Обмен веществ
Обмен веществ (метаболизм) складывается из процессов расщепления и синтеза — диссимиляции и ассимиляции, постоянно
протекающих в организме. Чтобы жизнь продолжалась, количество поступающей энергии должно превышать (или как минимум равняться)
количеству расходуемой энергии, поэтому диссимиляция и ассимиляция поддерживают определенный баланс друг с другом.
Энергетический обмен
Энергетический обмен (диссимиляция — от лат. dissimilis ‒ несходный) — обратная ассимиляции сторона обмена веществ, совокупность реакций, которые приводят к высвобождению энергии химических связей. Это реакции расщепления жиров,
белков, углеводов, нуклеиновых кислот до простых веществ.
Возможно три этапа диссимиляции: подготовительный, анаэробный и аэробный. Среда обитания определяет количество
этапов диссимиляции. Их может быть три, если организм обитает в кислородной среде, и два, если речь идет об
организме, обитающем в бескислородной среде (к примеру, в кишечнике).
Обсудим этапы энергетического обмена более подробно:
- Подготовительный этап
- Бескислородный этап (анаэробный) — гликолиз
- Кислородный этап (аэробный)
Подготовительный этап осуществляется ферментами в ЖКТ. В результате действия ферментов сложные вещества превращаются в более простые: полимеры распадаются на мономеры. Это сопровождается разрывом химических связей и выделением энергии, большая часть
которой рассеивается в виде тепла.
Под действием ферментов белки расщепляются на аминокислоты, жиры — на глицерин и жирные кислоты, сложные углеводы — до простых сахаров.
Этот этап является последним для организмов-анаэробов, обитающих в условиях, где кислород отсутствует. На этапе гликолиза
происходит расщепление молекулы глюкозы: образуется 2 молекулы АТФ и 2 молекулы пировиноградной кислоты (ПВК).
Происходит данный этап в цитоплазме клеток.
Этот этап доступен только для аэробов — организмов, живущих в кислородной среде. Из каждой молекулы ПВК, образовавшейся на
этапе гликолиза, синтезируется 18 молекул АТФ — в сумме с двух ПВК выход составляет 36 молекул АТФ.
Таким образом, суммарно с одной молекулы глюкозы можно получить 38 АТФ (гликолиз + кислородный этап).
Кислородный этап протекает на кристах митохондрий (складках, выпячиваниях внутренней мембраны), где наибольшая концентрация окислительных ферментов. Главную роль в этом процессе играет так называемый цикл Кребса, который подробно изучает биохимия.
АТФ — аденозинтрифосфорная кислота
Трудно переоценить роль в клетке АТФ — универсального источника энергии. Молекула АТФ состоит из азотистого основания —
аденина, углевода — рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.
Между остатками фосфорной кислоты находятся макроэргические связи — ковалентные связи, которые гидролизуются с выделением
большого количества энергии. Их принято обозначать типографическим знаком тильда «∽».
АТФ гидролизуется до АДФ (аденозиндифосфорная кислота), а затем и до АМФ (аденозинмонофосфорная кислота).
Гидролиз АТФ сопровождается выделением энергии (E) на каждом этапе и может быть представлен такой схемой:
- АТФ + H2O = АДФ + H3PO4 + E
- АДФ + H2O = АМФ + H3PO4 + E
- АМФ + H2O = аденин + рибоза + H3PO4 + E
Пластический обмен
АТФ является универсальным источником энергии в клетке: энергия макроэргических связей АТФ используется для реакций
пластического обмена (ассимиляции), протекающих с затратой энергии: синтеза белка на рибосоме (трансляции),
удвоению ДНК (репликации) и т.д.
В результате пластического обмена в нашем организме происходит синтез белков, жиров и углеводов.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2023
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение
(в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов
без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования,
обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — это нуклео
тид, содержащий, помимо азотистого основания аденина
и остатка рибозы, три остатка фосфорной кислоты. Связи между фосфорными остат
ками — фосфоангидридные макроэргические (при расщеплении выделяется 42 кДж/моль
энергии), тогда как стандартная химическая связь при расщеплении дает 12 кДж/моль.
При необходимости макроэргическая связь АТФ расщепляется, образуются аденозиндифос
форная кислота (АДФ), фосфорный остаток и выделяется энергия:
АТФ + Н2О → АДФ + H3PO4 + 42 кДж.
АДФ также может расщепляться с образованием АМФ (аденозинмонофосфорной кисло
ты) и остатка фосфорной кислоты:
АДФ + Н2О → АМФ + H3PO4 + 42 кДж.
В процессе энергетического обмена (дыхании, брожении), а также в процессе фотосинте
за АДФ присоединяет фосфорный остаток и превращается в АТФ. Реакция синтеза АТФ на
зывается фосфорилированием. АТФ является универсальным источником энергии для всех
процессов жизнедеятельности живых организмов.
Видео YouTube
Видео YouTube
Название нуклеиновых кислот произошло от слова «нуклеус» — в переводе с латинского ядро. Впервые нуклеиновые кислоты были обнаружены в ядре клеток в 1868 году швейцарским учёным Иоганном Фридрихом Мишером.
Долгое время функция нуклеиновых кислот в клетке была неясна. Считалось что эти вещества являются всего лишь запасником фосфора в организме.
Хотя Ф. Мишер писал, что это вещество явно связано с процессом оплодотворения, но до середины XX века биологи так и не могли разгадать загадку нуклеиновых веществ.
По мнению ученых того времени, строение молекул нуклеиновых кислот было слишком однообразным и не могло рассматриваться в качестве носителя генетической информации.
Постепенно было доказано, что именно нуклеиновые кислоты являются носителем наследственной информации, благодаря им дочерние клетки наследуют свойства и признаки материнской клетки.
Нуклеиновые кислоты- природные высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации в живых организмах.
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
Нуклеиновые кислоты— биологические полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.
К нуклеиновым кислотам относят:
- дезоксирибонуклеиновую кислоту- ДНК
- рибонуклеиновую кислоту- РНК
ДНК и РНК присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации.
ДНК у прокариот находится в цитоплазме в составе нуклеоида.
ДНК у эукариотических организмов содержится исключительно в ядре клетки.
РНК содержится и в ядре, и в ядрышке, и в цитоплазме эукариотических клеток.
Нуклеотид (мономер) нуклеиновых кислот состоит из:
- азотистого основания
- остатка углевода- пентозы (рибоза в РНК, дезоксирибоза в ДНК)
- остатка фосфорной кислоты
Связи между нуклеотидами легко подвергаются распаду при реакции с водой (гидролиз).
Азотистые основания- это ароматические гетероциклические соединения, производные пиримидина или пурина.
Пять соединений этого класса являются основными структурными компонентами нуклеиновых кислот, общими для всей живой материи.
Пиримидиновые основания наиболее просто устроены и к ним относят:
- урацил
- тимин
- цитозин
Пуриновые основания являются производными пурина, молекула которого состоит из двух гетероциклов. К пуриновым основаниям относятся:
- аденин
- гуанин
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
Для сокращения названий нуклеотидов в биологии принято обозначать одной буквой — первой буквой их названия:
цитозин- Ц
гуанин- Г
аденин- А
тимин- Т
урацил- У
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
ДНК- дезоксирибонуклеиновая кислота
Нуклеиновую кислоту, содержащую дезоксирибозу, называют дезоксирибонуклеиновой кислотой или ДНК.
ДНК- это вещество, которое отличается необычным молекулярным строением и не похоже ни на одно химическое соединение.
Функции ДНК:
- кодирование аминокислот
- служит матрицей для синтеза всех видов РНК
- хранение наследственной информации
Молекула ДНК представляет собой две спирально закрученные друг вокруг друга цепи:
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
Используя все имеющиеся данные о нуклеиновых кислотах, в 1953 году в США ученые Ф.Крик и Д.Уотсон смоделировали пространственную модель ДНК, где четко видно, что ДНК- это полимер, а его мономерами являются нуклеотиды.
Нуклеотид ДНК состоит из 3-х компонентов:
- азотистого основания четырех видов (тимин, цитозин, аденин, гуанин)
- пятиатомного сахара- дезоксирибозы
- остатка фосфорной кислоты
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
Нуклеотиды соединены в одной цепи через углевод одного нуклеотида и остаток фосфорной кислоты соседнего нуклеотида прочной ковалентной связью.
В двойную цепь нуклеотиды соединены комплементарно через азотистые основания водородными связями:
- между аденином и тимином двойная водородная связь
- между гуанином и цитозином тройная водородная связь
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
Нуклеотидный состав ДНК в 1905 г. впервые количественно проанализировал американский биолог Эрвин Чаргафф.
Он обнаружил, что в молекуле ДНК число пуриновых оснований всегда равно числу пиримидиновых.
Молекулярное количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина равно цитозину- это правило Чаргаффа или принцип комплементарности (дополнительности).
Согласно принципу комплементарности можно восстановить недостающую цепь ДНК.
Задача:
Первая цепочка ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов:
А- Г- Ц- Т- Т- Ц- Г- Г- А- Г
Достойте вторую цепочку ДНК, используя принцип комлементарности.
Решение:
Мы видим, что первый нуклеотид в первой цепи ДНК- аденин (А), смотрим правило комплементарности:
значит аденину (А) соответствует тимин (Т).
Далее второй нуклеотид в первой цепи гуанин (Г)— опять обращаемся к принципу комплементарности: гуанин (Г) соответствует цитозину (Ц).
И таким образом мы можем достроить всю вторую цепь ДНК.
Первая цепь ДНК: А- Г- Ц- Т- Т- Ц- Г- Г- А- Г
Вторая цепь ДНК: Т- Ц- Г- А- А- Г- Ц- Ц- Т- Ц
Кроме достраивания цепей ДНК в ЕГЭ присутствуют задачи на определение количества (%) нуклеотидов в гене и определение длины гена.
Для решения таких задач тоже используют правило Чаргаффа:молекулярное количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина равно цитозину.
Нуклеотиды расположены на расстоянии друг от друга 0,34 нм, а молекулярная масса одного нуклеотида равна 345 — эти величины постоянные, они также используются для решения задач по ДНК.
Примеры задач:
Задача
В молекуле ДНК доля тиминовых нуклеотидов составляет 15% от общего количества нуклеотидов.
Определите количество других видов нуклеотидов в данной молекуле ДНК.
Решение:
1. По правилу Чаргаффа количество Тимина (Т) в ДНК равно аденину (А), следовательно, если доля Т = 15%, значит и А будет = 15%.
2. В сумме А + Т = 30%
3. Всего всех нуклеотидов ДНК = 100%, из них на долю А + Т приходится 30%
4. 100% — 30% = 70%, то есть 70% приходится на гуанин (Г) и цитозин (Ц)
5. Количество Ц = Г , следовательно 70% : 2 = 35% (35% = Г; 35% = Ц)
Ответ: А = (15%), Т = (15%), Г = (35%), Ц = (35%)
Задача
Участок цепи ДНК содержит 1500 нуклеотидов. В одной из цепей содержится 150 нуклеотидов А, 200 нуклеотидов Т, 250 нуклеотидов Г и 150 нуклеотидов Ц. Сколько нуклеотидов каждого вида будет во второй цепи ДНК?
Решение:
По правилу Чаргаффа в ДНК количество гуанина (Г) равно цитозину (Ц), количество тимина (Т) равно аденину (А). Если А в первой цепочке 150 нуклеотидов, значит и Т во второй цепи будет тоже 150, следовательно получается:
1-я цепь: 2-я цепь:
А = 150 Т = 150
Т = 200 А = 200
Г = 250 Ц = 250
Ц =1 50 Г = 150
Ответ: Во второй цепи ДНК: Т=150; А=200; Ц=250; Г=150
Задача
В молекуле ДНК обнаружено 880 гуаниловых нуклеотидов, которые составляют 22% от общего количества нуклеотидов этой ДНК. Сколько каждого нуклеотида содержится в этой молекуле ДНК? Какова длина этой молекулы ДНК?
Решение:
1) Исходя из принципа комплементарности (А + Т) + (Г+ Ц) = 100%
Тогда количество цитидиловых нуклеотидов равно: Г = Ц = 880, или 22%, то есть Г = 22% и Ц = 22%
2) На долю (Т + А) приходится: 100% — (22% + 22%) = 56%- количество Т и А
3) Необходимо посчитать количество нуклеотидов, исходя из процентных данных. Составляем пропорцию:
880 = 22%
Х = 56%
Х = (880*56) : 22 = 2400 нуклеотидов, приходится в сумме на А+Т
Так как А = Т, то 2400 : 2=1120 нуклеотидов, то есть 1120 = А и 1120 нуклеотидов Т
3) Всего в этой молекуле ДНК содержится (880 х 2) + (1120 х 2) = 4000 нуклеотидов.
4) Для определения длины ДНК узнаем, сколько нуклеотидов содержится в одной цепи:
4000 : 2 = 2000
Мы знаем, что нуклеотиды расположены на расстоянии друг от друга 0,34 нм и вычисляем длину ДНК в одной цепи:
0,34 нм х 2000 нуклеотидов= 680 нм.
Ответ: в молекуле ДНК Г = Ц = 880 и А = Т = 1120 нуклеотидов; длина этой молекулы 680 нм.
Синтез ДНК
Каждая молекула ДНК способна к самоудвоению, в основе которого лежит тот же принцип комлементарности (дополнительности). Этот принцип поможет понять, как строится новая молекула ДНК в новой клетке.
Перед каждым делением клетки (в интерфазе) происходит образование новой молекулы ДНК под действием фермента дезоксирибонуклеазы.
Фермент разрывает двойную цепь ДНК и спираль раскручивается.
Каждая отдельная цепь собирает новую молекулу ДНК по принципу комплементарности, в результате образуется две молекулы ДНК.
Этот процесс называется редупликация ДНК— копирование молекулы ДНК.
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
Нуклеиновую кислоту, содержащую рибозу, называют рибонуклеиновой кислотой или РНК.
РНК— это полимер, мономерами которого являются нуклеотиды.
В отличие от ДНК, РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой, и эта цепь очень похожа на одну из цепей ДНК.
РНК участвует в реализации генетической информации.
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
По своей структуре нуклеотиды РНК очень близки, но не тождественны нуклеотидам ДНК, они также образуют между собой водородные связи.
Цепи РНК значительно короче и их вес меньше цепей ДНК.
Состав мономера (нуклеотида) РНК:
- азотистые основания четырех видов (цитозин, гуанин, аденин, урацил), они такие же как у ДНК, кроме урацила, который очень близок по строению с тимином ДНК
- пятиуглеродный моносахарид (рибоза)
- остаток фосфорной кислоты
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
Виды РНК
Все виды РНК представляют собой неразветвленные полимеры, все они принимают участие в процессах образования белка.
Информация о строении всех видов РНК хранится в ДНК.
Процесс синтеза РНК на матрице ДНК называется транскрипцией, этот процесс подробно раскрыт в теме биосинтез белка.
Выделяют три вида РНК:
- информационная (матричная) РНК- обозначается иРНК или мРНК
- транспортная РНК- обозначается тРНК
- рибосомная РНК- обозначается рРНК
Информационная РНК— содержит информацию о первичной структуре (аминокислотной последовательности) белков.
Длина зрелой мРНК составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч нуклеотидов.
На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке.
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
Функции иРНК:
- перенос генетической информации от ДНК к рибосомам
- служит матрицей для синтеза молекулы белка
- определяет аминокислотную последовательность первичной структуры белковой молекулы
Транспортные РНК (тРНК) содержат обычно от 73 до 93 нуклеотидов.
По структуре тРНК напоминают лист клевера.
В клетке встречается около 40 видов тРНК, каждый из них имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов.
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
На долю тРНК приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке.
В строении тРНК можно выделить участок, который состоит из трех нуклеотидов-антикодон.
Антикодоны специфически связываются с тройкой нуклеотидов (кодон) на матричной РНК при синтезе белка.
Конкретная тРНК может транспортировать строго определенную аминокислоту, соответствующую ее антикодону.
Функции тРНК — транспорт аминокислот к месту синтеза белка, к рибосомам, трансляционный посредник.
Рибосомные РНК (рРНК) содержат от 3000 до 5000 нуклеотидов.
На долю рРНК приходится 80- 85% от общего содержания РНК в клетке.
В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы- органоиды, осуществляющие синтез белка.
В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках.
Функции рРНК:
- необходимый структурный компонент рибосом и обеспечение функционирования рибосом
- обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
Все виды РНК синтезируются в клеточном ядре на матрице ДНК под действием ферментов полимераз.
Таблица сравнения ДНК и РНК
Нуклеиновая кислота |
ДНК |
РНК |
Особенности строения |
Двойная спираль, способность к репликации (самоудвоению) |
Одинарная цепочка нуклеотидов. Виды РНК:
|
Строение нуклеотида |
Азотистое основание- углевод- остаток фосфорной кислоты |
|
Локализация в клетке |
Ядро, митохондрии, хлоропласты |
Ядро, ядрышко, цитоплазма, рибосомы, митохондрии, хлоропласты |
Локализация в ядре |
Хромосомы |
Ядрышко |
Азотистые основания |
Аденин (А) Тимин (Т) Гуанин (Г) Цитозин (Ц) |
Аденин (А) Урацил (У) Гуанин (Г) Цитозин (Ц) |
Углевод нуклеотида |
Пятиуглеродный моносахарид дезоксирибоза |
Пятиуглеродный моносахарид рибоза |
Функции |
Хранение и передача наследственной информации |
Биосинтез белка (реализация наследственной информации) |
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
АТФ— аденозинтрифосфат или аденозинтрифосфорная кислота.
Все проявления жизнедеятельности, все функции клетки осуществляются с затратой энергии.
Энергия требуется для движения, биохимических реакций, переноса веществ через клеточные мембраны, для любых форм клеточной активности.
Источником энергии в живых клетках, обеспечивающим все виды их деятельности, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).
АТФ был открыт в 1929 г. Карлом Ломанном, а в 1941 году Фриц Липман показал, что АТФ является основным переносчиком энергии в клетке.
АТФ содержится в каждой клетке животного или растительного организма, в клетках бактерий и вирусах, хотя запас АТФ в клетках не велик.
АТФ содержится в:
- цитоплазме
- митохондриях
- ядре клетки
У растений АТФ:
- образуется в световой фазе фотосинтеза
- используется в темновой фазе при синтезе глюкозы
За счет обменных процессов в организме происходит пополнение истраченных запасов этого богатого энергией вещества.
При усиленной, но кратковременной работе, например при беге на короткую дистанцию, мышцы работают за счет распада собственного АТФ. После окончания бега спортсмен усиленно дышит, в этот период происходит интенсивное окисление углеводов и других веществ для восполнения израсходованной АТФ.
При длительной напряженной работе содержание АТФ в клетках может существенно не изменяться, так как реакции окисления успевают обеспечить быстрое и полное восстановление израсходованной АТФ.
Итак, АТФ представляет единый и универсальный источник энергии для функциональной деятельности клетки.
В организме возможна передача энергии из одних частей клетки в другие и заготовка энергии впрок.
Синтез АТФ может происходить в одном месте клетки и в одно время, а использоваться в другом месте и в другое время.
Наиболее большое количество молекул АТФ можно обнаружить в скелетных мышцах.
АТФ- единый и универсальный источник энергообеспечения клетки.
По химическому строению АТФ является нуклеотидом.
Состав нуклеотида АТФ:
- азотистое основание- аденин (А)
- углевод- рибоза
- три остатка фосфорной кислоты
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
АТФ — очень неустойчивая структура. Самопроизвольно или под влиянием фермента в АТФ разрывается связь между фосфором (Р) и кислородом (О). К освободившимся связям легко присоединяется одна или две молекулы воды и отщепляется одна или две молекулы фосфорной кислоты.
Если отщепляется одна молекула фосфорной кислоты, то АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту), если отщепляется две молекулы фосфорной кислоты, то образуется АМФ (аденозинмонофосфорная кислота).
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
И теперь самое важное: при реакции отщепления одной фосфорной кислоты выделяется большое количество энергии (40 кДж).
Чтобы подчеркнуть такую высокую энергетическую эффективность фосфорно-кислородной связи в АТФ ее называют «связью, богатой энергией» или макроэргической и обозначают знаком «~»
В АТФ имеются две макроэргические связи.
Значение АТФ в жизни клетки: центральная роль в клеточных превращениях энергии (распад АТФ на АДФ и АМФ с выделением энергии, синтез АТФ из АДФ с поглощением энергии)
Синтез АТФ
Два исследователя Пол Д. Бойер (США) и Джон Э. Уолкер (Великобритания) в 1997 году получили Нобелевскую премию за объяснение ферментативного механизма, лежащего в основе синтеза АТФ.
АТФ синтезируется в митохондриях в несколько этапов при взаимодействии специального фермента АТФ-синтазы с фосфатами во время дыхания клетки (окисление глюкозы в присутствии кислорода) и во время фотосинтеза (за счет солнечной энергии).
Синтез молекул АТФ происходит в ходе кислородного этапа энергетического обмена, во время которого в клетке образуется 36 молекул АТФ.
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
Витамины (лат. vita «жизнь»)- группа низкомолекулярных органических соединений простого строения и разнообразной химической природы, они необходимы для нормального функционирования организма.
Витамины являются составной частью ферментов, ускоряющих обменные процессы в организме.
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
История открытия витаминов
До XIX века о существовании витаминов ничего не было известно. Хотя болезни от нехватки этих веществ у людей активно проявлялись, обычно причины болезненного состояния списывались на инфекцию.
Особенно страдали от нехватки витаминов мореплаватели, которые при длительных путешествиях погибали от цинги- болезни, вызываемой острым недостатком витамина C.
Витамины по большей части содержатся в овощах и фруктах, которые моряки не брали с собой так как они быстро портились.
При цинге из-за недостатка витамина С нарушается биосинтез коллагена, входящего в состав соединительной ткани. В результате становятся слабыми сосуды, появляются кровотечения, поражаются кости, выпадают зубы, понижается иммунитет.
В 1747 году шотландский врач Джеймс Линд, пребывая в длительном плавании, провел своего рода эксперимент на матросах, больных цингой, дополнительно вводя в их рацион различные продукты.
В ходе этой работы было обнаружено, что у матросов, в рацион которых врач Линд добавлял фрукты, а в частности, цитрусовые лимоны и апельсины, болезнь проходила после 6 дней употребления этих фруктов.
Однако в то время его открытие признания в научном мире не заслужило.
Джеймс Линд и его работа:
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
В 1795 году лимоны и другие цитрусовые стали стандартной добавкой к рациону британских моряков.
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
Вторая половина XIX века была периодом бурного развития химии и физиологии.
К тому времени были получены основные сведения о химической природе главных составных частей пищи: белков, жиров, углеводов.
В 1880 году русский врач Николай Иванович Лунин в 26 лет экспериментально доказал, что в молоке содержатся некие вещества, незаменимые для питания.
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
Его опыт состоял в следующем:
Исследователь взял две группы мышей.
Первую группу мышей кормил натуральным коровьим молоком, а вторую группу смесью белков, жиров, углеводов и минеральных солей, по составу и в соотношениях, полностью соответствовавших коровьему молоку.
Опыт длился 70 дней.
Животные первой группы, питавшиеся натуральным молоком, оставались здоровыми на всем протяжении опыта.
Мыши из второй группы, питавшиеся смесью, погибали в срок от 11 до 21 дня.
Н.И.Лунин писал в своей диссертации: «В молоке, кроме казеина, жира, молочного сахара и солей, должны содержаться другие вещества, которые совершенно необходимы для питания. Обнаружить эти вещества и изучить их значение представляет большой интерес».
Именно исследование Н.И.Лунина можно считать первыми доказательствами существования витаминов, а самого Лунина российским первооткрывателем витаминов.
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
Далее история учения о витаминах продолжится в ходе изучения болезни «Бе́ри—бе́ри», которая была характерна для японских жителей, питавшихся очищенным рисом.
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
Истоки заболевания были найдены спустя годы.
В 1897 году ирландский врач Христиан Эйкман пришел к выводу, что, шлифуя рис, люди лишают себя необходимых полезных веществ, которые входят в состав верхних слоев неочищенных зерен.
В 1911 году польский учёный Казимир Функ, выделил кристаллический препарат из рисовых отрубей, небольшое количество которого излечивало бери-бери. Функ назвал это вещество «витамин»: от латинских слов «vita» (жизнь) и «amine» (азот).
С развитием биологической химии ученные постепенно установили химические формулы витаминов и научились получать их в чистом виде.
Благодаря применению витаминов исчезли такие массовые болезни, как рахит, цинга, пеллагра и другие авитаминозы.
Краткая история открытия жирорастворимых витаминов:
Витамин |
Когда и какими учеными был открыт витамин |
Витамин А |
В 1917 г. был обнаружен независимо Элмером Макколом и Лайфайеттом VHS Менделем и Томасом Бурром Осборном. |
Витамин Д |
В 1937 г. Виндаус сумел выделить активный витамин Д3. |
Витамин Е |
В 1936 г. получены первые препараты витамина Е путем экстракции из масел ростков зерен. Синтез витамина Е осуществлен в 1938г. Каррером. |
Краткая история открытия водорастворимых витаминов:
Витамин |
Когда и какими учеными был открыт витамин |
Витамин В1 (тиамин) |
В 1911г. польским учёным Казимиром Функом. В чистом виде впервые выделен Б. Янсеном в 1926г. |
Витамин В2 (рибофлавин) |
В 1879 г. ученый Блисc открыл это вещество. Как рибофлавин описан в 1932г. |
Витамин В3 |
В качестве витамина был открыт в 1933 г. Р.Уильямсом |
Витамин С |
В 1923 г. доктором Гленом Кингом было установлено химическое строение витамина С. В 1928 г. доктор и биохимик Альберт Сент-Дьёрди впервые выделил витамин С. В 1933 г. швейцарские исследователи синтезировали аскорбиновую кислоту (аналог витамина С) |
Витамин К |
В 1929 г. датский биохимик Хенрик Дам выделил жирорастворимый витамин, который в 1935 г. назвали витамином К. Участвует в свертываемости крови. |
Витамин РР (никотиновая кислота) |
С 1915 г. американский врач Гольдберг исследовал этот витамин, и постепенно был получен кристаллический препарат никотиновой кислоты |
Классификация и роль витаминов в организме человека
Большую часть витаминов организм не способен синтезировать сам, поэтому витамины должны попадать в наш организм вместе с пищей.
Источниками витаминов для человека являются пищевые продукты растительного и животного происхождения.
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
Некоторые витамины образуются микрофлорой кишечника.
Витамины делят на:
- жирорастворимые витамины: А, D, E, K
- водорастворимые витамины: C, Р и витамины группы B
При недостатке или переизбытке в организме какого-либо витамина наступает болезненное состояние, характеризуемое определенным набором симптомов.
Гиповитаминоз- патологическое состояние, связанное с недостатком в организме определенного витамина.
Авитаминоз— тяжелое патологическое состояние, связанное с отсутствием в организме определенного витамина.
Гипервитаминоз— патологическое состояние, связанное с избытком в организме определенного витамина.
Авитаминозы и гиповитаминозы могут возникать не только в случае отсутствия витаминов в пище, но и при нарушении их всасывания при заболеваниях желудочно-кишечного тракта.
Жирорастворимые витамины накапливаются в жировой ткани и печени, поэтому гиповитаминозы и авитаминозы этих витаминов наблюдаются реже, чем у водорастворимых витаминов, которые не могут накапливаться в организме.
Таким образом, чаще наблюдаются гиповитаминозы водорастворимых витаминов и гипервитаминозы жирорастворимых витаминов.
Витаминология— медико-биологическая наука, изучающая структуру и механизмы действия витаминов, а также их применение в лечебных и профилактических целях.
Водорастворимые витамины:
- Витамины группы В входят в состав многих ферментов, содержатся в продуктах (например, в хлебе), некоторые синтезируются кишечными симбионтами
- Витамин С, или аскорбиновая кислота необходим для нормального формирования соединительной ткани. Он защищает от окисления ферменты, ответственные за синтез антител, поэтому помогает иммунной системе; поступает с пищей; при его недостатке развивается цинга
- Витамин К – фактор свертываемости крови; образуется кишечной микрофлорой
- Витамин РР (никотиновая кислота) – участвует в метаболизме белков, жиров, аминокислот, углеводов. Является лекарственным средством
Жирорастворимые витамины:
- Витамин А (ретинол) необходим для образования зрительного пигмента сетчатки — родопсина (при его недостатке развиваются нарушения зрения и болезнь куриная слепота), поступает с пищей
- Витамин D участвует в минерализации костной ткани. Его активная форма формируется в организме при ультрафиолетовом облучении (эндогенный витамин), поэтому связанное с ним заболевание рахит может развиваться при недостатке самого витамина или при недостатке ультрафиолета в зимнее время в северных районах. Витамина D содержится много в рыбьем жире (экзогенный витамин)
- Витамин Е (токоферол) участвует в репродуктивной функции и иммунной защите, поступает с пищей
Различные факторы: кипячение, замораживание, высушивание, освещение могут оказать негативное влияние на витамины и разрушить их.
Наименее стойким из всех витаминов является витамин С, который начинает разрушаться при нагревании всего лишь до 60°С, а также при доступе воздуха, солнечного света, повышении влажности.
Витамин А более устойчив к действию высокой температуры, но легко окисляется при доступе воздуха.
Витамин D выдерживает продолжительное кипячение в кислой среде, а в щелочной быстро разрушается.
Витамины группы В более устойчивы и меньше разрушаются при кулинарной обработке. Наименее стоек из них витамин В1, который распадается при длительном кипячении и повышении температуры до 120°С.
Витамин Е выдерживает кипячение любой длительности.
Длительное хранение и высушивание губительно действуют на витамины А, С, но не разрушают витамины D, Е, В1, B2.
Витамин |
Функции |
Симптомы авитаминоза и гиповитаминоза |
Источники витамина для организма |
А |
Для роста и развития, нормального функционирования слизистых оболочек, восприятия света, иммунитет (синтез интерферонов, иммуноглобулина, лизоцима); антиоксидант |
Язвы на коже и слизистых оболочках. «Куриная слепота» – неспособность видеть при слабом свете; у детей -отставание в росте |
Печень, сливочное масло, сыр, в виде каротина- в моркови, красном перце, тыкве, и в других овощах и фруктах красного цвета |
В1 |
Необходим для нормальной деятельности нервной системы |
Заболевание под названием Бери-бери – повышенная возбудимость, нарушение сна, снижение памяти, судороги, паралич |
В оболочках зерен злаковых растений, гречневой и овсяной крупах, зеленом горошке, ржаной хлеб |
В2 |
Влияет на состояние эпителия слизистой оболочки ротовой полости и других пищеварительных органов |
Воспаление слизистой оболочки в ротовой полости, трещинки в углах рта, Катаракта – помутнение хрусталиков глаз |
Молоко, сыр, и другие молочные продукты, печень почки, гречневая крупа |
В6 |
Участвует в белковом обмене, уменьшает отложения в сосудах холестерина, который ведёт к развитию атеросклероза, ожирению печени и отложению камней в желчном пузыре |
Ожирение печени, нарушение функции нервной системы, вызывает потерю аппетита, тошноту, воспаление языка, образование трещин в углах рта, воспаление красной каймы губ |
Дрожжи пекарские и пивные, печень животных и рыб, яичный желток, сельдь, треска, зеленый горошек, стручковая фасоль, куриное мясо. Частично синтезируется микробами |
В12 |
Участвует в синтезе ферментов, ответственных за созревание клеток крови в костном мозге |
Ухудшение аппетита, слабость, снижение массы тела. Злокачественная анемия (малокровие) |
Печень, яичные желтки, кисломолочные продукты |
С |
Участвует в синтезе белков соединительной ткани, повышает иммунитет |
Быстрая утомляемость слабеет устойчивость к инфекциям, сонливость. Цинга – стенки кровеносных сосудов становятся хрупкими, кровоточат десна, расшатываются и выпадают зубы |
Овощи, фрукты, ягоды, много в шиповнике, черной смородине, лимоне и капусте |
D |
Регулирует содержание кальция и фосфора в крови, минерализация костей и зубов |
Рахит – кости теряют прочность, у детей искривляются ноги деформируется грудная клетка, замедляется рост. Нарушение усвоения кальция и фосфора, снижается тонус мышц и устойчивость к инфекционным болезням |
Яичный желток, печень, рыбий жир, молоко, образуется в коже под влиянием УФ лучей |
РР |
Обеспечивает нормальное протекание окислительно-восстановительных процессов, участвует в образовании гормонов надпочечников |
Нарушение деятельности пищеварительной системы, потемнение кожи, покрытие её язвочками |
Дрожжи, неочищенный рис, печень, яичный желток, молоко. Образуется в организме из продуктов питания |
Н (биотин) |
Участвует в энергетическом обмене |
У маленьких детей недостаток витамина Н проявляется дерматитом. У взрослых мелкое шелушение кожи, сонливость, потеря аппетита, мышечная слабость, болезненность мышц, рвота, малокровие |
Ананас, свекла, гречка, фасоль, мясо и субпродукты, грибы; синтезируется бактериальными симбионтами в толстом кишечнике |
Эта информация доступна зарегистрированным пользователям
в условии
в решении
в тексте к заданию
в атрибутах
Категория:
Атрибут:
Всего: 266 1–20 | 21–40 | 41–60 | 61–80 …
Добавить в вариант
В процессе обмена веществ в клетке энергия АТФ может использоваться
1) для выделения углекислого газа из клетки
2) на поступление веществ в клетку через плазматическую мембрану
3) при расщеплении биополимеров
4) для образования воды на кислородном этапе энергетического обмена
Источник: ЕГЭ по биологии 30.05.2013. Основная волна. Дальний Восток. Вариант 2.
Кислородное расщепление глюкозы значительно эффективнее брожения, так как при этом
1) освобождаемая энергия выделяется в виде тепла
2) синтезируется 2 молекулы АТФ
3) происходит использование энергии
4) синтезируется 36 молекул АТФ
Источник: ЕГЭ по биологии 30.05.2013. Основная волна. Центр, Урал. Вариант 2.
Гликолиз завершается
1) образованием 38 молекул АТФ
2) образованием 36 молекул АТФ
3) образованием 2 молекул АТФ
4) полным распадом АТФ
Источник: Диагностическая работа по биологии 06.04.2011 Вариант 1.
Все приведённые ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания световой фазы фотосинтеза в клетке. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в ответ цифры, под которыми они указаны.
1) фотолиз воды
2) восстановление углекислого газа до глюкозы
3) синтез молекул АТФ за счет энергии солнечного света
4) соединение водорода с переносчиком НАДФ+
5) использование энергии молекул АТФ на синтез углеводов
Источник: РЕШУ ЕГЭ
Накопление большого количества молочной кислоты в мышцах вызывает в них боль и утомление, потому что
1) в мышцах накапливается глюкоза и кислород
2) уменьшается содержание АТФ и кислорода
4) увеличивается содержание АТФ и кислорода
Что характерно для кислородного этапа энергетического процесса?
1) протекает в цитоплазме клетки
2) образуются молекулы ПВК
3) встречается у всех известных организмов
4) протекает процесс в матриксе митохондрий
5) наблюдается высокий выход молекул АТФ
6) имеются циклические реакции
В процессе кислородного этапа катаболизма образовалось 972 молекулы АТФ. Определите, какое количество молекул глюкозы подверглось расщеплению и сколько молекул АТФ образовалось в результате гликолиза и полного окисления? Ответ поясните.
В процессе кислородного этапа катаболизма образовалось 1368 молекулы АТФ. Определите, какое количество молекул глюкозы подверглось расщеплению и сколько молекул АТФ образовалось в результате гликолиза и полного окисления? Ответ поясните.
Все приведённые ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания темновой фазы фотосинтеза в клетке. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в ответ цифры, под которыми они указаны.
1) восстановление углекислого газа до глюкозы
2) синтез молекул АТФ за счет энергии солнечного света
3) соединение водорода с переносчиком НАДФ+
4) использование энергии молекул АТФ на синтез углеводов
5) образование молекул крахмала из глюкозы
Источник: РЕШУ ЕГЭ
Проанализируйте таблицу «Этапы клеточного дыхания». Заполните пустые ячейки таблицы, используя термины и определения, приведённые в списке. Для каждой ячейки, обозначенной буквой, выберите соответствующий термин из предложенного списка.
Этапы клеточного дыхания
Этап дыхания | Исходные вещества | Продукты процесса |
---|---|---|
_________(А) | глюкоза | ПВК, АТФ, НАД·Н |
цикл Кребса | ПВК | ____________(В) |
электрон-транспортная
цепь |
____________ (Б) | Н2О, АТФ |
Список терминов и определений:
1) углекислый газ, вода
2) НАД·Н, ФАД·Н2, АТФ
3) НАД·Н, ФАД·Н2, кислород
4) НАД·Н, ФАД·Н2, углекислый газ, АТФ
5) молочная кислота
6) гликолиз
7) окислительное фосфорилирование
8) брожение
Запишите в ответ цифры, расположив их в порядке, соответствующем буквам:
Найдите ошибки в приведённом тексте. Укажите номера предложений, в которых они допущены, исправьте их.
1. При дыхании синтезируется глюкоза через ряд последовательных этапов. 2.На некоторых этапах энергия химических связей глюкозы используется для синтеза АТФ. 3. Дыхание начинается с соединения двух молекул пировиноградной кислоты. 4. Первичный процесс бескислородного дыхания происходит в цитоплазме. 5. В результате этого дыхания образуются две молекулы АТФ. 6. Конечным этапом цикла является окислительное фосфорилирование, на которое расходуется энергия АТФ.
Все приведённые ниже признаки, кроме двух, можно использовать для характеристики энергетического обмена в клетке. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в ответ цифры, под которыми они указаны.
1) идёт с поглощением энергии
2) завершается в митохондриях
3) завершается в рибосомах
4) сопровождается синтезом молекул АТФ
5) завершается образованием углекислого газа
Источник: РЕШУ ОГЭ
Все приведённые ниже признаки, кроме двух, реакции, происходящие в ходе энергетического обмена у человека. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в ответ цифры, под которыми они указаны.
1) расщепление глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты
2) образование кислорода из воды
3) синтез 38 молекул АТФ
4) образование углекислого газа и воды в клетках
5) восстановление углекислого газа до глюкозы
Источник: РЕШУ ЕГЭ
Все перечисленные ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания фотосинтеза. Определите два признака, «выпадающие» из общего списка, и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.
1) фотолиз воды
2) синтез АТФ
3) цикл Кребса
4) восстановление углерода
5) окисление НАД∙Н
Все перечисленные ниже признаки, кроме двух, используются для описания бескислородного этапа дыхания у человека. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.
1) образование углекислого газа и воды
2) происходит в цитоплазме
3) формируется 36 молекул АТФ
4) начинается с активации глюкозы
5) в процессе образуется пировиноградная кислота
Все приведённые ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания световой фазы фотосинтеза. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в ответ цифры, под которыми они указаны.
1) образуется молекулярный кислород в результате разложения молекул воды
2) происходит синтез углеводов из углекислого газа и воды
3) происходит полимеризация молекул глюкозы с образованием крахмала
4) осуществляется синтез молекул АТФ
5) происходит фотолиз воды
Источник: РЕШУ ЕГЭ
Установите соответствие между характеристикой энергетического обмена и его этапом
ХАРАКТЕРИСТИКА
A) происходит в анаэробных условиях
Б) происходит в митохондриях
B) образуется молочная кислота
Г) образуется пировиноградная кислота
Д) синтезируется 36 молекул АТФ
ЭТАП ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА
1) гликолиз
2) кислородное окисление
Запишите в ответ цифры, расположив их в порядке, соответствующем буквам:
A | Б | В | Г | Д |
Источник: ЕГЭ по биологии 30.05.2013. Основная волна. Дальний Восток. Вариант 2.
Темновая фаза фотосинтеза характеризуется
1) протеканием процессов на внутренних мембранах хлоропластов
2) синтезом глюкозы
3) фиксацией углекислого газа
4) протеканием процессов в строме хлоропластов
5) наличием фотолиза воды
6) образованием АТФ
Источник: ЕГЭ по биологии 30.05.2013. Основная волна. Дальний Восток. Вариант 1.
Установите соответствие между процессом и этапом энергетического обмена, в котором он происходит.
ПРОЦЕСС
A) расщепление глюкозы
Б) синтез 36 молекул АТФ
B) образование молочной кислоты
Г) полное окисление до СО2, Н2О
Д) образование ПВК, НАД · 2Н
ЭТАП ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА
1) бескислородный
2) кислородный
Запишите в ответ цифры, расположив их в порядке, соответствующем буквам:
А | Б | В | Г | Д |
Источник: ЕГЭ по биологии 30.05.2013. Основная волна. Сибирь. Вариант 1.
Обеспечение организма человека молекулами АТФ происходит в процессе
1) кислородного этапа энергетического обмена
2) синтеза белков на иРНК
3) подготовительного этапа энергетического обмена
4) синтеза иРНК на ДНК
Источник: ЕГЭ по биологии 30.05.2013. Основная волна. Центр, Урал. Вариант 4.
Всего: 266 1–20 | 21–40 | 41–60 | 61–80 …
- Взрослым: Skillbox, Хекслет, Eduson, XYZ, GB, Яндекс, Otus, SkillFactory.
- 8-11 класс: Умскул, Лектариум, Годограф, Знанио.
- До 7 класса: Алгоритмика, Кодланд, Реботика.
- Английский: Инглекс, Puzzle, Novakid.
АТФ и другие органические соединения клетки
Нуклеотиды представляют собой структурную базу для многих ценных для жизнедеятельности органических веществ. В особенности популярны среди них макроэргические соединения (высокоэнергетические соединения, включающие в себя наполненные энергией, или макроэргические, объединения). В ряду последних – аденозинтрифосфат (АТФ). АТФ объединяет в себе азотистое основание аденина, углевода рибозы, и (в отличие от нуклеотидов ДНК и РНК) трёх остатков фосфорной кислоты (далее — ФК).
АТФ. Строение. Функции
Аденозинтрифосфат – многофункциональный хранитель и переносчик энергии в клетке. В роли генератора почти всех происходящих в клетке биохимических процессов, которые требуют затрат энергетических сил, выступает АТФ. Во время отделения одного остатка ФК аденозинтрифосфаттрансформируется в аденозиндифосфат (АДФ), а если отсекается следующий остаток ФК (что происходит довольно редко), то АДФ преобразуется в аденозинмонофосфат, сокращённо именуемый АМФ.
Во время отделения второго и третьего остатков ФК высвобождается значительное количество энергии (до 40 кДж), в связи с чем связь между этими остатками называется макроэргической (обозначается она знаком волнистого тире). Связь между первым остатком ФК и рибозой макроэргической не является, и при её расщеплении выделяется примерно 14 кДж.
Формироваться макроэргические соединения могут и на основе иных нуклеотидов. Гуанозинтрифосфат (ГТФ), к примеру, играет важную роль в ряде биохимических реакций, тем не менее АТФ представляет собой самый популярный и многофункциональный генератор энергии для основной массы биохимических процессов, происходящих в клетке. АТФ располагается в цитоплазме, митохондриях, пластидах и в ядрах.
Витамины
В малых количествах биологически активные органические соединения – витамины (от лат. vita – жизнь) – абсолютно востребованы для здоровой жизнедеятельности организмов. Также они незаменимы в обменных реакциях. Нередко витамины являются компонентами ферментов.
Обозначают витамины латинскими буквами, однако у всех них имеется своё название. Витамин C, например, – аскорбиновая кислота, витамин A – ретивол. В жирах растворяются так называемые жирорастворимые витамины (A, D, E, K), в воде – водорастворимые (C, B, PP, H). Дисбаланс витаминов приводит к значительным ухудшениям целого ряда функций в организме.
- Взрослым: Skillbox, Хекслет, Eduson, XYZ, GB, Яндекс, Otus, SkillFactory.
- 8-11 класс: Умскул, Лектариум, Годограф, Знанио.
- До 7 класса: Алгоритмика, Кодланд, Реботика.
- Английский: Инглекс, Puzzle, Novakid.
Молекула АТФ
18-Июл-2019 | Нет комментариев | Лолита Окольнова
Состав молекулы:
- азотистое основание аденин,
- сахар рибоза и
- три остатка фосфорной кислоты
Связи между остатками фосфорных кислот называются макроэнергетическими, т.к. при их расщеплении высделяется энергия:
АТФ + H2O -> АДФ + H3PO4 + энергия
АТФ + H2O -> АМФ + H4P2O7 + энергия
АДФ — аденозиндифосфат ( 2 остатка фосфорной кислоты)
АМФ — аденозинмонофосфат ( 1 остаток фосфорной кислоты)
Энергия такой связи — от 40 до 60 кДжмоль, в то время как обычной — около 10 кДжмоль ( в 4-6 раз больше!)
Функции АТФ |
Примеры |
Сокращение мышечных волокон | За счет энергии, выделяющейся при гидролизе АТФ, нити сократительного белка миозина меняют свое положение относительно другого сократительного белка — актина |
Биосинтез веществ в клетке | АТФ используется в биосинтезе белка для активации аминокислот и их присоединения к тРНК |
Активный транспорт веществ через цитоплазматическую мембрану | АТФ фосфорилирует мембранные белки, входящего в состав комплекса пор |
Синтез мочевины | Гидролиз АТФ обеспечивает процесс выведения из организма аммиака — который является конечным продуктом белкового обмена |
Синтез углеводов ( цикл Кальвина) | В темновой фазе фотосинтеза гидролиз АТФ запускает реакции превращения углекислого газа в органические вещества |
Фиксация азота | Энергия АТФ используется для превращения молекулярного азота в соединения аммония |
Биолюминесценция | У некоторых животных ( ракообразных, насекомых, рыб) энергия, выделяющаяся при гидролизе АТФ, запускает окисление вещества люциферина, сопровождающегося испусканием света |
Синтез молекулы АТФ происходит в полуавтономных органойдах клетки — митохондриях и хлоропластах, а выделившаяся энергия запасается в результате реакций распада — дыхания, брожения и фотосинтеза.
В реакциях синтеза (пластического обмена) АТФ расходуется, в реакциях энергетического обмена — наоборот, выделяется.
В ЕГЭ очень часто встречаются вопросы преобразования АТФ в ходе фотосинтеза или синтеза белка. Давайте четко определимя, где молекула расходуется, а где образуется:
Световая фаза |
Темновая фаза |
происходит синтез АТФ |
используется энергия АТФ идет цикл реакций, в которых через ряд промежуточных продуктов образуется глюкоза:
|
АТФ в реакции синтеза белка:
-
Активация аминокислоты специфичным ферментом в присутствии АТФ
-
Присоединение активированной аминокислоты к специфичной тРНК с высвобождением аденозинмонофосфата (АМФ)
-
Связывание аминоацил-тРНК (тРНК, нагруженной аминокислотой) с рибосомами, включение аминокислоты в белок с высвобождением тРНК (здесь АТФ уже не участвует)
Обсуждение: «Молекула АТФ»
(Правила комментирования)
Понятие метаболизма
Метаболизм — совокупность всех химических реакций, протекающих в живом организме. Значение метаболизма состоит в создании необходимых организму веществ и обеспечении его энергией.
Выделяют две составные части метаболизма — катаболизм и анаболизм.
Составные части метаболизма
Часть | Характеристика | Примеры | Затраты энергии |
Катаболизм (энергетический обмен, диссимиляция) | Совокупность химических реакций, приводящих к образованию простых веществ из более сложных | Гидролиз полимеров до мономеров и расщепление последних до низкомолекулярных соединений углекислого газа, воды, аммиака и других веществ | Энергия выделяется |
Анаболизм (пластический обмен, ассимиляция) | Совокупность химических реакций синтеза сложных веществ из более простых | Образование углеводов из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза, реакции матричного синтеза | Энергия поглощается |
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 + H2O → АДФ + H3PO4 + Q1
АДФ + H2O → АМФ + H3PO4 + Q2
АМФ + H2O → аденин + рибоза + H3PO4 + Q3,
где АТФ — аденозинтрифосфорная кислота; АДФ — аденозиндифосфорная кислота; АМФ — аденозинмонофосфорная кислота; Q1 = Q2 = 30,6 кДж; Q3 = 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
Группа | Характеристика | Организмы |
Аэробы (облигатные аэробы) | Организмы, способные жить только в кислородной среде | Животные, растения, некоторые бактерии и грибы |
Анаэробы (облигатные анаэробы) | Организмы, неспособные жить в кислородной среде | Некоторые бактерии |
Факультативные формы (факультативные анаэробы) | Организмы, способные жить как в присутствии кислорода, так и без него | Некоторые бактерии и грибы |
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) CH3COCOOH, АТФ и воды, а также атомы водорода, которые связываются молекулой-переносчиком НАД+ и запасаются в виде НАД·Н.
Суммарная формула гликолиза имеет следующий вид:
C6H12O6 + 2H3PO4 + 2АДФ + 2НАД+ → 2C3Н4O3 + 2H2O + 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)
CH3COCOOH → СО2 + СН3СОН
СН3СОН + 2НАД·Н → С2Н5ОН + 2НАД+,
либо в молочную кислоту — молочнокислое брожение (в клетках животных при недостатке кислорода)
CH3COCOOH + 2НАД·Н → C3Н6O3 + 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 СО2, а высвободившаяся при этом энергия расходуется на синтез 4 АТФ и накапливается в 10 НАД·Н и 4 ФАД·Н2.
В. На третьей стадии атомы водорода с НАД·Н и ФАД·Н2 окисляются молекулярным кислородом О2 с образованием воды. Один НАД·Н способен образовывать 3 АТФ, а один ФАД·Н2–2 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:
О2 + е— → О2—.
В результате деятельности ферментов цепи переноса электронов внутренняя мембрана митохондрий изнутри заряжается отрицательно (за счёт О2—), 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:
1/2О2— +2H+ → Н2О.
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:
C6H12O6 + 6O2 + 38H3PO4 + 38АДФ → 6CO2 + 44H2O + 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 (СО2, Н2О) → 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·Н2.
Таким образом, во время световой фазы фотосинтеза происходят три процесса: образование кислорода вследствие разложения воды, синтез АТФ и образование атомов водорода в форме НАДФ·Н2. Кислород диффундирует в атмосферу, а АТФ и НАДФ·Н2 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 СО2, поступающего из воздуха, в цикле Кальвина. Осуществляются реакции темновой фазы за счёт энергии АТФ. В цикле Кальвина СО2 связывается с водородом из НАДФ·Н2 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 | 6СО2 + 6Н2О + энергия света → C6H12O6 + 6O2 | C6H12O6 + 6O2 → 6СО2 + 6Н2О + энергия (АТФ) |
Исходные вещества | Углекислый газ, вода | Органические вещества, кислород |
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 мрнк, 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.