Обмен веществ для живых организмов


Обмен веществ в живых организмах

Обмен веществ в живых организмах является основным в существовании белковых тел, и этот способ существования состоит в самообновлении химических составных частей живых организмов. На потемневших от времени кусках пергамента, на глиняных табличках и листах папируса находят записанные древними мудрецами мысли о том, что такое жизнь и как она возникла. Листы папируса и пергамента. Изображению и объяснению жизни немало строк посвятили писатели и поэты. В тайны ее на протяжении многих столетий упорно и последовательно проникают ученые. Из одних лишь определений, что такое жизнь, можно было бы составить толстую книгу. Во многих высказываниях древних содержались верные наблюдения, отражающие многообразие проявлений жизни, но не было главного — общего признака, характерного для любой ее формы. Этим признаком, присущим всем живым организмам — от простейших микробов до самых высокоорганизованных существ и является обмен веществ в живых организмах, постоянное самообновление составных частей тела организма. Современные достижения биохимии, физиологии и других наук полностью подтвердили правильность этого утверждения. Все другие свойства жизни, например, раздражимость, то-есть способность отвечать на воздействия среды, рост, развитие, размножение и другие, — лишь различные проявления жизни, вытекающие из основного ее свойства — самообновления. Самообновление живых организмов представляет собой два одновременно происходящих в организме процесса — разрушение имеющегося и созидание нового органического вещества. Вещества тела любого организма беспрерывно распадаются и в то же время в нем идет возникновение новых веществ, подобных разрушившимся. Обе эти стороны жизнедеятельности организма — разрушительная и созидательная — неразрывно связаны между собой и составляют единый процесс жизни. Разрушение и созидание наблюдаются всюду и в неживой природе. Это связано с деятельностью воды, ветра, ледников. Например, в результате выветривания гранитная скала постепенно превращается в щебень и даже в песок. Из этого материала впоследствии могут образоваться новые твердые породы, но они уже не будут прежним гранитом. Совсем иное представляет собой разрушение в живом организме. Здесь разрушение вещества является источником возникновения нового органического вещества, то-есть представляет основное условие сохранения жизни этого организма. Если прекратится распад, одновременно прекратится и образование нового живого вещества, наступит смерть. Разрушение и распад, происходящие в теле живого организма, носят название диссимиляции, а противоположный процесс — образование нового вещества — называется ассимиляцией. В диссимиляции и ассимиляции, или, как говорят, в обмене веществ и энергии, и заключается сущность жизни. Ведь организм что-то всегда получает из окружающей среды и  что-то постоянно ей отдает. Этим живое качественно отличается от неживого, ибо подобного обмена веществ нет ни у одного неживого тела. Рассмотрим более подробно взаимосвязь между этими двумя сторонами самого существенного процесса жизни —самообновления. Диссимиляция — это в конечном итоге соединение органических веществ, входящих в состав живого тела, с кислородом, то-есть окисление, в результате которого освобождается скрытая в них потенциальная энергия. Поэтому диссимиляцию иногда сравнивают с горением. Но это не одно и то же. Горение также есть окисление, но происходит оно сравнительно быстро, причем почти вся химическая энергия горящего тела из скрытого состояния непосредственно переходит в теплоту. Освобождающаяся при диссимиляции энергия может проявляться в виде энергии движения, в различных химических реакциях, в результате которых она переходит из одной формы в другую, может накапливаться «про запас», превращаться даже в электрическую энергию. При этом одни процессы протекают быстрее, другие медленнее. И лишь в конечном итоге все виды энергии переходят в тепловую (здесь, как и всюду, действителен закон сохранения вещества, открытый Ломоносовым). Ассимиляция, то-есть преобразование вещества пищи в тело организма, происходит за счет энергии, освобождающейся при диссимиляции. Такова суть самообновления организма. Где же происходит этот процесс? Самообновление осуществляется во всех тех частях организма, где имеется протоплазма, состоящая главным образом из белковых веществ. Протоплазма присуща всему живому. Она входит в состав любой живой клетки, и все процессы обмена веществ и энергии осуществляются в ней и через нее. Однако процессы обмена веществ у разных организмов происходят по-разному. Имеются, например, существенные различия в обмене веществ у растений, животных и микробов. Некоторые различия в процессах обмена есть у близких видов и, больше того, даже у двух организмов одного и того же вида. Но чем организмы по своему происхождению ближе, тем более сходно протекают у них обменные процессы. При этом обмен веществ, везде, имеет общий признак — самообновление. В разных условиях существования организм может изменять характер своего обмена веществ и тогда изменяется сам. Таким образом, любое изменение организма осуществляется через изменение его обмена веществ. Есть, однако, организмы, у которых процессы обмена веществ и энергии имеют существенные особенности. Таковы, например, зеленые, то-есть хлорофилловые, растения, у которых ассимиляция идет не только за счет распада органических веществ и освобождающейся при этом энергии, но главным образом за счет энергии света, поступающей извне. Вот по полю прошли сеялки, рядками зарывая в землю зерна пшеницы. Зерна пропитались влагой, согрелись в теплой земле, и скрытая в их зародышах жизнь пришла в активное движение. Питательные вещества зерна пошли на питание зародыша. Крахмал, например, превратился в сахар и стал пищей для «проснувшихся» клеток. Быстро начали делиться клетки зародыша. Раздвигая комочки земли, потянулся вверх, ближе к свету, упругий росток; упорно пробивается вниз корешок. Пока росток не пробился к свету, молодое растеньице, подобно человеку и животным, подобно бесхлорофилловым не зеленым растениям, питается органическими веществами, заготовленными материнским растением. Ростки пшеницы. Но вот росток пшеничного зернышка поднялся к поверхности, навстречу солнечному свету, пробил острой вершинкой последний комочек земли, и вместе с другими такими же росточками выбрался на поверхность. И тотчас же он принял сначала чуть буроватую окраску, а затем в его клеточках мельчайшими изумрудами зазеленели хлорофилловые зерна. Зазеленело и пшеничное поле. Отныне пища зеленого растения — не готовый крахмал, белок и жиры, отложенные в пшеничном зерне, а углекислый газ, добываемый из воздуха листьями и другими содержащими хлорофилл зелеными частями растений, и вода с минеральными солями, извлекаемая из почвы корнями. Растение «встало на свои собственные ноги». Оно теперь не только изготовляет вещества, необходимые для жизнедеятельности клеток своего тела, но и накапливает большие запасы белков, углеводов, жиров и других органических веществ за счет использования энергии солнца. Коротко познакомимся с химическим составом живых тел. Большинство химических элементов таблицы Менделеева обнаружено в телах живых организмов. Все они, вероятно, участвуют в процессах жизни, однако роль их далеко не одинакова. Одни из этих элементов имеют преимущественное значение в построении тела организма, другие играют определенную роль в его дыхании, питании, выделении и других жизненных процессах. Некоторые элементы придают особые свойства тканям. Фосфор, например, входит в состав мозга и костного скелета, в костях имеется также кальций, в хлорофилле зеленых растений содержится магний, но хлорофилл не может образоваться без участия железа. Иногда для исследователя обнаружение в тканях организма того или иного химического элемента является полной неожиданностью. Например, некоторые водоросли моря накапливают в своем теле заметное количество йода хотя в морской воде обнаруживаются лишь следы этого элемента? Морские водоросли — промышленное сырье для получения йода. Морские водоросли — промышленное сырье для получения йода. Почему в тканях обыкновенного подсолнечника, или в зерне кукурузы концентрация золота значительно большая, чем в почве, на которой они растут? Ученые академики В. И. Вернадский и А. П. Виноградов — установили, что более 60 процентов химических элементов тесно связано с жизнью организмов. Иногда ничтожное прибавление к пище соединений, содержащих тысячные и даже миллионные доли процента таких элементов, как бор, марганец, медь, цинк, бром, мышьяк, кобальт, стронций и другие, повышает жизнедеятельность организма, усиливает обмен веществ. На этом основан применяемый для повышения урожайности полей, садов и огородов метод так называемого микроудобрения почвы. В почву вносят ничтожно малое количество веществ, содержащих те или иные элементы, и этим улучшают условия питания растений. Можно с уверенностью сказать, что все существующие на земле химические элементы участвуют в процессах жизни. Однако основу живого организма составляют не все химические элементы. Из них можно выделить десять — двенадцать, играющих более заметную роль в процессах жизни; первое же место по значению принадлежит всего-навсего четырем: углероду, водороду, кислороду и азоту. Эти элементы получили даже особое название — элементов-органогенов. Все многообразие органических веществ, имеющихся в составе живых тел, образуют прежде всего эти четыре элемента, входящие в три главные группы органических соединений — белков, жиров и углеводов. Говоря о химическом составе основных органических ве­ществ, следует сказать несколько слов и об особенностях эле­ментов, составляющих эти вещества. Белки, углеводы, жиры и другие органические, а также минеральные вещества участвуют в процессе жизнедеятельности организмов, но основой жизни являются белки. Протоплазма клеток — это прежде всего разнообразные белки, не представляющие, однако, какого-то случайного скопления, а являющиеся сложными системами белков и других веществ. Эти системы возникли в результате очень длительного процесса развития живого вещества. И из этих трех групп органических веществ важнейшую роль в жизни играют белки. С ними и их свойствами связаны все проявления жизни. Деятельная часть зеленых растений представляет собой живые клетки; состоящие из протоплазмы, которая также является сочетанием различных белков. Конечно, углеводы, жиры и другие вещества тоже участвуют в жизненных процессах, но ведущая роль принадлежит белкам. Белки исключительно разнообразны. Из различных белков состоят протоплазма клеток, мышцы, сухожилия, связки, стен­ки сосудов, внутренние органы, рога, копыта, когти, кожа и во­лосы животных. Из различных белков состоят все живые организмы. Много белка в молоке, в семенах и плодах не­которых растений и т. д. Однако, несмотря на то что по своему внешнему виду и свойствам все эти белки мало похожи друг на друга, они имеют единый элементарный химический состав (состоят из углерода, водорода, кислорода и азота) и определенное, свойственное только белкам, строение молекул. Кроме перечис­ленных четырех элементов, в белки нередко входят и некоторые другие, например фосфор, железо, магний и т. д. Понять многообразие и сложность жизни можно, лишь проследив законы развития белкового вещества. Наука биохимия, изучает химизм веществ живых организмов. Белки — самые сложные из встречающихся в природе веществ. Сложность вещества определяется количеством и разнообразием атомов, входящих в состав частицы этого вещества — молекулы. Чем больше атомов в молекуле, тем больше ее молекулярный вес. О сложности строения белковых молекул можно судить по их молекулярному весу. Так, например, молекулярный вес воды равен 18, обыкновенной поваренной соли — 58,5, сахара из свеклы — 342, а белка куриного яйца — 43 000. Есть белки, молекулярный вес которых достигает сотен тысяч и даже миллионов! Поэтому белковую молекулу по сравнению с молекулами других веществ называют молекулой-гигантом. Это обстоятельство наряду с особенностями углеродной цепочки, составляющей основу белковой молекулы, в значительной степени определяет подвижность белка, способность изменяться в зависимости от условий среды. В белковой молекуле всегда имеются такие группы атомов, которые легко присоединяют к себе из окружающей среды новые группы атомов, и такие; которые молекула отдает в окружающую среду. Подвижность белков и является одной из основных причин их безграничного разнообразия в природе. Белковая молекула в процессе ассимиляции непрерывно воспроизводит — точнее говоря, восстанавливает себя: атомы этой молекулы постоянно располагаются в ней определенным образом. Белок, распадаясь, вновь создает белок, подобный себе. Распад вещества живого организма неуклонно ведет к возникновению подобного же вещества. В этом проявляется основное свойство самообновления белковых тел. Академик А. И. Опарин пишет: Организация живой протоплазмы определяется последовательностью химических процессов и превращений, которые совершаются в обмене веществ. В настоящее время выяснилось, что белковые вещества определяют скорость, направление и взаимосвязь химических превращений, которые совершаются в живой клетке. Поэтому основным в биохимии является не вопрос диссимиляции, распада в процессе обмена веществ, который прослежен довольно глубоко, а процесс ассимиляции, то-есть свойства самовоспроизведения белковых веществ, образования любым белком белка, подобного ему. Найти законы самовоспроизведения белков — таков путь познания процессов жизни. Успехи в области изучения белка, которых добились ученые, дают основание полагать, что решение вопроса об управлении процессами, происходящими в живом белке, — дело, быть может, не очень отдаленного будущего. К углеводам относятся крахмал, сахар и другие органиче­ские вещества. В состав всех углеводов входят водород, угле­род и кислород. Тот же элементарный химический состав имеют и разнообразные жиры растительного и животного происхожде­ния, но типы построения молекул углеводов и жиров различны. Углерод как элемент широко известен. Он почти в чистом виде находится в каменном и древесном угле. Чистый угле­род — это графит, из которого делают грифель обыкновенного карандаша и огнеупорные тигли для плавления металлов, нако­нец из углерода состоит алмаз — самое твердое из известных в природе веществ. Но нас углерод интересует не как промыш­ленное сырье или драгоценный камень. Нам необходимо выяснить его роль как неизменного участника соединений, входящих в состав организмов. В своей книге «Зани­мательная геохимия» академик А. Е. Ферсман писал, Представим себе на секунду, как бы вы­глядела Земля без углерода. Ведь это значит, что не было бы ни одного зеленого листика, ни дерева, ни травки. Не было бы также и животных. Лишь голые утесы разнооб­разных горных пород торчали бы среди безжизненных голых песков и безмолвных пустынь Земли. Действительно, всякая жизнь неизбежно связана с углеро­дом. Используем ли мы древесину для построек или других на­добностей, изготовляем ли одежду, обувь, пищу, вдыхаем ли аромат цветов, — везде мы имеем дело с соединениями углеро­да. Зеленые леса, луга, поля — это прежде всего углерод. Зеленые растения содержат соединения углерода. В сухом веществе растения по весу около половины составляет углерод (в среднем 45 процентов). Известно, что при нагревании древесины без доступа возду­ха в конечном счете остается только углерод с небольшой при­месью золы, то-есть минеральных веществ. Но если сжечь древесный уголь на воздухе, останется лишь зола. Углерод же дре­весного угля, соединившись при сгорании с кислородом возду­ха, образовал бесцветный углекислый газ, который улетучился. В воздухе всегда находится ничтожная примесь углекислого газа — всего около 0,03 процента по объему. Однако эта не­большая примесь и является для растений источником углеро­да, идущего на построение белков, жиров, углеводов и других органических веществ. Бесконечное множество самых разнообразных углеродных соединений, которые встречаются в природе, объясняется преж­де всего свойствами углерода. Дело в том, что атомы углерода легко вступают в соедине­ния друг с другом, образуя при этом «углеродные цепочки». Установлено, что уже на ранней ступени остывания звезд воз­никает так называемый бикарбон — вещество, молекула кото­рого состоит из двух атомов углерода. По мере дальнейшего остывания звезд образуются все более сложные углеродные со­единения. Углерод, составляющий как бы основу, «скелет», органических молекул, присоединяет к себе атомы и группы атомов, содержащих водород, кислород и азот. Если «углеродные цепочки» присоединяют к себе атомы во­дорода и кислорода, то возникают молекулы углеводов, жиров и других безазотистых углеродных соединений. Но самые заме­чательные соединения образуются, когда «углеродная цепоч­ка», кроме групп атомов, содержащих водород и кислород, при­соединяет атомные группы, содержащие азот. Создаются азо­тистые вещества типа белков, которые в результате дальнейше­го развития и усложнения могут превратиться в белковые тела, обладающие таким свойством жизни, как обмен веществ. Азот по своим химическим свойствам резко отличается от углерода. Это малодеятельный химический элемент. В соедине­ние с другими химическими элементами он вступает при очень высокой температуре или при большом давлении. Азота в природе очень много. В атмосфере воздуха, напри­мер, азот по весу составляет 75 процентов. Это значит, что над каждым квадратным метром площади земли находится столб воздуха, в котором содержится около 8 тонн газообразного азо­та. Какие богатые запасы по сравнению с ничтожной примесью углекислого газа! Однако организмы, использующие азот и углерод для по­строения своего тела, обычно не страдают от недостатка угле­рода; азота же растениям часто не хватает. Дело в том, что ор­ганизм усваивает не газообразный азот воздуха, а соединения азота, ему нужен, как говорят, «связанный азот». Растения не испытывают недостатка также в водороде и кислороде. Вода и кислород входят в состав всех растений. Но роль этих элементов не ограничивается тем, что они входят вместе с углеродом и азотом в состав белков, углеводов и других органических веществ. Водород и кислород образуют воду, а вода в процессе жизнедеятельности организмов имеет очень важное значение. Она входит в состав протоплазмы клеток, при ее посредстве совершается взаимодействие различных белков и других веществ в организме. Вода также обеспечивает  обмен веществ в живых организмах и  их взаимодействие с окружающей средой.  

libtime.ru

Дайте определение: обмен веществ - Школьные Знания.com

Обмен веществ - это совокупность протекающих в живых организмах химических превращений, обеспечивающих их рост, развитие и процессы жизнедеятельности.Питание -  это поддержание жизни и здоровья человека с помощью пищи, для поддержания нормального течения физиологических процессов жизнедеятельности, здоровья и работоспособности.Дыхание - это совокупность процессов, обеспечивающих поступление из атмосферного воздуха в организм кислорода, использование его в биологическом окислении органических веществ и удаление из организма углекислого газа.Движение - это процесс изменения положения тела и его частей.Раздражимость - это свойство живых организмов реагировать на различные воздействия.Размножение - это свойство живых организмов воспроизводить себе подобных с целью продления рода.Рост - это увеличение массы организма, органа или участка ткани за счет увеличения количества и размеров клеток и неклеточных образований.Органические вещества - это вещества, которые входят в состав живых организмов и образуются только при их участии.

Белки - это высокомолекулярные органические вещества, состоящие из аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью.Жиры - это смеси сложных эфиров, образованных трехатомным спиртом глицерином и высшими жирными кислотами. 

Углеводы - это обширная группа органических соединений, входящих в состав всех живых организмов.Нуклеиновые кислоты - это соединения, состоящие из остатков фосфорной кислоты , пуриновых и пиримидиновых оснований и углевода.Азот -  это важнейший компонент белков и нуклеиновых кислот.Кислород - это жизненно важный элемент, с помощью которого организмы дышат.  Мембрана - это оболочка клетки.Хромосома - это нитевидная структура клеточного ядра, несущая генетическую информацию в виде генов, которая становится видной при делении клетки.Хроматида - это структурный элемент хромосомы, формирующийся в интерфазе ядра клетки в результате удвоения хромосомы.Митоз - это непрямое деление, основной способ деления эукариотных клеток.Мейоз - это особый способ деления эукариотических клеток, в результате которого происходит переход клеток из диплоидного состояния в гаплоидное.

Ткань- это система клеток и межклеточного вещества, объединённых общим происхождением, строением и выполняемыми функциями.Межклеточное вещество - это составная часть соединительной ткани позвоночных и многих беспозвоночных животных, включающая соединительнотканные волокна и аморфное основное вещество, выполняющая механическую, опорную, защитную и трофическую функции.

Орган - это часть организма, представляющая собой эволюционно сложившийся комплекс тканей, объединенный общей функцией, структурной организацией и развитием.Побег - это один из основных вегетативных органов высших растений, состоящий из стебля с расположенными на нём листьями и почками.Корень - один из основных органов растений, служащий для укрепления в почве, поглощения воды, минеральных веществ, синтеза органических соединений, а также для выделения некоторых продуктов обмена.Лист - это важный орган растения, в котором происходят фотосинтез, газообмен и испарение.Стебель - это удлинённый побег высших растений, служащий механической осью, также выполняет роль проводящей и опорной базы для листьев, почек, цветков.Цветок - орган размножения покрытосеменных (цветковых) растений.Плод -  видоизменённый в процессе двойного оплодотворения цветок.Семя - это особая многоклеточная структура сложного строения, служащая для размножения и расселения семенных растений.Завязь - это нижняя расширенная часть пестика в цветке, по опылении образующая плод.Тычинка - это репродуктивный орган цветка покрытосеменных растений, в котором образуются пыльцевые зёрна.Пыльца - это скопление пыльцевых зёрен семенных растений.Зародыш - это то,что представляет из себя организм на ранней стадии его развития.Эндосперм - это запасающая ткань семени растений, в которой откладываются питательные вещества.

Гормон - это группа биологически активных веществ, выделяемых железами внутренней секреции

znanija.com

Обмен веществ и энергии в живых организмах (стр. 1 из 2)

Обмен веществ.

В живых организмах любой процесс сопровождается передачей энергии. Энергию определяют как способность совершать работу. Специальный раздел физики, который изучает свойства и превращения энергии в различных системах, называется термодинамикой. Под термодинамической системой понимают совокупность объектов, условно выделенных из окружающего пространства.

Обмен веществ и энергии - это совокупность физических, химических и физиологических процессов превращения веществ и энергии в живых организмах, а также обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Обмен веществ у живых организмов заключается в поступлении из внешней среды различных веществ, в превращении и использовании их в процессах жизнедеятельности и в выделении образующихся продуктов распада в окружающую среду.

Все происходящие в организме преобразования вещества и энергии объединены общим названием - метаболизм (обмен веществ). На клеточном уровне эти преобразования осуществляются через сложные последовательности реакций, называемые путями метаболизма, и могут включать тысячи разнообразных реакций. Эти реакции протекают не хаотически, а в строго определенной последовательности и регулируются множеством генетических и химических механизмов. Метаболизм можно разделить на два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса: анаболизм (ассимиляция) и катаболизм (диссимиляция).

Анаболизм - это совокупность процессов биосинтеза органических веществ (компонентов клетки и других структур органов и тканей). Он обеспечивает рост, развитие, обновление биологических структур, а также накопление энергии (синтез макроэргов). Анаболизм заключается в химической модификации и перестройке поступающих с пищей молекул в другие более сложные биологические молекулы. Например, включение аминокислот в синтезируемые клеткой белки в соответствии с инструкцией, содержащейся в генетическом материале данной клетки.

Катаболизм - это совокупность процессов расщепления сложных молекул до более простых веществ с использованием части из них в качестве субстратов для биосинтеза и расщеплением другой части до конечных продуктов метаболизма с образованием энергии. К конечным продуктам метаболизма относятся вода (у человека примерно 350 мл в день), двуокись углерода (около 230 мл/мин), окись углерода (0,007 мл/мин), мочевина (около 30 г/день), а также другие вещества, содержащие азот (примерно б г/день).

Катаболизм обеспечивает извлечение химической энергии из содержащихся в пище молекул и использование этой энергии на обеспечение необходимых функций. Например, образование свободных аминокислот в результате расщепления поступающих с пищей белков и последующее окисление этих аминокислот в клетке с образованием СО2, и Н2О, что сопровождается высвобождением энергии.

Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия. Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание катаболических процессов ведет к частичному разрушению тканевых структур. Состояние равновесного или неравновесного соотношения анаболизма и катаболизма зависит от возраста (в детском возрасте преобладает анаболизм, у взрослых обычно наблюдается равновесие, в старческом возрасте преобладает катаболизм), состояния здоровья, выполняемой организмом физической или психоэмоциональной нагрузки.

Цикл Кребса.

Цикл трикарбоновых кислот впервые был открыт английским биохимиком Кребсом. Он первым постулировал значение данного цикла, который источником которого является гликолитическое превращение углеводов. В дальнейшем было показоно, что цикл Кребса является тем центром, где сходятся практически все метаболические пути. Таким образом, цикл Кребса – общий конечный путь окисления ацетильных групп, в которые превращается в процессе катаболизма большая часть органических молекул, играющих роль «клеточного топлива»- углеводов, жирных кислот и аминокислот.

Образовавшийся в результате гликолиза в цикле Эмбдена-Меергофа ацетил-КоА (продукт окислительного декарбоксилирования пирувата) окисляется до воды и углекислого газа в цикле Кребса (лимоннокислый цикл). Этот процесс осуществляется последовательными ферментативными реакциями, в результате которых высвобождается энергия (схема 6). Полный распад одной молекулы глюкозы дает 38 молекул АТФ, причем 24 из них образуются в цикле Кребса. Ферменты этого цикла локализуются в матриксе митохондрий (в стенке внутренней мембраны). Поступивший в цикл Кребса ацетил-КоА является конечным продуктом катаболизма не только углеводов, но также липидов и таких аминокислот, как фенилаланин, тирозин, лейцин и изолейцин.

Схема 6. Цикл Кребса (лимоннокислый цикл).

Кроме того, существует прямой путь окисления глюкозы – гексозомонофосфатный (пентозный) цикл, который преобладает в эритроцитах половых железах, коре надпочечников, печени. Хотя окисление в гексозомонофосфатном цикле составляет всего 2% от обмена углеводов (при сахарном диабете может увеличиваться до 6%), для организма значение этого цикла очень велико. Особенность этого процесса – образование пентоз, накопление NADPH (2)-кофермента дегидрогеназ, участвующих в синтезе нуклеиновых кислот, холестерина, жирных кислот, активировании фолиевой кислоты и образовании АТФ. Гексозомонофосфатный цикл обеспечивает также процессы гидроксилирования, необходимые для синтеза биогенных аминов (катехоламины, серотонин) и стероидных гормонов коры надпочечников. Последовательная цепь реакций пентозного цикла (схема 7) приводит к образованию рибулозо-5-фосфата, который идет на построение нуклеотидов или серией обратных реакций преобразуется в гексозофосфаты с использованием их в гликолитическом цикле.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

Катаболизм органических веществ в тканях сопровождается потреблением кислорода и выделением СО2 . Этот процесс называют тканевым дыханием. Кислород в этом процессе используется как акцептор водорода от окисляемых (дегидрируемых) веществ (субстратов), в результате чего синтезируется вода. Процесс окисления можно представить следующим уравнением: Sh3 + 1/2 O2 - S + h3 O. Окисляемые различные органические вещества (S - субстраты), представляют собой метаболиты катаболизма, их дегидрирование является экзоэргическим процессом . Энергия, освобождающаяся в ходе реакций окисления, либо полностью рассеивается в виде тепла, либо частично тратится на фосфорилирование ADP с образованием АТР. Организм превращает около 40% энергии, выделяющейся при окислении, в энергию макроэргических связей АТР. Большинство организмов в биосфере использует этот способ или очень сходный с ним (в качестве терминального акцептора водорода может быть не кислород, а другое соединение) как основной источник энергии, необходимый для синтеза внутриклеточной АТР. Таким путем клетка превращает химическую энергию питательных веществ, поступивших извне, в утилизируемую метаболическую энергию. Реакция дегидрирования и способ превращения выделившейся энергии путем синтеза АТР - это энергетически сопряженные реакции . Целиком весь сопряженный процесс называется окислительным фосфорилированием ADP :

Окислительное фосфорилирование ADP

Цепь транспорта электронов - ЦТЭ

Указанное выше уравнение для окислительно-восстановительной реакции представляет собой обобщенную форму, так как изображает процесс окисления субстратов как прямое дегидрирование, причем кислород выступает в роли непосредственного акцептора водорода. На самом деле кислород участвует в транспорте электронов иным образом. Существуют промежуточные переносчики при транспорте электронов от исходного донора электронов Sh3 к терминальному акцептору - О2 . Полный процесс представляет собой цепь последовательных окислительно-восстановительных реакций , в ходе которых происходит взаимодействие между переносчиками. Каждый промежуточный переносчик вначале выступает в роли акцептора электронов и протонов и из окисленного состояния переходит в восстановленную форму. Затем он передает электрон следующему переносчику и снова возвращается в окисленное состояние. На последней стадии переносчик передает электроны кислороду, который затем восстанавливается до воды. Совокупность последовательных окислительно-восстановительных реакций называется цепью переноса (транспорта) электронов, или дыхательной цепью :

Перенос электронов и протонов с участием промежуточных переносчиков. Sh3 - исходный донор протонов и электронов; P - промежуточные переносчики; E1, E2, E3, E4 - ферменты окислительно-восстановительных реакций

Промежуточными переносчиками в дыхательной цепи у высших организмов являются коферменты: NAD+ (никотинамид-адениндинуклеотид), FAD и FMN (флавинадениндинуклеотид и флавинмононуклеотид), кофермент Q (CoQ), семейство гемсодержащих белков - цитохромов (обозначаемых как цитохромы b, С1 , С, А, А3 ) и белки, содержащие негеминовое железо. Все участники этой цепи разделены на четыре окислительно-восстановительные системы, связанные убихиноном (CoQ) и цитохромом С. Процесс начинается с переноса протонов и электронов от окисляемого субстрата на коферменты NAD+ или FAD. Это определяется тем, является ли дегидрогеназа, катализирующая первую стадию, NAD - зависимой или FAD - зависимой. Если процесс начинается с NAD+ , то следующим переносчиком будет FMN.

mirznanii.com

что такое обмен веществ? Его значение в природе и жизни человека - Школьные Знания.com

Обмен веществ - это набор химических реакций, обеспечивающий жизнедеятельность и рост клетки. Обмен веществ – это то, что является основой живого организма, это обмен между химическим составом человека и окружающей среды.В обменных процессах нашего организма участвуют все химические и природные элементы – белки, жиры и углеводы. Выполняя каждый свою роль - белки, создавая строительный материал, а жиры с углеводами, регулируя баланс энергетических затрат – четко и слаженно взаимодействуют друг с другом. К ним в помощь приходят минеральные вещества и витамины, которые улучшают клеточную среду.Обмен веществ состоит из двух сторон:1. диссимиляция – разложение, распад питательных веществ.2. ассимиляция – синтез, создание и усвоение организмом новых веществ.Эти процессы идут параллельно и всю жизнь. Различают следующие этапы:1. Поступление питательных веществ в организм2. Всасывание их из пищеварительного тракта3. Перераспределение и усвоение питательных веществ (тканевый этап)4. Выделение остатков продуктов распада, которые не могут усвоиться в организмеПроцессы обмена веществ идут в организме быстро и интенсивно, хотя в организме нет высокого давления и температуры. Эта быстрота обеспечивается участием ферментов и других веществРоль обмена веществОбмен веществ заслуживает того, чтобы уделить ему самое пристальное внимание. Ведь от его налаженной работы зависит снабжение наших клеток полезными веществами. Основу обмена веществ составляют химические реакции, происходящие в организме человека. Вещества, необходимые для жизнедеятельности организма мы получаем с пищей.Дополнительно нам нужен еще кислород, который мы вдыхаем вместе с воздухом. В идеале должно наблюдаться равновесие между процессами строительства и распада. Однако это равновесие часто может быть нарушено и причин этому есть масса.Причины нарушения обмена веществСреди первых причин нарушения обмена веществ можно выделить наследственный фактор. Хотя он и не исправим, с ним можно и нужно бороться! Также нарушения обмена веществ могут быть вызваны органическими заболеваниями. Однако зачастую эти нарушения являются следствием нашего неправильного питания.Как переизбыток полезных веществ, так и их недостаток очень вредит нашему организму. И последствия могут быть необратимыми. Избыток некоторых питательных элементов возникает в результате чрезмерного употребления жирной пищи, а недостаток - при строгом соблюдении различных диет для похудения. Основной диетой чаще всего является однообразное питание, что и ведет к недополучению необходимых питательных веществ, в свою очередь, это неизбежно приведёт к развитию различных болезней. Возможно возникновение аллергии на большую часть продуктов питания.- Нашли ошибку в тексте? Выделите ее и еще несколько слов, нажмите Ctrl + Enter - Вам не понравилась статья или качество поданной информации? - напишите нам!Болезни обмена веществДаже сбалансировав все обменные процессы, снабдив организм недостающими витаминами, мы рискуем получить ряд серьёзных заболеваний, вызванных продуктами распада наших клеток. Продукты распада имеют всё живое и растущее, а это и есть пожалуй самый опасный враг для нашего здоровья. Иначе говоря, организм должен вовремя очищаться от шлаков, либо они просто начнут отравлять его. Оставаясь в избытке, продукты распада вызывают хронические болезни и замедляют работу всего организма.При нарушениях углеводного обмена возникает тяжелое заболевание сахарный диабет, при неправильном жировом обмене накапливается холестерин, вызывающий болезни сердца и сосудов. Свободные радикалы, которых становится в избытке, способствуют возникновению злокачественных образований.

Частым проявлением проблем с обменом веществ также является ожирение. К этой же группе также можно отнести подагру, нарушения пищеварения, некоторые формы сахарного диабета и т.п. Нарушение баланса минеральных веществ и витаминов ведет к поражению мышц, костей, тяжелым нарушениям сердечно-сосудистой системы. У детей это может

3.9

53 оценки

53 оценки

Оцени!

znanija.com

2.5 Обмен веществ и превращения энергии - свойства живых организмов

Видеоурок: Обмен веществ и превращения энергии. Стадии энергетического обмена

Лекция: Обмен веществ и превращения энергии - свойства живых организмов

Обмен веществ

Обмен веществ (метаболизм) – это химические процессы, являющиеся жизнью.

Базовой основой процесса жизни является синтез собственных веществ из продуктов расщепления полученных. Рассматриваются две разновидности метаболитических процессов:

  • пластический обмен – анаболизм или синтез, при котором происходит накопление потенциальной энергии в виде химических связей.

  • энергетический обмен – катаболизм, представляющий собой разложение веществ, с выделением энергии при разрыве связей.

Обе группы взаимосвязаны. Для синтеза нужна энергия, ее организм получает посредством катализа (расщепления).

Получение энергии посредством катализа

Жизнь возможна за счет использования химической и световой энергии. Автотрофные растения синтезируют глюкозу с помощью солнечного света из воды и углекислого газа. Многие бактерии живут за счет хемосинтеза – процесса окисления неорганических веществ, используя серные, азотные, углеродные соединения. Грибы и животные получают энергию и материю для синтеза, потребляя созданные растениями сахара и другие органические соединения. Некоторые организмы могут иметь смешанные виды питания и являться миксотрофами – эвглена, росянка.

Очень важна роль ферментов – они ускоряют химические реакции до необходимых для поддержания жизнедеятельности скоростей, в сотни тысяч раз. Без них жизнь невозможна, из-за низких скоростей химических реакций. Ферменты имеют белковую структуру, каждый является катализатором одного вида реакций. Свойства ферментов определяются их структурой – в молекуле белка-фермента имеется активный центр, взаимодействующий с целевыми химическими веществами.

Уровень активности ферментов определяется различными параметрами:

  • Температурой. С ее ростом активность повышается.

  • Кислотностью среды. Для работы большей части ферментов необходима нейтральная среда, кислая - предпочтительна для пищеварения млекопитающих, щелочная -- для ферментов секрета поджелудочной железы.

  • Количеством субстрата.

Названия белков-ферментов оканчиваются на -аза.

Особенностью энергетического обмена, характерной для аэробных организмов является его поэтапное прохождение. Выделяется три этапа:

  • Подготовительный. Это пищеварение, происходящее в пищеварительных вакуолях лизосом простейших, в ЖКТ у многоклеточных. Функционально – это процесс разложения макромолекул на мономеры.

  • Гликолиз. Происходит в цитоплазме. Это бескислородное превращение глюкозы с ее окислением. Происходит несколько каскадных химических реакций. В их результате из глюкозы получается 2 молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) и 2 молекулы АТФ. Частично выделяющаяся в ходе реакций энергия запасается обратно в АТФ, часть ее – в виде тепла рассеивается в пространство.

  • Кислородный этап. Это - каскадный двуступенчатый процесс: цикл Кребса с последующим окислительным фосфорилированием (дыханием). Пируват на этом этапе превращается в углекислый газ и воду с образованием 34 молекул АТФ, а затем образованием еще 2 при дыхании. С химической точки зрения энергетический обмен выглядит как: С6Н12O6 + 6O2 = 6СO2 + 6Н2O + 38АТФ.

Другие виды получения энергии

Брожение. Один из основных способов получения энергии простейшими и некоторыми клетками высших животных. При этом, полученный из глюкозы пируват растительными клетками включается в спиртовое брожение, распадаясь на углекислый газ и спирт. У животных пируват вступает в молочнокислое брожение – он превращается в молочную кислоту. В условиях недостатка кислорода мышечные клетки прибегают к менее эффективному, но более быстрому способу синтеза АТФ. Излишки молочной кислоты, не успевающие включиться в метаболизм из-за недостатка кислорода вызывают боль в мышцах. Существуют еще такие виды брожения, как метановое (способ очистки сточных вод), маслянокислое, уксуснокислое.

Фотосинтез. Был доказан в 1630 г голландцем ван Гельмонтом, который обнаружил самостоятельное создание растениями питательных веществ. Изменение состава воздуха растениями доказано в 1771 г Д.Пристли. Сейчас наука рассматривает фотосинтез, как процессы синтеза клетками зеленых растений глюкозы из воды и углекислого газа под воздействием солнечного света.

Хлорофилл представляет собой сложную молекулу, состоящую из, примерно, десятка ароматических пятичленных колец, с магниевыми комплексами.

Достаточно изученная световая фаза фотосинтеза разделяется на несколько этапов:

  • полученный извне фотон становится причиной возбуждения молекулы хлорофилла, ее электроны сдвигаются на более высокий уровень;электроны подхватываются ионизированным никотинамиддифосфатом, что приводит к его востановлению;

  • происходит фотолиз воды - с разложением на ионизированный водород, 4 электрона, молекулу кислорода.

Эта первичная фаза происходит на складчатых образованиях внутреннего мембранного слоя - тилакоидах хлоропластов.Стопки мембран внутри пластиды называются граны.

Во время темновой фотосинтетической фазы между гранами внутри хлоропласта (в строме) производится синтез молекул углеводов, с использованием энергии АТФ никотиамиддифосфата, а также углекислого газа.

Хемосинтез. В условиях отсутствия питательных веществ и солнечного света обитают многие виды хемосинтезирующих бактерий:

  • железобактерии – получают энергию, увеличивая степень окисления железа - от двух до трехвалентного.

  • водородные – превращают в воду молекулярный водород.

  • тионовые – живут за счет окисления тиосульфатов и других соединений серы, а также ее молекулярной формы до серной кислоты. Многие из них могут обитать в экстремально кислых средах, индифферентны к высоким концентрациям тяжелых металлов, выщелачивая их из руд.

  • серобактерии – превращают сероводород в чистую серу и соли серной кислоты;нитрифицирующие – превращают аммиак в азотную и азотистую кислоты.

Хемосинтетики являются важным звеном круговорота веществ.

Предыдущий урокСледующий урок

cknow.ru

Реферат: Обмен веществ и энергии в живых организмах

Пермская Государственная Медицинская Академия

Кафедра биологической химии

Обмен веществ и энергии

в живых организмах .

Выполнила: студентка I курса

стомат. факультета

102 группы

Бояршинова Анна Андреевна

Проверил преподаватель:

Поносов Виктор Леонидович

Пермь, 2001г.

Обмен веществ.

В живых организмах любой процесс сопровождается передачей энергии. Энергию определяют как способность совершать работу. Специальный раздел физики, который изучает свойства и превращения энергии в различных системах, называется термодинамикой. Под термодинамической системой понимают совокупность объектов, условно выделенных из окружающего пространства.

Обмен веществ и энергии - это совокупность физических, химических и физиологических процессов превращения веществ и энергии в живых организмах, а также обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Обмен веществ у живых организмов заключается в поступлении из внешней среды различных веществ, в превращении и использовании их в процессах жизнедеятельности и в выделении образующихся продуктов распада в окружающую среду.

Все происходящие в организме преобразования вещества и энергии объединены общим названием - метаболизм (обмен веществ). На клеточном уровне эти преобразования осуществляются через сложные последовательности реакций, называемые путями метаболизма, и могут включать тысячи разнообразных реакций. Эти реакции протекают не хаотически, а в строго определенной последовательности и регулируются множеством генетических и химических механизмов. Метаболизм можно разделить на два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса: анаболизм (ассимиляция) и катаболизм (диссимиляция).

Анаболизм - это совокупность процессов биосинтеза органических веществ (компонентов клетки и других структур органов и тканей). Он обеспечивает рост, развитие, обновление биологических структур, а также накопление энергии (синтез макроэргов). Анаболизм заключается в химической модификации и перестройке поступающих с пищей молекул в другие более сложные биологические молекулы. Например, включение аминокислот в синтезируемые клеткой белки в соответствии с инструкцией, содержащейся в генетическом материале данной клетки.

Катаболизм - это совокупность процессов расщепления сложных молекул до более простых веществ с использованием части из них в качестве субстратов для биосинтеза и расщеплением другой части до конечных продуктов метаболизма с образованием энергии. К конечным продуктам метаболизма относятся вода (у человека примерно 350 мл в день), двуокись углерода (около 230 мл/мин), окись углерода (0,007 мл/мин), мочевина (около 30 г/день), а также другие вещества, содержащие азот (примерно б г/день).

Катаболизм обеспечивает извлечение химической энергии из содержащихся в пище молекул и использование этой энергии на обеспечение необходимых функций. Например, образование свободных аминокислот в результате расщепления поступающих с пищей белков и последующее окисление этих аминокислот в клетке с образованием СО2, и Н2О, что сопровождается высвобождением энергии.

Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия. Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание катаболических процессов ведет к частичному разрушению тканевых структур. Состояние равновесного или неравновесного соотношения анаболизма и катаболизма зависит от возраста (в детском возрасте преобладает анаболизм, у взрослых обычно наблюдается равновесие, в старческом возрасте преобладает катаболизм), состояния здоровья, выполняемой организмом физической или психоэмоциональной нагрузки.

Цикл Кребса.

Цикл трикарбоновых кислот впервые был открыт английским биохимиком Кребсом. Он первым постулировал значение данного цикла, который источником которого является гликолитическое превращение углеводов. В дальнейшем было показоно, что цикл Кребса является тем центром, где сходятся практически все метаболические пути. Таким образом, цикл Кребса – общий конечный путь окисления ацетильных групп, в которые превращается в процессе катаболизма большая часть органических молекул, играющих роль «клеточного топлива»- углеводов, жирных кислот и аминокислот.

Образовавшийся в результате гликолиза в цикле Эмбдена-Меергофа ацетил-КоА (продукт окислительного декарбоксилирования пирувата) окисляется до воды и углекислого газа в цикле Кребса (лимоннокислый цикл). Этот процесс осуществляется последовательными ферментативными реакциями, в результате которых высвобождается энергия (схема 6). Полный распад одной молекулы глюкозы дает 38 молекул АТФ, причем 24 из них образуются в цикле Кребса. Ферменты этого цикла локализуются в матриксе митохондрий (в стенке внутренней мембраны). Поступивший в цикл Кребса ацетил-КоА является конечным продуктом катаболизма не только углеводов, но также липидов и таких аминокислот, как фенилаланин, тирозин, лейцин и изолейцин.

Схема 6. Цикл Кребса (лимоннокислый цикл).

Кроме того, существует прямой путь окисления глюкозы – гексозомонофосфатный (пентозный) цикл, который преобладает в эритроцитах половых железах, коре надпочечников, печени. Хотя окисление в гексозомонофосфатном цикле составляет всего 2% от обмена углеводов (при сахарном диабете может увеличиваться до 6%), для организма значение этого цикла очень велико. Особенность этого процесса – образование пентоз, накопление NADPH (2)-кофермента дегидрогеназ, участвующих в синтезе нуклеиновых кислот, холестерина, жирных кислот, активировании фолиевой кислоты и образовании АТФ. Гексозомонофосфатный цикл обеспечивает также процессы гидроксилирования, необходимые для синтеза биогенных аминов (катехоламины, серотонин) и стероидных гормонов коры надпочечников. Последовательная цепь реакций пентозного цикла (схема 7) приводит к образованию рибулозо-5-фосфата, который идет на построение нуклеотидов или серией обратных реакций преобразуется в гексозофосфаты с использованием их в гликолитическом цикле.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

Катаболизм органических веществ в тканях сопровождается потреблением кислорода и выделением СО2 . Этот процесс называют тканевым дыханием. Кислород в этом процессе используется как акцептор водорода от окисляемых (дегидрируемых) веществ (субстратов), в результате чего синтезируется вода. Процесс окисления можно представить следующим уравнением: Sh3 + 1/2 O2 - S + h3 O. Окисляемые различные органические вещества (S - субстраты), представляют собой метаболиты катаболизма, их дегидрирование является экзоэргическим процессом . Энергия, освобождающаяся в ходе реакций окисления, либо полностью рассеивается в виде тепла, либо частично тратится на фосфорилирование ADP с образованием АТР. Организм превращает около 40% энергии, выделяющейся при окислении, в энергию макроэргических связей АТР. Большинство организмов в биосфере использует этот способ или очень сходный с ним (в качестве терминального акцептора водорода может быть не кислород, а другое соединение) как основной источник энергии, необходимый для синтеза внутриклеточной АТР. Таким путем клетка превращает химическую энергию питательных веществ, поступивших извне, в утилизируемую метаболическую энергию. Реакция дегидрирования и способ превращения выделившейся энергии путем синтеза АТР - это энергетически сопряженные реакции . Целиком весь сопряженный процесс называется окислительным фосфорилированием ADP :

Окислительное фосфорилирование ADP

Цепь транспорта электронов - ЦТЭ

Указанное выше уравнение для окислительно-восстановительной реакции представляет собой обобщенную форму, так как изображает процесс окисления субстратов как прямое дегидрирование, причем кислород выступает в роли непосредственного акцептора водорода. На самом деле кислород участвует в транспорте электронов иным образом. Существуют промежуточные переносчики при транспорте электронов от исходного донора электронов Sh3 к терминальному акцептору - О2 . Полный процесс представляет собой цепь последовательных окислительно-восстановительных реакций , в ходе которых происходит взаимодействие между переносчиками. Каждый промежуточный переносчик вначале выступает в роли акцептора электронов и протонов и из окисленного состояния переходит в восстановленную форму. Затем он передает электрон следующему переносчику и снова возвращается в окисленное состояние. На последней стадии переносчик передает электроны кислороду, который затем восстанавливается до воды. Совокупность последовательных окислительно-восстановительных реакций называется цепью переноса (транспорта) электронов, или дыхательной цепью :

Перенос электронов и протонов с участием промежуточных переносчиков. Sh3 - исходный донор протонов и электронов; P - промежуточные переносчики; E1, E2, E3, E4 - ферменты окислительно-восстановительных реакций

Промежуточными переносчиками в дыхательной цепи у высших организмов являются коферменты: NAD+ (никотинамид-адениндинуклеотид), FAD и FMN (флавинадениндинуклеотид и флавинмононуклеотид), кофермент Q (CoQ), семейство гемсодержащих белков - цитохромов (обозначаемых как цитохромы b, С1 , С, А, А3 ) и белки, содержащие негеминовое железо. Все участники этой цепи разделены на четыре окислительно-восстановительные системы, связанные убихиноном (CoQ) и цитохромом С. Процесс начинается с переноса протонов и электронов от окисляемого субстрата на коферменты NAD+ или FAD. Это определяется тем, является ли дегидрогеназа, катализирующая первую стадию, NAD - зависимой или FAD - зависимой. Если процесс начинается с NAD+ , то следующим переносчиком будет FMN.

Последовательность промежуточных переносчиков протонов и электронов в дыхательной цепи

Тип участвующей дегидрогеназы зависит от природы субстрата. Но каким бы ни был исходный субстрат, электроны и протоны от флавинов переносятся к коферменту Q, а дальше пути электронов и протонов расходятся. Электроны с помощью системы цитохромов достигают кислорода, который затем, присоединяя протоны, превращается в воду. Чтобы разобраться в системе транспорта электронов, необходимо познакомиться с отдельными ее участниками. NAD - зависимая дегидрогеназа катализирует реакции окисления непосредственно субстрата (первичная дегидрогеназа). NAD+ является коферментом и выполняет роль акцептора водорода:

Коферменты дегидрогеназ

Символ 2Н+ означает два электрона и два протона, обычно переносимые в виде гидрид иона. В этом случае вместо терминов «донор электронов» и «акцептор электронов» иногда используют термины «донор или акцептор водорода». FAD - зависимая дегидрогеназа также выполняет функцию первичной дегидрогеназы. Коферментом является FAD, который является акцептором водорода от субстрата. NADH - дегидрогеназа катализирует окисление NADH и восстановление убихинона (CoQ). Переносчиком водорода является кофермент - FMN (комплекс 1). В процессе реакции водород сначала присоединяется к FMN, соединенному с ферментом, а затем передается на убихинон. Флавиновые коферменты (FAD и FMN) прочно связаны с ферментом как простетические группы, поэтому ферменты, в состав которых они входят, называются флавопротеины . Флавинмононуклеотид (FMN), или рибофлавин фосфат, неразрывно связан с белковой частью фермента. Строго говоря, FMN не является нуклеотидом, так как флавиновая часть связана с рибитолом, а не с рибозой.

Убихинон (кофермент Q) - производное изопрена:

Название «убихинон» возникло из-за его повсеместной распространенности в природе. Кофермент Q действует как переносчик электронов на цитохромы.

Цитохромы - это гемопротеины - белки, содержащие в качестве прочно связанной простетической группы гем:

Простетическая группа гема в структуре цитохромов

Атом железа в геме может менять валентность, присоединяя или отдавая электроны:

В дыхательной цепи цитохромы служат переносчиками электронов и располагаются соответственно величине окислительно-восстановительного потенциала следующим образом: B, С1 , С, а, а3 . Гемовые группы цитохромов связаны с белковой частью донорно-акцепторными связями между ионом железа и соответствующими аминокислотными остатками:

Связывание гема с белковой частью цитохрома С

В цитохромах С и С1 дополнительные ковалентные связи формируются между тиогруппами цистеина и боковыми винильными группами гема. QН2 -дегидрогеназа (комплекс III) представляет собой комплекс цитохромов b и С1 . Этот фермент катализирует окисление восстановленного кофермента Q и перенос электронов на цитохром С. Электроны последовательно переносятся атомами железа цитохромов b и С1 , а затем поступают на цитохром С. Протоны после окисления Qh3 освобождаются в раствор.

Цитохромоксидаза включает комплекс цитохромов а и а3 (комплекс IV). Цитохромоксидаза кроме гема содержит ионы меди, которые способны менять валентность и таким способом участвовать в переносе электронов:

Цитохромоксидаза переносит электроны с цитохрома С на кислород. В переносе электронов участвуют сначала ионы железа цитохромов а и а3 , а затем ион меди цитохрома а3 . Молекула кислорода связывается с железом в геме цитохрома а3 . Следовательно, переход электронов на кислород с иона меди цитохрома а3 , происходит на молекуле фермента. Каждый из атомов молекулы кислорода присоединяет по два электрона и протона, образуя при этом молекулу воды.

Белки, содержащие негеминовое железо . Некоторое количество атомов железа в митохондриях связано не в геме цитохромов, а образует комплексы с другими белками. Эти белки называют также железосерными, так как атомы железа связаны с атомами серы цистеиновых остатков. Белки, содержащие негеминовое железо, участвуют в переносе электронов на нескольких стадиях, однако, не совсем ясны их локализация и механизм действия.

Окислительное фосфорилирование

Энергия, образующаяся при прохождении потока электронов по дыхательной цепи, используется для сопряженного фосфорилирования ADP. Эти два процесса взаимозависимы: окисление не может протекать в отсутствии ADP. Соотношение окисления и фосфорилирования определяется коэффициентом P/O (количество моль фосфорилированного ADP на 1/2 моль кислорода) коэффициент Р/О называется коэффициентом окислительного фосфорилирования и зависит от точки вхождения восстановительных эквивалентов в цепь транспорта электронов. Например Р/О=3, для субстратов, окисляемых NAD - зависимой дегидрогеназой , так как в дыхательной цепи есть три участка, где перенос электронов сопряжен с синтезом АТР. Не все субстраты передают электроны и протоны на NAD, некоторые окисляются FAD - зависимыми дегидрогеназами, которые переносят протоны и электроны сразу на убихинон, минуя первый комплекс. В этом случае Р/О=2. В действительности коэффициент фосфорилирования всегда меньше теоретической величины, потому что часть энергии, высвобождающейся при транспорте электронов, расходуется не на синтез АТР, а для переноса веществ через митохондриальную мембрану.

В сутки человек потребляет в среднем 27 моль кислорода. Основное его количество (примерно 25 моль) используется в митохондриях в дыхательной цепи. Следовательно, ежесуточно синтезируется 125 моль ATP или 62 кг (при расчете использовали коэффициент Р/О=2,5, то есть среднее значение коэффициента фосфорилирования). Масса всей АТР, содержащейся в организме, составляет примерно 20-30 г. Следовательно, можно сделать вывод, что каждая молекула АТР за сутки 2500 раз проходит процесс гидролиза и синтеза, что и характеризует интенсивность обмена АТР.

Сопряжение работы дыхательной цепи с процессом синтеза АТР

Существование такого сопряжения доказывается тем, что можно ингибировать образование АТР, не нарушая процесса транспорта электронов. Это достигается добавлением химических веществ, названных разобщителями. После удаления разобщителей синтез АТР восстанавливается. Изучение механизма сопряжении дает ответ на основные вопросы:

  1. каким образом транспорт электронов служит источником энергии?
  2. как эта энергия передается в реакцию ADP + Pi a АТР?

Существует несколько гипотез, объясняющих механизм сопряжения. Одной из них является хемоосмотическая теория. Цепь транспорта электронов функционирует как протонная (Н+ )помпа , осуществляя перенос протонов из матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. Эндоэргический процесс выброса протонов из матрикса возможен за счет экзоэргических окислительно-восстановительных реакций дыхательной цепи. Перенос протонов приводит к возникновению разности концентрации Н+ с двух сторон митохондриальной мембраны: более высокая концентрация будет снаружи и более низкая - внутри. Митохондрия в результате переходит в «энергизованное» состояние, так как возникает градиент концентрации Н+ и одновременно разность электрических потенциалов со знаком плюс на наружной поверхности.

Электрохимический потенциал способен совершать «полезную» работу, он заставляет протоны двигаться в обратном направлении, но мембрана непроницаема для них кроме отдельных участков, называемых протонными каналами. Обратный перенос протонов в матрикс является экзоэргическим процессом , высвобождающаяся при этом энергия используется на фосфорилирование ADP. Эту реакцию катализирует фермент Н+ -АТР-синтетаза , располагающаяся в области протонных каналов на внутренней поверхности внутренней мембраны.

С опряжение цепи транспорта электронов и фосфорилирования ADP посредством протонного градиента

С труктура компонентов комплекса I, обеспечивающего функционирование «протонной помпы» при окислении NADH

Разобщение дыхания и фосфорилирования

Убедительные экспериментальные доказательства в пользу описанного механизма сопряжения дыхания и фосфорилирования были получены с помощью ионофоров . Молекулы этих веществ, как правило, липофильны и способны переносить ионы через мембрану. Например, 2,4-динитрофенол (протонофор ) легко диффундирует через мембрану, в ионизированной и неионизированной форме, перенося протоны в сторону их меньшей концентрации в обход протонных каналов. Таким образом, 2,4-динитрофенол уничтожает электрохимический потенциал, и синтез АТР становится невозможным, хотя окисление субстратов при этом происходит. Энергия дыхательной цепи в этом случае полностью рассеивается в виде теплоты. Этим объясняется пирогенное действие разобщителей. Разобщающим действием обладают гормон щитовидной железы - тироксин, а также некоторые антибиотики, такие как валиномицин и грамицидин.

Дыхательный контроль

Скорость дыхания митохондрий может контролироваться концентрацией ADP. Это объясняется тем, что окисление и фосфорилирование жестко сопряжены. Энергия, необходимая клетке для совершения работы, поставляется за счет гидролиза АТР. Концентрация ADP при этом увеличивается; в результате создаются условия для ускорения дыхания, что и ведет к восполнению запасов АТР.

Ингибиторы цепи транспорта электронов и окислительного фосфорилирования

Ингибиторы, блокирующие дыхательную цепь, действуют в определенных местах, препятствуя работе дыхательных ферментов (KCN, барбитураты, ротенон). Существуют также вещества, ингибирующие окислительное фосфорилирование.

www.bestreferat.ru


Смотрите также