО2. Кисневе дихання супроводиться виділенням великої кількості енергії і акумуляцією її в молекулах АТФ. Сумарне рівняння аеробного дихання виглядає так:

3Н6Оэ + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ -> О2 + 6Н2О + 36АТФ + 36Н2О

Таким чином, при окисленні двох молекул молочної кислоти утворюються 36 молекул АТФ. Отже, основну роль в забезпеченні клітини енергією відіграє аеробне дихання.

  1. За способом отримання енергії всі організми діляться на дві групи - автотрофні і гетеротрофні.

Автотрофи - це організми, що здійснюють живлення (тобто одержують енергію) за рахунок неорганічних сполук. До них відносяться деякі бактерії і всі зелені рослини. Залежно від того, яке джерело енергії використовується автотрофними організмами для синтезу органічних сполук, їх ділять на дві групи: фототрофи і хемотрофи. Для фототрофов джерелом енергії служить світло, а хемотрофи використовують енергію, що звільняється при окислювально-відновних реакціях.

Зелені рослини є фототрофами. За допомогою хлорофілу, що міститься в хлоропластах, вони здійснюють фотосинтез - перетворення світлової енергії в енергію хімічних зв'язків. Відбувається це таким чином. Фотосинтез складається з двох фаз - світловий і темнової. У світловій фазі кванти світла - фотони - взаємодіють з молекулами хлорофілу внаслідок чого ці молекули на дуже короткий час переходять в багатший енергією «збуджений» стан. Потім надмірна енергія частини збуджених молекул перетворюється в теплоту або розсіюється у вигляді світла. Інша її частина передається іонам водню, завжди наявним у водному розчині унаслідок дисоціації води. Атоми водню, що утворилися, неміцно з'єднуються з органічними молекулами - переносниками водню. Іони гідроксидню ОН- віддають свої електрони іншим молекулам і перетворюються на вільні радикали ОН. Радикали ОН взаємодіють один з одним, внаслідок чого утворюються вода і молекулярний кисень:

4ОН -> О2 + 2Н2О.

Таким чином, джерелом молекулярного кисню, що утворюється в процесі фотосинтезу і виділяється в атмосферу, є фотоліз - розкладання води під впливом світла. Окрім фотолізу води енергія світла використовується в світловій фазі для синтезу АТФ з АДФ і фосфату без участі кисню. Це дуже ефективний процес: у хлоропластах утворюється в 30 разів більше АТФ, чим в мітохондріях тих же рослин за участю кисню. Таким шляхом накопичується енергія, необхідна для процесів, що відбуваються в темнової фазі фотосинтезу. У комплексі хімічних реакцій темнової фази, для перебігу якої світло не обов'язкове, ключове місце займає засвоєння СО2. У цих реакціях беруть участь молекули АТФ, синтезовані під час світлової фази, і атоми водню, води, що утворилися в процесі фотолізу, і пов'язані з молекулами-переносниками:

6СО2 + 24Н -> С6Н12О6 + 6Н2О

Так енергія сонячного світла перетвориться в енергію хімічних зв'язків складних органічних сполук.

Деякі бактерії, позбавлені хлорофілу, теж здібні до синтезу органічних сполук, при цьому вони використовують енергію хімічних реакцій неорганічних речовин. Перетворення енергії хімічних реакцій в хімічну енергію органічних сполук, що синтезуються, називається хемосинтезом. До групи автотрофов-хемосинтетиків (хемотрофів) відносяться нітрифікуючі бактерії. Деякі з них використовують енергію окислення аміаку в азотисту кислоту, інші - енергію окислення азотистої кислоти в азотну. Відомі хемосинтетики, що отримують енергію з окислення двовалентного заліза в тривалентне або з окислення сірководня до сірчаної кислоти. Фіксуючи атмосферний азот, переводячи нерозчинні мінерали у форму, придатну для засвоєння рослинами, хемосинтезуючі бактерії відіграють важливу роль в кругообігу речовин в природі.

Організми, не здатні самі синтезувати органічні сполуки з неорганічних, потребують засвоєння їх з навколишнього середовища. Такі організми називаються гетеротрофними. До них відносяться більшість бактерій, гриби і всі тварини.

Категория: лекції | Добавил: Директор
Просмотров: 948 | Загрузок: 0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Меню сайта
навигация
лекції [11]
практичні [2]
додаткові матеріали [2]
Форма входа

Поиск
Сайты WebGrup
Огромная коллекция мобильных фильмов + игры

Фильмы в мобильном формате мр4 320х240

Огромный мир полезных файлов - у нас есть все!

Развлекательный мобильный портал

Учим на отлично! - образовательный сайт

Онлайн-кинотеатр HD-фильмов

Реклама на сайтах WebGrup

Полезные ресурсы
Каркаралинский государственный природный национальный парк
Общаемся
карта посетителей
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0


видео-онлайн
00:04:40

Анатомия человека: Строение скелета

  • Просмотры:
  • Всего комментариев: 2
  • Рейтинг: 0.0
00:03:01

Эмбриональное развитие организмов

  • Просмотры:
  • Всего комментариев: 0
  • Рейтинг: 0.0

Научфильм. Серия "Биология". Нервная клетка

  • Просмотры:
  • Всего комментариев: 1
  • Рейтинг: 0.0
учебники
Українська мова 10-11 клас Біляєв О.М., Симоненкова Л.М., Скуратівський Л.В., Шелехова Г.Т. 

Німецька мова 10 клас Басай Н.П. 

Старова О. О. Алгебра та початки аналізу. 10 клас. Академічний рівень. Серія «Мій конспект» 

Copyright MyCorp © 2018Конструктор сайтов - uCoz