Alle lebenden Organismen auf der Erde sind offene Systeme, die in der Lage sind, die Energie- und Stoffzufuhr von außen aktiv zu organisieren. Energie wird für die Durchführung lebenswichtiger Prozesse benötigt, vor allem aber für die chemische Synthese von Stoffen, die dem Aufbau und der Wiederherstellung der Zell- und Körperstrukturen dienen. Lebewesen können nur zwei Arten von Energie nutzen: Licht(Sonnenstrahlungsenergie) und chemisch(Energie der Bindungen chemischer Verbindungen) – Auf dieser Grundlage werden Organismen in zwei Gruppen eingeteilt – Phototrophe und Chemotrophe.

Die Hauptquelle für Strukturmoleküle ist Kohlenstoff. Abhängig von ihren Kohlenstoffquellen werden lebende Organismen in zwei Gruppen eingeteilt: Autotrophe, die eine anorganische Kohlenstoffquelle (Kohlendioxid) nutzen, und Heterotrophe, die organische Kohlenstoffquellen nutzen.

Der Prozess des Verbrauchs von Energie und Materie wird genannt Essen. Es sind zwei Ernährungsmethoden bekannt: holozoisch – durch die Aufnahme von Nahrungspartikeln im Körper und holophytisch – ohne Aufnahme, durch die Aufnahme gelöster Nährstoffe durch die Oberflächenstrukturen des Körpers. Nährstoffe, die in den Körper gelangen, sind an Stoffwechselprozessen beteiligt.

Der Stoffwechsel besteht aus einer Reihe miteinander verbundener und ausgewogener Prozesse, die eine Vielzahl chemischer Umwandlungen im Körper umfassen. Unter Energieaufwand durchgeführte Synthesereaktionen bilden die Grundlage des Anabolismus (plastischer Stoffwechsel oder Assimilation).

Die Grundlage bilden Spaltungsreaktionen, die mit der Freisetzung von Energie einhergehen Katabolismus(Energieaustausch oder Dissimilation).

1. Die Bedeutung von ATP im Stoffwechsel

Die beim Abbau organischer Stoffe freigesetzte Energie wird von der Zelle nicht sofort genutzt, sondern in Form energiereicher Verbindungen, meist in Form von Adenosintriphosphat (ATP), gespeichert. Aufgrund seiner chemischen Natur ist ATP ein Mononukleotid und besteht aus der stickstoffhaltigen Base Adenin, dem Kohlenhydrat Ribose und drei Phosphorsäureresten.

Die bei der ATP-Hydrolyse freigesetzte Energie wird von der Zelle für die Ausführung aller Arten von Arbeit genutzt. Für die biologische Synthese werden erhebliche Energiemengen aufgewendet. ATP ist eine universelle Zellenergiequelle. Der ATP-Vorrat in der Zelle ist begrenzt und wird durch den Prozess der Phosphorylierung, der bei Atmung, Fermentation und Photosynthese in unterschiedlichem Tempo abläuft, wieder aufgefüllt. ATP erneuert sich extrem schnell (beim Menschen beträgt die Lebensdauer eines ATP-Moleküls weniger als 1 Minute).

2. Energiestoffwechsel in der Zelle. ATP-Synthese

Die ATP-Synthese findet in den Zellen aller Organismen während des Phosphorylierungsprozesses statt, d. h. Zugabe von anorganischem Phosphat zu ADP. Die Energie zur Phosphorylierung von ADP wird beim Energiestoffwechsel erzeugt. Der Energiestoffwechsel oder die Dissimilation ist eine Reihe von Reaktionen des Abbaus organischer Substanzen, begleitet von der Freisetzung von Energie. Je nach Lebensraum kann die Dissimilation in zwei oder drei Stufen erfolgen.

In den meisten lebenden Organismen – Aerobiern, die in einer Sauerstoffumgebung leben – werden bei der Dissimilation drei Phasen durchgeführt: vorbereitend, sauerstofffrei, Sauerstoff. Bei Anaerobiern, die in einer sauerstoffarmen Umgebung leben, oder bei Aerobiern mit Sauerstoffmangel erfolgt die Dissimilation nur in den ersten beiden Stufen unter Bildung intermediärer organischer Verbindungen, die noch energiereich sind.

Die erste Stufe – vorbereitend – besteht im enzymatischen Abbau komplexer organischer Verbindungen in einfachere (Proteine ​​in Aminosäuren; Polysaccharide in Monosaccharide; Nukleinsäuren in Nukleotide). Der intrazelluläre Abbau organischer Substanzen erfolgt unter Einwirkung hydrolytischer Enzyme von Lysosomen. Die dabei freigesetzte Energie wird in Form von Wärme abgegeben und die entstehenden kleinen organischen Moleküle können weiter zersetzt werden und von der Zelle als „Baustoff“ für die Synthese eigener organischer Verbindungen genutzt werden.

Die zweite Stufe – unvollständige Oxidation – findet direkt im Zytoplasma der Zelle statt, erfordert keine Anwesenheit von Sauerstoff und besteht im weiteren Abbau organischer Substrate. Die Hauptenergiequelle in der Zelle ist Glucose. Der sauerstofffreie, unvollständige Abbau von Glukose wird Glykolyse genannt.

Die dritte Stufe – die vollständige Oxidation – erfolgt unter obligatorischer Beteiligung von Sauerstoff. Dadurch wird das Glucosemolekül in anorganisches Kohlendioxid zerlegt und die dabei freigesetzte Energie teilweise für die ATP-Synthese aufgewendet.

3. Plastikaustausch

Der plastische Stoffwechsel oder die Assimilation ist eine Reihe von Reaktionen, die die Synthese komplexer organischer Verbindungen in der Zelle sicherstellen. Heterotrophe Organismen bauen ihre eigene organische Substanz aus organischen Nahrungsbestandteilen auf. Die heterotrophe Assimilation beschränkt sich im Wesentlichen auf die Umlagerung von Molekülen.

Organische Substanzen der Nahrung (Proteine, Fette, Kohlenhydrate) -> Verdauung -> Einfache organische Moleküle (Aminosäuren, Fettsäuren, Monosaccharide) -> biologische Synthesen -> Makromoleküle des Körpers (Proteine, Fette, Kohlenhydrate)

Autotrophe Organismen sind in der Lage, organische Substanzen völlig unabhängig aus anorganischen Molekülen zu synthetisieren, die aus der äußeren Umgebung aufgenommen werden. Im Prozess der autotrophen Assimilation gehen den biologischen Synthesen von Makromolekülen die Reaktionen der Photo- und Chemosynthese voraus, die für die Bildung einfacher organischer Verbindungen sorgen:

Anorganische Substanzen (Kohlendioxid, Wasser) -> Photosynthese, Chemosynthese -> Einfache organische Moleküle (Aminosäuren, Fettsäuren, Monosaccharide) -----biologische Synthesen -> Körpermakromoleküle (Proteine, Fette, Kohlenhydrate)

4. Photosynthese

Photosynthese ist die Synthese organischer Verbindungen aus anorganischen unter Nutzung der Energie der Zelle. Die führende Rolle bei den Prozessen der Photosynthese spielen photosynthetische Pigmente, die die einzigartige Eigenschaft haben, Licht einzufangen und seine Energie in chemische Energie umzuwandeln. Photosynthetische Pigmente sind eine ziemlich große Gruppe proteinähnlicher Substanzen. Der wichtigste und wichtigste Energieträger ist das Pigment. Chlorophyll a, kommt in allen phototrophen Bakterien vor, außer in photosynthetischen Bakterien. Photosynthetische Pigmente sind bei Eukaryoten in die innere Membran von Plastiden oder bei Prokaryoten in Einstülpungen der Zytoplasmamembran eingebettet.

Bei der Photosynthese werden neben Monosacchariden (Glukose etc.), die in Stärke umgewandelt und von der Pflanze gespeichert werden, auch Monomere anderer organischer Verbindungen synthetisiert – Aminosäuren, Glycerin und Fettsäuren. So versorgen Pflanzenzellen, genauer gesagt chlorophyllhaltige Zellen, dank der Photosynthese sich selbst und alle Lebewesen auf der Erde mit den notwendigen organischen Stoffen und Sauerstoff.

5. Chemosynthese

Chemosynthese ist ebenfalls der Prozess der Synthese organischer Verbindungen aus anorganischen, erfolgt jedoch nicht auf Kosten der Lichtenergie, sondern auf Kosten der chemischen Energie, die durch Oxidation anorganischer Substanzen (Schwefel, Schwefelwasserstoff, Eisen, Ammoniak, Nitrit usw.). Die wichtigsten sind nitrifizierende, eisen- und schwefelhaltige Bakterien.

Die bei Oxidationsreaktionen freigesetzte Energie wird von Bakterien in Form von ATP gespeichert und für die Synthese organischer Verbindungen genutzt. Chemosynthetische Bakterien spielen in der Biosphäre eine sehr wichtige Rolle. Sie sind an der Abwasserreinigung beteiligt, tragen zur Anreicherung von Mineralien im Boden bei und erhöhen die Bodenfruchtbarkeit.

DNA - Biopolymer, Mikromolekül, Polynukleotid, -Manomer-Nukleotid Stickstoffbasen - Desoxyribose - Phosphorsäurerest Stickstoffbasen: Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin - doppelsträngige Struktur von RNA - Biopolymer, Makromolekül, Polynukleotid, - Manomer - Nukleotid Stickstoffbasen - Ribose - Phosphorsäurerest Stickstoffbasen: Adenin, Uracil, Guanin, Cytosin. Das RNA-Molekül ist einzelsträngig. Funktionen: DNA – Speicherung genetischer Informationen. RNA – Übertragung genetischer Informationen

Messenger-RNA, die Informationen über die Primärstruktur von Proteinmolekülen trägt, wird im Zellkern synthetisiert. Nachdem sie die Poren der Kernmembran passiert hat, wird die mRNA zu den Ribosomen geschickt, wo die genetische Information entschlüsselt wird – übersetzt aus der Sprache der Nukleotide in die Sprache der Aminosäuren.

Aminosäuren, aus denen Proteine ​​synthetisiert werden, werden mithilfe spezieller RNAs, sogenannter Transfer-RNAs (t-RNAs), an Ribosomen geliefert. In der t-RNA ist die Sequenz aus drei Nukleotiden komplementär zu den Nukleotiden des Codons in der i-RNA. Diese Nukleotidsequenz in der tRNA-Struktur wird Anticodon genannt. Jede t-RNA bindet mithilfe von Enzymen und ATP eine bestimmte Aminosäure an. Dies ist die erste Stufe der Synthese.

Damit eine Aminosäure in eine Proteinkette aufgenommen werden kann, muss sie sich von der tRNA lösen. In der zweiten Phase der Proteinsynthese fungiert tRNA als Übersetzer von der Sprache der Nukleotide in die Sprache der Aminosäuren. Diese Übersetzung findet am Ribosom statt. Darin gibt es zwei Abschnitte: Zum einen erhält die t-RNA einen Befehl von der mRNA – das Anticodon erkennt das Codon, zum anderen wird der Befehl ausgeführt – die Aminosäure wird von der t-RNA abgerissen.

Die dritte Stufe der Proteinsynthese besteht darin, dass das Enzym Synthetase die von der tRNA abgetrennte Aminosäure an das wachsende Proteinmolekül anhängt. Messenger-RNA gleitet kontinuierlich entlang des Ribosoms, jedes Triplett gelangt zunächst in den ersten Abschnitt, wo es vom tRNA-Anticodon erkannt wird, und gelangt dann in den zweiten Abschnitt. Dazu gehört auch die t-RNA mit einer daran angehängten Aminosäure; hier werden die Aminosäuren von der t-RNA getrennt und in der Reihenfolge, in der Tripletts aufeinander folgen, miteinander verbunden.

Wenn im ersten Abschnitt eines der drei Tripletts, die Interpunktionszeichen zwischen Genen sind, auf dem Ribosom erscheint, bedeutet dies, dass die Proteinsynthese abgeschlossen ist. Die fertige Proteinkette verlässt das Ribosom. Der Prozess der Proteinsynthese erfordert viel Energie. Die Verbindung jeder Aminosäure mit t-RNA erfordert die Energie eines ATP-Moleküls.

Um die Proteinproduktion zu steigern, passiert mRNA oft gleichzeitig nicht nur ein, sondern mehrere Ribosomen nacheinander. Eine solche durch ein mRNA-Molekül verbundene Struktur wird Polysom ​​genannt. Auf jedem Ribosom werden in einem Fließband ähnlich einer Perlenkette nacheinander mehrere Moleküle identischer Proteine ​​synthetisiert.

Die Proteinsynthese an Ribosomen wird als Translation bezeichnet. Die Synthese von Proteinmolekülen erfolgt kontinuierlich und mit hoher Geschwindigkeit: In einer Minute werden 50 bis 60.000 Peptidbindungen gebildet. Die Synthese eines Proteinmoleküls dauert nur 3-4 Sekunden. Jede Stufe der Biosynthese wird durch entsprechende Enzyme katalysiert und durch den Abbau von ATP mit Energie versorgt. Synthetisierte Proteine ​​gelangen in die Kanäle des endoplasmatischen Retikulums, durch die sie zu bestimmten Teilen der Zelle transportiert werden.

Pflanzenzelle als osmotisches System

Die Pflanzenzelle ist ein osmotisches System. Der Zellsaft der Vakuole ist eine hochkonzentrierte Lösung. Der osmotische Druck des Zellsaftes wird mit - bezeichnet.

Um in die Vakuole zu gelangen, muss Wasser die Zellwand, das Plasmalemma, das Zytoplasma und den Tonoplasten passieren. Die Zellwand ist für Wasser sehr durchlässig. Das Plasmalemma und der Tonoplast weisen eine selektive Permeabilität auf. Daher kann eine Pflanzenzelle als osmotisches System betrachtet werden, in dem die Plasmamembran und der Tonoplast eine semipermeable Membran sind und die Vakuole mit Zellsaft eine konzentrierte Lösung ist. Wenn also eine Zelle in Wasser gelegt wird, beginnt gemäß den Gesetzen der Osmose Wasser in die Zelle zu fließen.

Die Kraft, mit der Wasser in die Zelle eindringt, nennt man Saugkraft – S.

Es ist identisch mit dem Wasserpotential.

Wenn Wasser in die Vakuole eindringt, vergrößert sich deren Volumen, das Wasser verdünnt den Zellsaft und die Zellwände geraten unter Druck. Die Zellwand hat eine gewisse Elastizität und kann sich dehnen.

Wenn das Volumen der Vakuole zunimmt, wird das Zytoplasma gegen die Zellwand gedrückt und es entsteht ein Turgordruck auf die Zellwand (P). Gleichzeitig entsteht von der Zellwand aus ein gleich großer Gegendruck von der Zellwand auf den Protoplasten. Der Gegendruck der Zellwand wird als Druckpotential (-P) bezeichnet.

Somit wird die Größe der Saugkraft S durch den osmotischen Druck des Zellsafts und den hydrostatischen Turgordruck der Zelle P bestimmt, der gleich dem Gegendruck der Zellwand ist, der bei der Dehnung auftritt -P.

S = - P oder - - .

Befindet sich die Pflanze in einem Zustand ausreichender Boden- und Luftfeuchtigkeit, befinden sich die Zellen in einem Zustand vollständiger Turgor. Wenn eine Zelle vollständig mit Wasser gesättigt ist (turgeszierend), dann ist ihre Saugkraft Null S = 0 und der Turgordruck ist gleich dem potentiellen osmotischen Druck P =.

Bei Feuchtigkeitsmangel im Boden kommt es zunächst zu Wassermangel in der Zellwand. Das Wasserpotential der Zellwand wird niedriger als in der Vakuole und Wasser beginnt, von der Vakuole in die Zellwand zu wandern. Der Wasserausfluss aus der Vakuole verringert den Turgordruck in den Zellen und erhöht deren Saugkraft. Bei längerem Feuchtigkeitsmangel verlieren die meisten Zellen an Turgor und die Pflanze beginnt zu verdorren und verliert an Elastizität und Festigkeit. In diesem Fall ist der Turgordruck P = 0 und die Saugkraft S =

Sinkt der Turgordruck aufgrund eines sehr großen Wasserverlusts auf Null, verwelkt das Blatt vollständig. Ein weiterer Wasserverlust führt zum Absterben des Zellprotoplasten. Ein Anpassungsmerkmal an einen plötzlichen Wasserverlust ist das schnelle Schließen der Spaltöffnungen bei Feuchtigkeitsmangel.

Zellen können den Turgor schnell wiederherstellen, wenn die Pflanze ausreichend Wasser erhält oder nachts, wenn die Pflanze genügend Wasser aus dem Boden erhält. Und auch beim Gießen.

Wasserpotential; gleich 0 für reines Wasser; ist für Zellen gleich 0 oder negativ.

Das osmotische Potenzial ist immer negativ

Druckpotential; normalerweise positiv in lebenden Zellen (in Zellen, deren Inhalt unter Druck steht), aber negativ in Xylemzellen (in denen Wasserspannung erzeugt wird).

Gesamtergebnis der Aktion

Mit vollem Turgor

Während der anfänglichen Plasmolyse

Wenn Sie eine Zelle in eine hypertonische Lösung mit einem niedrigeren Wasserpotential legen, beginnt Wasser, die Zelle durch Osmose durch die Plasmamembran zu verlassen. Zuerst verlässt Wasser das Zytoplasma, dann durch den Tonoplasten aus der Vakuole. Der lebende Inhalt der Zelle, der Protoplast, schrumpft und fällt hinter die Zellwand. Es findet ein Prozess statt Plasmolyse. Der Raum zwischen Zellwand und Protoplast wird mit einer externen Lösung gefüllt. Eine solche Zelle wird plasmolysiert genannt. Wasser verlässt die Zelle, bis das Wasserpotential des Protoplasten dem Wasserpotential der umgebenden Lösung entspricht. Danach hört die Zelle auf zu schrumpfen. Dieser Vorgang ist reversibel und die Zelle wird nicht geschädigt.

Wenn die Zelle in sauberes Wasser oder eine hypotonische Lösung gelegt wird, wird der Turgorzustand der Zelle wiederhergestellt und der Prozess beginnt Deplasmolyse.

Bei Wassermangel in jungen Geweben führt ein starker Anstieg des Wasserverlusts dazu, dass der Turgordruck der Zelle negativ wird und sich der Protoplast unter Volumenkontraktion nicht von der Zellwand löst, sondern mitzieht . Zellen und Gewebe schrumpfen. Dieses Phänomen nennt man Cytorhiz.

Der Stoff- und Energiestoffwechsel (Metabolismus) findet auf allen Ebenen des Körpers statt: zellulär, geweblich und organisatorisch. Es gewährleistet die Konstanz der inneren Umgebung des Körpers – die Homöostase – unter sich ständig ändernden Existenzbedingungen. In der Zelle laufen zwei Prozesse gleichzeitig ab – der plastische Stoffwechsel (Anabolismus oder Assimilation) und der Energiestoffwechsel (Fatabolismus oder Dissimilation).

Unter plastischem Austausch versteht man die Gesamtheit aller Syntheseprozesse, bei denen aus einfachen Stoffen unter Energieaufwand komplexe Stoffe entstehen.

Der Energiestoffwechsel ist die Gesamtheit aller Spaltungsprozesse, bei denen komplexe Stoffe in einfache umgewandelt werden und Energie freigesetzt wird.

Die Homöostase wird durch das Gleichgewicht zwischen Kunststoff- und Energiestoffwechsel aufrechterhalten. Ist dieses Gleichgewicht gestört, entstehen Pathologien (Krankheiten) im Körper oder in Teilen davon.

Der Stoffwechsel findet bei normaler Temperatur, normalem Druck und einem bestimmten pH-Wert der Umgebung statt

11.Energiestoffwechsel in der Zelle.

Der Energiestoffwechsel ist eine Reihe chemischer Reaktionen des allmählichen Abbaus organischer Verbindungen, begleitet von der Freisetzung von Energie, von der ein Teil für die ATP-Synthese aufgewendet wird. Synthetisiertes ATP wird zu einer universellen Energiequelle für das Leben von Organismen.

Phasen des Energiestoffwechsels:

1. Vorbereitend – dabei werden komplexe Stoffe in einfache zerlegt, zum Beispiel Polysaccharide in Monosaccharide. Dieses Stadium findet im Zytoplasma statt und setzt Energie frei, es wird jedoch nur sehr wenig Energie als Wärme abgegeben.

2. Sauerstofffrei – in Lysosomen erfolgt in diesem Stadium der Abbau von Stoffen in einfachere Stoffe ohne Beteiligung von Sauerstoff unter Freisetzung von zwei ATP-Molekülen

3. Sauerstoff – setzt den Abbau von Stoffen unter Beteiligung von Sauerstoff zu den Endprodukten (Kohlendioxid und Wasser) unter Freisetzung von 36 ATP fort. Dieser Prozess findet in Mitochondrien statt.

Zellernährung. Chemosynthese

Die Zellernährung erfolgt als Ergebnis einer Reihe komplexer chemischer Reaktionen, bei denen Substanzen, die aus der äußeren Umgebung in die Zelle gelangen (Kohlendioxid, Mineralsalze, Wasser), in Form von Proteinen, Zuckern und Fetten in den Zellkörper selbst gelangen , Öle, Stickstoff und Phosphor. Verbindungen.

Alle lebenden Organismen können in 2 Gruppen eingeteilt werden:

1. Autotrophe Art der Ernährung – dazu gehören Organismen, die selbst organische Verbindungen aus anorganischen Verbindungen synthetisieren.

2 Arten von Autotrophen:

Photosynthetische Pflanzen sind Autotrophe, die die Energie des Sonnenlichts nutzen (Pflanzen, Cyanobakterien, Protozoen).

Chemosynthetische Organismen sind Organismen, die die Energie chemischer Bindungen nutzen. Zu dieser Art gehören fast alle Bakterien (Stickstofffixierer, Schwefelbakterien, Eisenbakterien)

Die Chemosynthese wurde von Winogradow entdeckt.

Die Chemosynthese ist eine Methode der autotrophen Ernährung, bei der die Energiequelle für die Synthese organischer Stoffe aus CO2 die Oxidationsreaktionen anorganischer Verbindungen sind. Diese Möglichkeit der Energiegewinnung nutzen nur Bakterien oder Archaeen.

2. Heterotrophe Art der Ernährung – charakteristisch für Organismen, die sich von vorgefertigten organischen Verbindungen ernähren.

Soprophyten sind Heterotrophe, die sich von toten Geweben oder Organismen (Krähen, Geier, Hyänen usw.) ernähren.

Pflanzenfresser – Heterotrophe, die Pflanzenorganismen fressen (Pflanzenfresser)

Fleischfresser (Raubtiere) sind Heterotrophe, die andere Organismen (Insektenfresser) fangen und fressen.

Allesfresser – essen pflanzliche und tierische Nahrung

3. Mixotrophe Ernährungsart – kombiniert autotrophe und heterotrophe Ernährungsarten (Sonnentau, Grüne Euglena)

Photosynthese

Die Photosynthese ist ein komplexer Prozess der Bildung anorganischer Substanzen unter Nutzung der Energie des Sonnenlichts. Das Hauptorgan der Photosynthese ist das Blatt, da es die meisten Chloroplasten enthält und aufgrund seiner Form am besten für die Aufnahme von Sonnenlicht geeignet ist.

Phasen der Photosynthese:

1. Leichte Phase – umfasst zwei Hauptprozesse: Photolyse von Wasser und nichtzyklische Phosphorylierung.

Thylakoide sind abgeflachte Membransäcke, auf denen sich Chlorophyllpigmente und ein spezieller Elektronenträger namens Cytochrom befinden.

Auf den Thylakoiden befinden sich zwei Fotosysteme:

Das Photosystem 1 enthält Chlorophyll a1, das ein Lichtquant mit einer Länge von 700 Nanometern wahrnimmt

Das Photosystem 2 enthält Chlorophyll a2, das ein Lichtquant mit einer Länge von 680 Nanometern wahrnimmt

Trifft ein Lichtquant auf das Photosystem 1, werden die Elektronen des Chlorophylls a1 angeregt und in einen Prozess wie die Fatolyse von Wasser überführt, d. h. Wasser wird in Wasserstoff und eine Hydroxogruppe gespalten. Zur Reduktion des Stoffes wird Wasserstoff eingesetzt. Die entstehende Hydroxogruppe reichert sich an und wird in Wasser und Sauerstoff umgewandelt, die die Zelle verlassen.

Trifft ein Lichtquant auf das Photosystem 2, werden unter Lichteinfluss die Elektronen des Chlorophylls angeregt und durch Energie wird ein Phosphorsäurerest an das ADP-Molekül angelagert, wodurch ein ATP-Molekül entsteht.

Die leichte Phase findet auf Thylakoden statt, wo die für die Bildung organischer Substanzen notwendige Energie erzeugt wird.

Dunkelphase – tritt im Stroma auf, unabhängig vom Sonnenlicht. Dabei wird im Rahmen komplexer Reaktionen Kohlendioxid unter Nutzung der erzeugten Energie in Glukose umgewandelt. Diese Reaktionen werden als Calvin-Zyklus bezeichnet.

Genetischer Code

Hierbei handelt es sich um eine für alle lebenden Organismen charakteristische Methode zur Kodierung der Aminosäuresequenz von Proteinen mithilfe einer Nukleotidsequenz

DNA kann 4 stickstoffhaltige Basen enthalten:

Adenin, Guanin, Thymin, Cytosin

DNA kann für 64 Aminosäuren kodieren

Eigenschaften:

1. Degeneration – erhöht die Zuverlässigkeit der Speicherung und Übertragung genetischer Informationen während der Zellteilung

2. Spezifität – 1 Triplett kodiert immer nur 1 Aminosäure

Genetische Co ist universell für alle lebenden Organismen, von Bakterien bis hin zu Menschen

15. Transkription und Ausstrahlung

Die Proteinsynthese umfasst 2 Phasen:

1. Transkription ist die Übertragung von Informationen von einem DNA-Molekül auf Boten-RNA

Dieser Prozess findet im Zellkern unter Beteiligung des Enzyms RNA-Polymerase statt. Dieses Enzym bestimmt den Beginn und das Ende der Synthese. Den Anfang macht eine spezifische Sequenz von Nukleotiden, die als Promotor bezeichnet wird. Das Ende ist auch eine Nukleotidsequenz, die als Terminator bezeichnet wird.

Die Transkription beginnt mit der Bestimmung des Abschnitts des DNA-Moleküls, aus dem Informationen kopiert werden

Dann entfaltet sich dieser Abschnitt nach dem Prinzip der Komplementarität zu einem DNA-Strang und es entsteht Boten-RNA. Nachdem die DNA-Synthese abgeschlossen ist, dreht sie sich erneut.

2. Unter Translation versteht man die Übersetzung der Messenger-RNA-Tukleotidsequenz in eine Aminosäuresequenz

Transfer-RNA transportiert Boten-RNA zum Ribosom. Hierbei wird Boten-RNA in die kleine Untereinheit des Ribosoms integriert, es passen aber nur 2 Tripletts hinein, sodass bei der Synthese die Boten-RNA in die große Untereinheit wandert, Transfer-RNA trägt Aminosäuren, wenn die Aminosäure geeignet ist, dann ist sie es von der Transfer-RNA abgetrennt und gemäß dem Peptidprinzip an andere Aminosäuren gebunden.

Transfer-RNA verlässt das Ribosom und neue Transfer-RNAs treten in die große Untereinheit ein

Stimmt die Aminosäure nach dem Prinzip der Komplementarität nicht mit der Information in der kleinen Untereinheit überein, dann verlässt diese Transport-RNA mit der Aminosäure das Ribosom

Der Beginn der Proteinsynthese wird durch Adenin, Uracil, Guanin angezeigt und endet mit Stop-Cadon

Wenn die Proteinsynthese endet, wird die Primärstruktur des Proteins vom Ribosom getrennt und das Protein nimmt die gewünschte Struktur an

Zelllebenszyklus

Der Zellzyklus ist der Zeitraum der Zellexistenz vom Moment ihrer Bildung durch Teilung der Mutterzelle bis zu ihrer eigenen Teilung oder ihrem Tod.

Die Interphase ist die Phase im Lebenszyklus zwischen zwei Zellteilungen. Es zeichnet sich durch aktive Stoffwechselprozesse, Protein- und RNA-Synthese, Anreicherung von Nährstoffen durch die Zelle, Wachstum und Volumenzunahme aus. In der Mitte der Interphase findet die DNA-Duplikation (Replikation) statt. Dadurch enthält jedes Chromosom zwei DNA-Moleküle und besteht aus zwei Schwesterchromatiden, die durch ein Zentromer verbunden sind und ein Chromosom bilden. Die Zelle bereitet sich auf die Teilung vor, alle ihre Organellen verdoppeln sich. Die Dauer der Interphase hängt vom Zelltyp ab und macht im Durchschnitt 4/5 der Gesamtzeit des Zelllebenszyklus aus. Zellteilung. Das Wachstum eines Organismus erfolgt durch die Teilung seiner Zellen. Die Teilungsfähigkeit ist die wichtigste Eigenschaft des Zelllebens. Wenn sich eine Zelle teilt, verdoppelt sie alle ihre Strukturbestandteile, wodurch zwei neue Zellen entstehen. Die häufigste Methode der Zellteilung ist die Mitose – die indirekte Zellteilung. Bei der Mitose entstehen zwei Tochterzellen, die mit der ursprünglichen Mutterzelle identisch sind. Es sorgt für die Zellerneuerung während des Alterungsprozesses. Die Mitose besteht aus vier aufeinanderfolgenden Phasen:

1. Prophase – Bildung von Chromosomen mit zwei Chromatiden, Zerstörung der Kernmembran.

2.Metophase – Bildung der Spindel, Verkürzung der Chromosomen, Bildung der Äquaterialzelle

3. Anaphase – Trennung der Chromatiden, ihre Divergenz zu den Polen entlang der Spindelfasern

4. Telophase – Verschwinden der Spindel, Bildung von Kernmembranen, Auflösung der Chromosomen.

Mitose. Amitose

Mitose ist der Prozess der indirekten Teilung somatischer Zellen von Eukaryoten, bei dem das Erbgut zunächst verdoppelt und dann gleichmäßig auf die Tochterzellen verteilt wird. Es ist die Hauptteilungsmethode eukaryotischer Zellen. Die Dauer der Mitose beträgt in tierischen Zellen 30–60 Minuten und in pflanzlichen Zellen 2–3 Stunden. Sie besteht aus 4 Hauptphasen:

1. Prophase – beginnt mit der Speralisierung von DNA-Ketten zu Chromosomen, die Nukleolen und die Kernmembran werden zerstört, die Chromosomen beginnen frei im Zytoplasma zu schweben. Am Ende der Prophase beginnt sich die Spindel zu bilden

2. Metaphase – Chromosomen richten sich streng am Äquator in Form einer Metaphaseplatte aus. Die bereits vollständig ausgebildeten Spindelfäden verlaufen durch die Zentromere der Chromosomen und teilen das Chromosom in zwei Chromatiden

3. Anaphase – Hier trennen sich die Spindelfilamente und strecken sich zu verschiedenen Polen des Chromatids. Die Spaltspindel beginnt zu kollabieren.

4. Telophase Hier, an den Polen der Zelle, werden die Chromatiden verteilt, mit einer Kernmembran bedeckt und die Teilung des Zytoplasmas und der Zelle selbst beginnt.

Durch die Mitose entstehen zwei identische diploide Zellen.

Karyokinese ist Kernteilung

Zytokenese ist die Teilung des Zytoplasmas und der Zelle selbst

Amitose ist die direkte Teilung des Zellkerns, die zur Bildung einer Zelle mit zwei Kernen führt. Dieser Typ ist charakteristisch für Muskelzellen und Bindegewebe

Dies ist für die vollständige Organisation der Zellarbeit notwendig.

Wenn sich eine solche Zelle plötzlich teilt, enthalten die neuen Zellen einen unvollständigen genetischen Satz, der zu ihrem Tod führt oder sie zu einem Krankheitserreger macht.

Meiose

Hierbei handelt es sich um eine indirekte Teilung von Keimzellen, die zur Bildung von 4 haploiden Tochterzellen mit unterschiedlichem genetischem Material führt. Dies ist die Hauptphase der Bildung von Keimzellen.

Biologische Bedeutung der Meiose:

1. Dank der Meiose werden genetisch unterschiedliche Gameten gebildet

2. Die Konstanz des diploiden Chromosomensatzes in Körperzellen bleibt erhalten

3. Dank der Meiose produziert eine Zelle 4 neue Zellen

Meiose umfasst 2 Abteilungen:

Reduktion – bei dieser Teilung nimmt die Anzahl der Chromosomen ab

Äquatorial – verläuft auf die gleiche Weise wie die Mitose

Die Interphase verläuft auf die gleiche Weise wie die Mitose, d. h. die DNA verdoppelt sich im Zellkern einer sich teilenden Zelle.

1 meiotische Abteilung

Die Prophase ist die komplexeste und längste Phase der Meiose, da hier zwei zusätzliche Prozesse auftreten.

1- Konjugation ist eine enge Annäherung homologer Chromosomen, die zur Bildung von 4 Chromatiden führt, die durch 1 Zentromer verbunden sind. Eine solche Struktur wird als bivalent bezeichnet. Dann kommt es zum Crossing-Over zwischen den Chromosomen, die zu einem Bivalent vereint sind.

2- Crossing-over – Austausch von Chromosomenabschnitten. Als Ergebnis dieser Prozesse kommt es zur 1-Gen-Rekombination

Metaphase – hier, am Äquator der Zelle, bilden Bivalente eine Metaphasenplatte, durch deren Zentromere auch die Filamente der Spindel verlaufen

Anaphase – im Gegensatz zur Mitose verteilen sich hier ganze Chromosomen zu den Polen der Zelle. Hier finden 2 Gen-Rekombinationen statt

Telophase – bei Tieren und einigen Pflanzen beginnen sich die Chromosomen zu entspannen, werden an den Polen mit einer Kernmembran bedeckt und spalten sich in zwei Zellen (nur bei Tieren).

Bei Pflanzen tritt nach der Anaphase sofort die Prophase 2 auf.

Die Interphase ist nur für Tiere charakteristisch; im Gegensatz zur Interphase der Mitose kommt es zu keiner Zunahme der Erbinformation

Die Abteilung 2 der Meiose umfasst Prophase, Metaphase, Telophase und Anaphase, die genau wie bei der Mitose ablaufen, jedoch mit weniger Chromosomen.

Asexuelle Reproduktion.

Dies ist eine Art der Reproduktion, die gekennzeichnet ist durch:

2. 1 Person nimmt teil

3. unter günstigen Bedingungen erfolgt

4. Alle Organismen entwickeln sich gleich

5. behält die Eigenschaften und Merkmale stabil unveränderlicher Bedingungen bei

Biologische Bedeutung:

1. notwendig für die Entstehung von Organismen mit identischen anatomischen Eigenschaften

2. Aus evolutionärer Sicht ist die ungeschlechtliche Fortpflanzung nicht profitabel, aber dank dieser Fortpflanzung nimmt die Anzahl der Individuen innerhalb der Population in kurzer Zeit zu

Arten der asexuellen Fortpflanzung:

Mitotische Teilung – erfolgt durch Mitose (Amöben, Algen, Bakterien...)

Die Sporulation erfolgt durch Sporen, spezialisierte Zellen von Pilzen und Pflanzen. Wenn eine Spore ein Flagellum hat, wird sie Zoospore genannt und ist charakteristisch für eine aquatische Umgebung (Sporen, Pilze, Flechten ...).

Buckelbildung – am Mutterindividuum entsteht ein Auswuchs – eine Knospe (enthält einen Tochterkern), aus der sich ein neues Individuum entwickelt. Die Knospe wächst und erreicht die Größe des Mutterindividuums, trennt sich erst dann von diesem (Hydra, Hefepilze, Saugpilze). Ciliaten)

Vegetativ – charakteristisch für viele Pflanzengruppen, ein neues Individuum entwickelt sich entweder aus speziellen Strukturen oder aus einem Teil des Mutterindividuums.

Einige vielzellige Tiere haben auch eine vegetative Fortpflanzung (Schwämme, Seesterne, Plattwürmer).

Sexuelle Fortpflanzung

Charakteristisch:

1,2 Organisationen nehmen teil

2. Keimzellen sind beteiligt

3. Kinder erweisen sich als vielfältig

4. Aus evolutionärer Sicht erschien es später als asexuell

5. unter ungünstigen Bedingungen auftritt

Biologische Bedeutung:

1. Die Nachkommen sind besser an veränderte Umweltbedingungen angepasst und lebensfähiger

2. Neue Organismen entstehen

Pathogenese (jungfräuliche Fortpflanzung)

Aus unbefruchteten Eiern entwickeln sich Tochterorganismen.

Die Bedeutung der Pathogenese:

1. Die Fortpflanzung ist bei seltenen Kontakten von Organismen unterschiedlichen Geschlechts möglich

2. Notwendig für die Maximierung der Zahlen in Populationen mit hoher Sterblichkeit

3. Für einen saisonalen Anstieg der Zahlen in einigen Populationen

1. Obligatorisch (obligatorisch) – kommt in Populationen vor, in denen nur weibliche Individuen vorkommen (Kaukasische Felseneidechse)

2. Zyklisch (saisonal) – charakteristisch für Blattläuse, Plankton und Daphnien, die in Populationen vorkommen, die in einer bestimmten Jahreszeit hysterisch aussterben.

3. Fakultativ (nicht obligatorisch) – kommt bei sozialen Insekten vor. Männchen schlüpfen aus unbefruchteten Eiern und Arbeiterinsekten aus befruchteten Eiern.

Entwicklung von Keimzellen

Gametogenese

Gameten sind Geschlechtszellen, die zu einer Zygote verschmelzen, aus der sich ein neuer Organismus entwickelt.

Unterschied zwischen somatischen Zellen und Keimzellen:

1 Gameten tragen einen haploiden Chromosomensatz und somatische einen diploiden

2. Gameten teilen sich nicht, somatische jedoch schon

3. Gameten, insbesondere Eier, die größer als Körperzellen sind

Unter Gametogenese versteht man die Bildung von Keimzellen, die in den Keimdrüsen (Eierstöcke, Hoden) vorkommen.

Oogenese ist die Gametogenese, die im weiblichen Körper stattfindet und zur Bildung weiblicher Keimzellen (Ovum) führt.

Unter Spermatogenese versteht man die Gametogenese, die im männlichen Körper stattfindet und zur Bildung männlicher Gameten (Spermien) führt.

Die Gametogenese besteht aus mehreren Phasen:

1. Fortpflanzung – Hier nimmt aus den primären Keimzellen, die Spermatogonien und Oogonien genannt werden, die Anzahl zukünftiger Gameten durch Mitose zu. Spermatogonien vermehren sich während der gesamten Fortpflanzungszeit im männlichen Körper.

Im weiblichen Körper tritt Stadium 1 zwischen dem 2. und 5. Monat der intrauterinen Entwicklung auf.

2. Wachstum – primäre Keimzellen nehmen an Größe zu und verwandeln sich in Eizellen und Spermatozyten erster Ordnung. Diese Zellen werden in der Interphase gebildet. In diesem Stadium beginnt die Meiose.

3. Reifung – erfolgt in zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten – Reduktion und Gleichung. Durch die 1. Meioseteilung entstehen Eizellen und Spermatozyten zweiter Ordnung, nach der 2. Meioseteilung werden aus Spermatozyten 4 Spermotiden gebildet.

Aus Eizellen zweiter Ordnung werden 1 großes Ei und 3 Reduktionskörperchen gebildet. Dies liegt daran, dass die gesamte Energie und Nährstoffe für die Bildung einer großen Keimzelle aufgewendet werden und die Kraft für die Bildung der verbleibenden drei Zellen nicht ausreicht.

Daher werden 3 Reduktionskörper im Reproduktionscode aufgeteilt

4. Bildung – In diesem Stadium wachsen und entwickeln sich Spermatiden, d. h. vollständig ausgebildete Keimzellen, erhalten ein Flagellum und die Form einer erwachsenen Keimzelle. Spermatiden entstehen aus Spermatozoen.

Spermatozoen bestehen aus Kopf, Hals und Schwanz.

Das Ei ähnelt einer Körperzelle, ist jedoch größer und verfügt über zusätzliche Membranen.

Düngung

Dies ist der Prozess der Verschmelzung von Keimzellen, der zur Bildung einer Zygote führt – dies ist die erste Zelle eines neuen Organismus

1. Äußerlich – bei dieser Art der Befruchtung verschiebt das Weibchen das Spiel und das Männchen bewässert es mit Samenflüssigkeit. Diese Art kommt nur in Gewässern vor. Es sind keine besonderen Fortpflanzungsstrukturen erforderlich, es wird viel Erbgut produziert und die Überlebensrate der Nachkommen ist minimal.

2. Intern – bei diesem Typ werden männliche Fortpflanzungszellen im weiblichen Fortpflanzungstrakt platziert. Dieser Typ erfordert spezielle Fortpflanzungsstrukturen. Es wird weniger Erbgut produziert. Die Überlebensrate der Nachkommen steigt. Sobald männliche Fortpflanzungszellen in den Fortpflanzungstrakt der Frau gelangen, bewegen sie sich gezielt auf die Eizelle zu. Wenn eines der Spermien in die Eizelle eindringt, werden ihre Membranen dichter und sie wird für andere Spermien unzugänglich. Dies ist notwendig, um die Diploidität von Organismen aufrechtzuerhalten.

Doppelte Befruchtung

Charakteristisch nur für Angiospermen. In den Staubblättern teilen sich die primären männlichen Keimzellen durch Meiose und bilden 4 Mikrosporen, jede Mikrospore wird wiederum in 2 Zellen (vegetativ und generativ) geteilt.

Diese Zellen sind mit einer Doppelmembran bedeckt und bilden ein Pollenkörner

Im Stempel wird durch Meiose 1 Megaspore aus der primären weiblichen Zelle gebildet und 3 Zellen sterben ab. Die resultierende Megaspore ist immer noch in 2 Zellen geteilt, eine nimmt einen zentralen Platz in der Spore ein und zwei gehen nach unten

Das Pollenkorn landet auf der Narbe des Stempels, die vegetative Zelle keimt und bildet einen Pollenschlauch zum Eierstock. Die generative Zelle steigt durch diese Röhre hinab und teilt sich in zwei Spermien. 1 Spermium befruchtet die zentrale Zelle, aus der das Endosperm gebildet wird.

2 Spermien befruchten die zweite Zelle, aus der sich der Embryo entwickelt.

Ontogenese

Dies ist die individuelle Entwicklung der Zygote (Organismus) bis zu ihrem Tod. Der Begriff wurde 1866 von Ernest Haeckel eingeführt

Bei Säugetieren wird die Otnogenese durch das Nerven- und Hormonsystem reguliert

1. Larve – bei dieser Art verbleibt der aus den Eierschalen hervortretende Organismus für einige Zeit im Larvenstadium und durchläuft dann eine Metamorphose (Verwandlung in ein erwachsenes Tier).

2. Ovipar – bei dieser Art der Entwicklung verbleibt der Organismus lange Zeit in den Eimembranen und es gibt kein Larvenstadium

3. Intrauterin – hier findet die Entwicklung des Körpers im Körper der Mutter statt

Perioden der Ontogenese:

1. Embryonal (intrauterin) von der Empfängnis bis zur Geburt

2. Postembryonal – von der Geburt bis zum Tod

Embryonalperiode

3 Entwicklungsstufen

1. Zerquetschen

Beginnt einige Stunden nach der Befruchtung. Hier beginnt sich die Zygote mitotisch in zwei Zellen (Blastomere) zu teilen. Diese Zellen gehen nicht auseinander und wachsen nicht. Dann teilen sich diese Zellen erneut und bilden 4 Zellen, und so geht es weiter, bis 32 Zellen gebildet sind, bis sich eine Morula bildet – das ist ein Embryo, der aus 32 kleinen Zellen besteht, die einer Himbeere ähneln und die Größe einer Zygote haben.

Diese Morula steigt entlang des Eileiters in die Gebärmutterhöhle ab und nistet sich in deren Wand ein. Dies geschieht 6 Stunden nach der Befruchtung.

Dann teilen sich die Morula-Zellen weiter und es entsteht eine Blastula – ein Embryo, der aus mehreren hundert Zellen in einer Schicht besteht. Die Blastula hat einen Hohlraum und ihre Größe entspricht der der Zygote

2. Gastrulation

Enthält Blastula und Gastrula

Die Blastula teilt sich weiter und an einem Ende ist die Zellteilung intensiver. Dies führt zur Einstülpung dieser Zellen in die Blastula, es entsteht also eine Gastrula

Die Gastrula ist ein zweischichtiger Embryo mit einem primären Mund, der sich bei Säugetieren und höheren Organismen im Laufe der Entwicklung in den Anus verwandelt. Und am anderen Ende entsteht der wahre Mund. Die Gastrulahöhle ist die Primärzelle.

Die äußere Zellschicht ist das Ektoderm (1 Keimblatt)

Die innere Zellschicht ist Endoderm (2 Packungsblätter)

Dann bilden sich zwischen Ektoderm und Endoderm symmetrisch an beiden Enden des Primärmundes 3 Keimblätter (Mesoderm).

3.Organogenese

In diesem Stadium wird die Neurula gebildet; auf dem Rückenteil des Embryos bildet die äußere Zellschicht eine Rinne, die sich schließt und das Neuralrohr bildet. Parallel zu diesem Prozess wird aus dem Endoderm der Darmschlauch gebildet. Und aus dem Mesoderm wird die Chorda dorsalis gebildet. Aus dem Ektoderm werden das Nervensystem und die Sinnesorgane sowie das Leichenepithel und seine Derivate (Haare, Nägel) gebildet.

Endoderm – bildet das Verdauungssystem und die Verdauungsdrüsen, das Atmungssystem und die Schilddrüse.

4. Mesoderm

Der Bewegungsapparat, das Kreislauf-, Ausscheidungs- und Fortpflanzungssystem werden gebildet.

Postembryonale Periode

Die postembryonale Entwicklung kann auf zwei Arten verlaufen:

Direkt und indirekt: mit vollständiger und unvollständiger Transformation

Die direkte Entwicklung ist typisch für Vögel, Fische, Säugetiere und Menschen. Wenn ein neues Individuum geboren wird und aus den Eierschalen schlüpft, ähnelt es einem erwachsenen Individuum, ist jedoch klein, hat andere Proportionen und ein unterentwickeltes Nerven- und Fortpflanzungssystem. Auch die Haut kann unterschiedlich sein.

Während der postembryonalen Entwicklung entwickeln sich das Nerven- und Fortpflanzungssystem weiter. Die Deckung ändert sich und der Körper wird geschult und geschult.

Indirekte Entwicklung – bei diesem Typ befindet sich das Larvenstadium in der postembryonalen Entwicklung. Die Larve hat kaum oder gar keine Ähnlichkeit mit dem erwachsenen Tier. Sie wächst intensiv, entwickelt sich und frisst viel.

Bei dieser Art der indirekten Entwicklung durchläuft der Organismus, der aus dem Ei schlüpft, das Stadium einer Larve, die sich in eine Puppe verwandelt und die Larve vollständig in organische Verbindungen zerfällt, aus denen ein neuer Organismus aufgebaut wird. Ein erwachsenes Individuum (imago) entsteht aus der Puppe.

Ei-Larve-Pupa-Imago

Amphibien und einige Insekten entwickeln sich mit unvollständiger Transformation

Hier gibt es keine Puppe und die Metamorphose findet im Larvenstadium statt.

Ei-Larve-Erwachsener

26. Die Stellung des Menschen zum System der Tierwelt.

Aggregatzustände der Materie: fest, flüssig und gasförmig. Kristalline und amorphe Zustände. Kristallgitter

Biologie. Allgemeine Biologie. 10. Klasse. Grundstufe Sivoglazov Vladislav Ivanovich

16. Stoffwechsel und Energieumwandlung. Energieaustausch

Erinnern!

Was ist Stoffwechsel?

Aus welchen zwei miteinander verbundenen Prozessen besteht es?

Wo im menschlichen Körper erfolgt der Abbau der meisten organischen Stoffe aus der Nahrung?

Stoffwechsel und Energie. Die Hauptvoraussetzung für das Leben eines jeden Organismus ist der Austausch von Stoffen und Energie mit der Umwelt. In jeder Zelle laufen kontinuierlich komplexe Prozesse ab, die darauf abzielen, die normale Funktion der Zelle selbst und des gesamten Organismus aufrechtzuerhalten und sicherzustellen. Es werden komplexe hochmolekulare Verbindungen synthetisiert: Proteine ​​werden aus Aminosäuren, Polysaccharide aus Einfachzuckern und Nukleinsäuren aus Nukleotiden gebildet. Zellen teilen sich und bilden neue Organellen; verschiedene Stoffe werden aktiv aus und in die Zelle transportiert. Elektrische Impulse werden über Nervenfasern übertragen, Muskeln ziehen sich zusammen, eine konstante Körpertemperatur wird aufrechterhalten – all dies und viele andere Prozesse im Körper erfordern Energie. Diese Energie entsteht durch den Abbau organischer Stoffe. Eine Reihe von Spaltungsreaktionen hochmolekularer Verbindungen, die mit der Freisetzung und Speicherung von Energie einhergehen, angerufen Energiestoffwechsel oder Dissimilation . Energie wird hauptsächlich in Form einer universellen energieintensiven Verbindung gespeichert – ATP.

Adenosintriphosphorsäure (ATP) ist ein Nukleotid, das aus einer stickstoffhaltigen Base (Adenin), Ribosezucker und drei Phosphorsäureresten besteht (Abb. 53). ATP ist das Hauptenergiemolekül der Zelle, eine Art Energiespeicher. Alle Prozesse in lebenden Organismen, die einen Energieaufwand erfordern, gehen mit der Umwandlung des ATP-Moleküls in ADP (Adenosindiphosphorsäure) einher. Bei der Entfernung des Phosphorsäurerestes wird eine große Energiemenge freigesetzt – 40 kJ/mol. Im ATP-Molekül gibt es zwei solcher hochenergetischer (sog. hochenergetischer) Bindungen. Die Wiederherstellung der ATP-Struktur aus ADP und Phosphorsäure erfolgt in Mitochondrien und geht mit einer Energieaufnahme einher.

Der Vorrat an organischen Stoffen, die der Körper zur Energiegewinnung nutzt, muss ständig entweder über die Nahrung, wie bei Tieren, oder durch Synthese aus anorganischen Stoffen (Pflanzen) ergänzt werden. Die Gesamtheit aller biosynthetischen Prozesse, die in lebenden Organismen ablaufen, angerufen Plastikaustausch oder Assimilation . Der plastische Austausch geht immer mit einer Energieaufnahme einher. Die Hauptprozesse des plastischen Stoffwechsels sind die Proteinbiosynthese (§ 13) und die Photosynthese (§ 17).

Reis. 53. Struktur des ATP-Moleküls (das „~“-Zeichen weist auf eine hochenergetische Bindung hin)

Beim Prozess des Energieaustauschs werden also organische Verbindungen abgebaut und Energie gespeichert, während beim plastischen Austausch Energie verbraucht und organische Substanzen synthetisiert werden. Die Reaktionen des Energie- und Kunststoffaustauschs sind untrennbar miteinander verbunden und bilden zusammen einen einzigen Prozess – Stoffwechsel und Energie , oder Stoffwechsel . Der Stoffwechsel findet kontinuierlich in allen Zellen, Geweben und Organen statt und sorgt so für die Konstanz der inneren Umgebung des Körpers - Homöostase.

Energieaustausch. Die meisten Organismen auf unserem Planeten benötigen Sauerstoff, um zu funktionieren. Solche Organismen werden genannt Aerobic. Der Energiestoffwechsel in Aerobiern erfolgt in drei Phasen: vorbereitend, sauerstofffrei und Sauerstoff. In Gegenwart von Sauerstoff werden organische Stoffe bei der Atmung vollständig zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert, wodurch eine große Energiemenge gespeichert wird.

Anaerobe Organismen ohne Sauerstoff überleben können. Für einige von ihnen ist Sauerstoff generell zerstörerisch, sodass sie dort leben, wo überhaupt kein Sauerstoff vorhanden ist, wie zum Beispiel der Erreger von Tetanus. Andere, sogenannte fakultative Anaerobier, können sowohl ohne Sauerstoff als auch in dessen Gegenwart existieren. Der Energiestoffwechsel in anaeroben Organismen erfolgt in zwei Phasen: vorbereitend und sauerstofffrei, daher werden organische Substanzen nicht vollständig oxidiert und es wird viel weniger Energie gespeichert.

Betrachten wir drei Phasen des Energiestoffwechsels (Abb. 54).

Vorbereitungsphase. Dieses Stadium findet im Magen-Darm-Trakt und in den Lysosomen der Zellen statt. Hier zerfallen hochmolekulare Verbindungen unter dem Einfluss von Verdauungsenzymen in einfachere, niedermolekulare Verbindungen: Proteine ​​– in Aminosäuren, Polysaccharide – in Monosaccharide, Fette – in Glycerin und Fettsäuren. Die bei diesen Reaktionen freigesetzte Energie wird nicht gespeichert, sondern als Wärme abgegeben. In der Vorbereitungsphase gebildete niedermolekulare Stoffe können vom Körper zur Synthese eigener organischer Verbindungen genutzt werden, also in den plastischen Stoffwechsel eintreten oder zur Energiespeicherung weiter abgebaut werden.

Reis. 54. Stadien des Energiestoffwechsels

Sauerstofffreie Bühne. Die zweite Stufe findet im Zytoplasma der Zellen statt, wo der weitere Abbau einfacher organischer Substanzen erfolgt. Der Körper nutzt die in der ersten Stufe gebildeten Aminosäuren in den nachfolgenden Stufen der Dissimilation nicht, da er sie als Material für die Synthese seiner eigenen Proteinmoleküle benötigt. Daher werden Proteine ​​nur sehr selten zur Energiegewinnung eingesetzt, meist erst dann, wenn die restlichen Reserven (Kohlenhydrate und Fette) bereits erschöpft sind. Typischerweise ist Glukose die am besten verfügbare Energiequelle in der Zelle.

Der komplexe mehrstufige Prozess des sauerstofffreien Abbaus von Glukose in der zweiten Stufe des Energiestoffwechsels wird als bezeichnet Glykolyse(aus dem Griechischen Glykos- süß und Lyse– Spaltung).

Durch die Glykolyse wird Glukose in einfachere organische Verbindungen (Glukose C 6 H 12 O 6 - Brenztraubensäure C 3 H 4 O 3) zerlegt. Dabei wird Energie freigesetzt, die zu 60 % als Wärme abgeführt und zu 40 % für die ATP-Synthese genutzt wird. Beim Abbau eines Moleküls Glucose entstehen zwei Moleküle ATP und zwei Moleküle Brenztraubensäure. Somit beginnt der Körper im zweiten Stadium der Dissimilation, Energie zu speichern.

Das weitere Schicksal der Brenztraubensäure hängt von der Anwesenheit von Sauerstoff in der Zelle ab. Wenn Sauerstoff vorhanden ist, gelangt Brenztraubensäure in die Mitochondrien, wo sie vollständig zu CO 2 und H 2 O oxidiert wird und die dritte, Sauerstoffstufe des Energiestoffwechsels stattfindet (siehe unten).

In Abwesenheit von Sauerstoff kommt es zur sogenannten anaeroben Atmung, die oft als „anaerobe Atmung“ bezeichnet wird Fermentation. In Hefezellen wird bei der alkoholischen Gärung Brenztraubensäure (PVA) in Ethylalkohol (PVA? Ethylalkohol + CO 2) umgewandelt.

Bei der Milchsäuregärung entsteht aus PVC Milchsäure. Dieser Prozess kann nicht nur bei Milchsäurebakterien auftreten. Bei anstrengender körperlicher Arbeit kommt es in den Zellen des menschlichen Muskelgewebes zu einem Sauerstoffmangel, der zur Bildung von Milchsäure führt, deren Ansammlung ein Gefühl von Müdigkeit, Schmerzen und manchmal sogar Krämpfen hervorruft.

Sauerstoffstufe. In der dritten Stufe werden die beim sauerstofffreien Abbau von Glucose entstehenden Produkte zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Dabei wird eine große Menge Energie freigesetzt, von der ein erheblicher Teil für die ATP-Synthese verwendet wird. Dieser Prozess findet in Mitochondrien statt und wird als bezeichnet Zellatmung. Bei der Zellatmung wird durch die Oxidation zweier PVC-Moleküle vom Körper gespeicherte Energie in Form von 36 ATP-Molekülen freigesetzt.

Im Prozess des Energiestoffwechsels mit der vollständigen Oxidation eines Glukosemoleküls zu Kohlendioxid und Wasser werden also 38 ATP-Moleküle gebildet (2 Moleküle im Prozess der Glykolyse und 36 im Prozess der Zellatmung in Mitochondrien):

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 38ADP + 38F 6CO 2? 6H 2 O + 38ATP.

Unter anaeroben Bedingungen ist die Effizienz des Energiestoffwechsels viel geringer – nur 2 ATP-Moleküle. Fermentationsprodukte (Ethylalkohol, Milchsäure, Buttersäure) behalten noch viel Energie in ihren chemischen Bindungen, d. h. der Sauerstoffweg der Dissimilation ist energetisch günstiger. Historisch gesehen ist die Fermentation jedoch ein älterer Prozess. Es hätte sogar durchgeführt werden können, als es in der Atmosphäre der alten Erde keinen freien Sauerstoff gab.

Überprüfen Sie Fragen und Aufgaben

1. Was ist Dissimilation? Listen Sie seine Phasen auf.

2. Welche Rolle spielt ATP im Zellstoffwechsel?

3. Welche Zellstrukturen führen die ATP-Synthese durch?

4. Erklären Sie den Energiestoffwechsel in einer Zelle am Beispiel des Abbaus von Glukose.

5. Zeichnen Sie ein schematisches Diagramm des Dissimilationsprozesses und fassen Sie alle im Text des Absatzes genannten möglichen Optionen (einschließlich Fermentation) in einem Diagramm zusammen.

6. Synonyme für die Wörter „Dissimilation“ und „Assimilation“ sind die Begriffe „Katabolismus“ und „Anabolismus“. Erklären Sie den Ursprung dieser Begriffe.

Denken! Tu es!

1. Erklären Sie, warum zu viel Essen zu Fettleibigkeit führt.

2. Warum kann es keinen Energieaustausch ohne Kunststoffaustausch geben?

3. Warum empfiehlt es sich Ihrer Meinung nach, nach schwerer körperlicher Arbeit ein warmes Bad zu nehmen, um Muskelschmerzen schnell zu lindern?

Arbeiten Sie mit dem Computer

Beachten Sie die elektronische Bewerbung. Studieren Sie den Stoff und erledigen Sie die Aufgaben.

Aus dem Buch Service Dog [Leitfaden zur Ausbildung von Service-Hundezuchtspezialisten] Autor Kruschinski Leonid Viktorowitsch

3. Stoffwechsel als Grundlage des Lebens „Leben ist eine Existenzform von Eiweißkörpern“, schrieb F. Engels. Daher können wir sagen, dass Protein der Träger des Lebens ist. Protein ist eine komplexe Substanz, die aus vielen Elementen besteht, darunter auch Stickstoff.

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Thema 10. Altersmerkmale des Stoffwechsels und der Energie 10.1. Merkmale von Stoffwechselprozessen Stoffwechsel und Energie sind die Grundlage der lebenswichtigen Prozesse des Körpers. Im menschlichen Körper, in seinen Organen, Geweben, Zellen findet ein kontinuierlicher Syntheseprozess statt, d.h.

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2.3. Stoffwechsel und Energie Der gesamte Satz chemischer Reaktionen, die in lebenden Organismen ablaufen, wird Stoffwechsel oder Stoffwechsel genannt. Durch diese Reaktionen wird die in chemischen Bindungen gespeicherte Energie in andere Formen umgewandelt, d. h. der Stoffwechsel findet immer statt

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Kapitel 10. Energiestoffwechsel. Biologische Oxidation Lebende Organismen sind aus thermodynamischer Sicht offene Systeme. Zwischen dem System und der Umgebung ist ein Energieaustausch möglich, der nach den Gesetzen der Thermodynamik erfolgt. Alles Bio

Alle lebenden Organismen tauschen Stoffe mit der äußeren Umgebung aus. In Zellen finden ständig Biosyntheseprozesse statt. Dank Enzymen werden aus einfachen Substanzen komplexe Verbindungen gebildet: Proteine ​​werden aus Aminosäuren, komplexe Kohlenhydrate aus Monosacchariden und Nukleinsäuren aus stickstoffhaltigen Basen synthetisiert. Durch chemische Umwandlungen relativ einfacher Stoffe entstehen verschiedene Fette und Öle. Chitin ist die äußere Hülle von Arthropoden und bildet Chitin – ein komplexes Polysaccharid (S. 7); bei Vögeln und Säugetieren ist die äußere Hülle eine Hornsubstanz, deren Basis das Protein Keratin ist. Letztlich wird die Zusammensetzung der synthetisierten großen organischen Moleküle durch den Genotyp bestimmt. Synthetisierte Substanzen werden während des Wachstums verwendet, um Zellen und ihre Organellen aufzubauen und verbrauchte oder zerstörte Moleküle zu ersetzen. Ausnahmslos alle Wechselwirkungen der Biosynthese erfolgen unter Energieaufnahme.

Plastikaustausch

Der plastische Stoffwechsel, auch Biosynthese oder Anabolismus genannt, findet nur in der Zelle statt. Der plastische Stoffwechsel besteht aus drei Arten: Photosynthese, Chemosynthese und Proteinbiosynthese. Die Photosynthese wird von Pflanzen und nur einigen Bakterien (Cyanobakterien) genutzt. Solche Organismen werden Autotrophen genannt. Die Chemosynthese wird von bestimmten Bakterien genutzt, darunter auch anaeroben. Solche Organismen werden Chemotrophe genannt. Tiere und Pilze werden als heterotrophe Lebewesen klassifiziert.

Photosynthese

Der Prozess der Photosynthese erfolgt durch eine Reaktion, bei der aus Kohlendioxid und Wasser Glukose und Sauerstoff gebildet werden. Die Photosynthese besteht aus zwei Phasen, hell und dunkel. Während der hellen Phase findet der Prozess der Photosynthese im Grana des Chloroplasten statt, und in der dunklen Phase im Stroma des Chloroplasten (siehe Anhang 7). Ohne Sonnenenergie hätte die Photosynthese ihre Bedeutung nicht, daher ist dies ein wichtiger Faktor. Dabei entstehen aus sechs Molekülen Sauerstoff und einem Molekül Glucose sechs Moleküle Kohlendioxid und Wasser. Der Prozess der Photosynthese findet in Chloroplasten statt; Chlorophyll kommt in Organellen vor, wodurch die Synthese erfolgt.

6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2

Chemosynthese

Die Chemosynthese ist charakteristisch für Bakterien wie Schwefel-, Nitrifikations- und Eisenbakterien. Bakterien nutzen die durch die Oxidation von Stoffen gewonnene Energie, um Kohlendioxid zu organischen Verbindungen zu reduzieren. (siehe Anhang 8) Schwefelbakterien oxidieren Substanzen wie Schwefelwasserstoff, nitrifizierende Bakterien oxidieren Ammoniak und Eisenbakterien oxidieren Eisenoxid.

Proteinbiosynthese

Der plastische Stoffwechsel ist die Synthese von Proteinen durch eine Zelle. Exchange hat zwei Hauptprozesse: Transkription und Übersetzung.

Transkription- Hierbei handelt es sich um den Prozess der Synthese von Boten-RNA mithilfe von DNA nach dem Prinzip der Komplementarität. (siehe Anhang 9)

Die Transkription besteht aus drei Phasen:

Primäre Transkriptbildung

wird bearbeitet

Spleißen

Übertragen- Übertragung von Informationen über die Struktur eines Proteins von der Messenger-RNA auf das synthetisierte Polypeptid. (siehe Anhang 10) Dieser Vorgang findet im Zytoplasma des Ribosoms statt. Die Ausstrahlung erfolgt in vier Etappen. Im ersten Schritt werden Aminosäuren durch ein spezielles Enzym aktiviert – die Aminoacyl-T-RNA-Synthetase. Dieser Prozess verbraucht Energie in Form von ATP. Es entsteht dann Minoacyladenylat. Darauf folgt der Prozess der Anlagerung der aktivierten Aminosäure an die Transfer-RNA und die Freisetzung von AMP. Darüber hinaus bindet der gebildete Komplex im dritten Stadium an das Ribosom. Anschließend werden Aminosäuren in einer bestimmten Reihenfolge in die Proteinstruktur eingebaut, woraufhin die Transfer-RNA freigesetzt wird.

Energieaustausch

Der Energiestoffwechsel wird auch Katabolismus genannt. Plastik- und Energiestoffwechsel sind eng miteinander verbunden, denn für den Plastikstoffwechsel (Anabolismus) wird Energie benötigt, die von der Zelle durch Katabolismus gewonnen wird. Mit diesem Prozess synthetisiert die Zelle die notwendigen Nukleinsäuren, Proteine, Kohlenhydrate usw. Der Energiestoffwechsel ist ein Prozess, bei dem Stoffe mit komplexer Struktur in einfachere Stoffe zerlegt oder oxidiert werden, wodurch der Körper die für die Existenz notwendige Energie erhält. Es gibt drei Phasen des Energiestoffwechsels:

Vorbereitungsphase

Anaerobes Stadium – Glykolyse (ohne Sauerstoff)

Aerobes Stadium – Zellatmung (unter Beteiligung von Sauerstoff)

Vorbereitungsphase

In dieser Phase werden Polymere in Monomere umgewandelt, d. h. Verbindungen wie Proteine, Kohlenhydrate und Lipoide werden in einfachere Bestandteile zerlegt. Dieser Prozess findet außerhalb der Zelle in den Organen des Verdauungssystems statt. Sauerstoff wird in dieser Phase des Energiestoffwechsels nicht benötigt. Durch die Reaktionen zerfällt Protein in Aminosäuren, komplexe Kohlenhydrate in einfache Monosaccharide und Lipide in Glycerin und höhere Säuren. Dieses Stadium findet auch in den Lysosomen der Zelle statt.

Anaerobes Stadium

Diese Phase wird auch als Fermentation oder Glykolyse bezeichnet. Die in der Vorbereitungsphase gebildeten Stoffe – Glukose, Aminosäuren etc. – werden anschließend ohne Beteiligung von Sauerstoff enzymatisch abgebaut. Kohlenhydrate werden hauptsächlich fermentiert. Bei den chemischen Reaktionen in diesem Stadium des Katabolismus entstehen Alkohole, Kohlendioxid, Aceton, organische Säuren und in einigen Fällen Wasserstoff und andere Substanzen. Glykolyse ist der Prozess des Abbaus von Glukose unter anaeroben Bedingungen zu Brenztraubensäure (PVA), dann zu Milchsäure, Essigsäure, Buttersäure oder Ethylalkohol, der im Zytoplasma der Zelle stattfindet. Bei der sauerstofffreien Spaltung wird ein Teil der freigesetzten Energie in Form von Wärme abgegeben und ein Teil in ATP-Molekülen gespeichert. Eine häufige Reaktion in Tier- und Pilzzellen ist die Freisetzung von Brenztraubensäure.

Die grundlegende chemische Reaktion sieht in diesem Stadium wie folgt aus:

C6H12O6 = 2C3H4O3 + (4H) + 2ATP

Als Ergebnis dieses Prozesses werden zwei ATP-Moleküle gebildet.

Aerobic-Stufe

Dieses Stadium findet in den Mitochondrien statt. (siehe Anhang 11) In diesem Stadium werden Stoffe oxidiert, wodurch eine gewisse Energiemenge freigesetzt wird. Sauerstoff ist an demselben Prozess beteiligt. Der Sauerstofftransport erfolgt über rote Blutkörperchen, die Hämoglobin enthalten. Die in den vorherigen Schritten gewonnenen Stoffe werden von der Zelle in ihre einfachsten Bestandteile, nämlich Kohlendioxid und Wasser, zerlegt. In Lysosomen enthaltene Enzyme oxidieren organische Verbindungen in der Zelle. ADP – Adenosindiphosphat – eine Substanz, die auch für die Energiegewinnung durch die Zellatmung notwendig ist. Die grundlegende chemische Reaktion sieht in diesem Stadium wie folgt aus:

2C3H6O3 + 6O2 + 36H3PO4 + 36ADP = 6CO2 + 42H2O + 36ATP

Als Ergebnis dieses Prozesses werden 36 ATP-Moleküle gebildet.

Aus dieser Gleichung können Sie ersehen, dass in diesem Stadium eine beträchtliche Menge an Energie freigesetzt wird. Darüber hinaus kann in diesem Stadium die Reaktion der vollständigen Oxidation von Brenztraubensäure stattfinden, wodurch ebenfalls Energie freigesetzt wird, jedoch in geringeren Mengen.

Folglich kann die Zelle bei vollständigem Abbau eines Glukosemoleküls 38 ATP-Moleküle synthetisieren (2 Moleküle während der Glykolyse und 36 Moleküle während der aeroben Phase). (siehe Anhang 12)

Die allgemeine Gleichung für die aerobe Atmung kann wie folgt geschrieben werden:

C6H1206 + 602 + 38ADP + 38H3P04 > 6C02 + 6H20 + 38ATP.

Abschluss

Eine Zelle ist eine hochorganisierte Lebenseinheit. Die Aufnahme, Umwandlung, Speicherung und Nutzung von Stoffen und Energie erfolgt durch Zellen. In der Zelle finden Prozesse wie Atmung, Fermentation, Photosynthese und Vervielfältigung von genetischem Material statt. Und solche Prozesse treten sowohl bei Organismen mit einfacher Struktur (einzellig) als auch bei Organismen mit komplexer Struktur (mehrzellig) auf. Das Leben aller Organismen hängt von ihren Zellen ab.

Anwendung

Anhang 1

Anlage 2

Anhang 3

Anhang 4

Anhang 5

Anhang 6

Anhang 7

Anhang 8

Anhang 9

Der Stoff- und Energiestoffwechsel (Metabolismus) findet auf allen Ebenen des Körpers statt: zellulär, geweblich und organisatorisch. Es gewährleistet die Konstanz der inneren Umgebung des Körpers – die Homöostase – unter sich ständig ändernden Existenzbedingungen. In der Zelle laufen zwei Prozesse gleichzeitig ab – der plastische Stoffwechsel (Anabolismus oder Assimilation) und der Energiestoffwechsel (Fatabolismus oder Dissimilation).

Der plastische Stoffwechsel ist eine Reihe von Biosynthesereaktionen oder die Bildung komplexer Moleküle aus einfachen. Die Zelle synthetisiert ständig Proteine ​​aus Aminosäuren, Fette aus Glycerin und Fettsäuren, Kohlenhydrate aus Monosacchariden, Nukleotide aus stickstoffhaltigen Basen und Zucker. Diese Reaktionen erfordern Energie. Die eingesetzte Energie wird durch Energieaustausch freigesetzt. Der Energiestoffwechsel besteht aus einer Reihe von Reaktionen, die komplexe organische Verbindungen in einfachere Moleküle zerlegen. Ein Teil der dabei freigesetzten Energie fließt in die Synthese von ATP-Molekülen (Adenosintriphosphorsäure), die reich an Energiebindungen sind. Der Abbau organischer Stoffe erfolgt im Zytoplasma und in den Mitochondrien unter Beteiligung von Sauerstoff. Die Reaktionen der Assimilation und Dissimilation hängen eng miteinander und mit der äußeren Umgebung zusammen. Der Körper erhält Nährstoffe aus der äußeren Umgebung. Abfallstoffe werden in die äußere Umgebung abgegeben.

Enzyme (Enzyme) sind spezifische Proteine, biologische Katalysatoren, die Stoffwechselreaktionen in der Zelle beschleunigen. Alle Prozesse in einem lebenden Organismus werden direkt oder indirekt unter Beteiligung von Enzymen abgewickelt. Ein Enzym katalysiert nur eine Reaktion oder wirkt nur auf eine Bindungsart. Dies gewährleistet eine Feinregulierung aller lebenswichtigen Prozesse (Atmung, Verdauung, Photosynthese usw.), die in der Zelle oder im Körper ablaufen. Im Molekül jedes Enzyms gibt es eine Stelle, die den Kontakt zwischen den Molekülen des Enzyms und einer bestimmten Substanz (Substrat) herstellt. Das aktive Zentrum des Enzyms ist eine funktionelle Gruppe (z. B. OH-Seringruppe) oder eine separate Aminosäure.

Die Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen hängt von vielen Faktoren ab: Temperatur, Druck, Säuregehalt der Umgebung, Vorhandensein von Inhibitoren usw.

Phasen des Energiestoffwechsels:

• Vorbereitend- kommt im Zytoplasma von Zellen vor. Unter der Wirkung von Enzymen werden Polysaccharide in Monosaccharide (Glukose, Fruktose usw.), Fette in Glycerin und Fettsäuren, Proteine ​​​​in Aminosäuren und Nukleinsäuren in Nukleotide zerlegt. Dabei wird eine kleine Menge Energie freigesetzt, die als Wärme abgegeben wird.
• Sauerstofffrei(anaerobe Atmung oder Glykolyse) – mehrstufiger Abbau von Glukose ohne Beteiligung von Sauerstoff. Man nennt es Gärung. In den Muskeln zerfällt ein Glukosemolekül durch anaerobe Atmung in zwei Moleküle Lyruvinsäure (C 3 H 4 O 3), die dann zu Milchsäure (C 3 H 6 O 3) reduziert werden. Phosphorsäure und ADP sind am Abbau von Glukose beteiligt.

  Die Gesamtgleichung für diese Stufe: C 6 H 12 O 6 + 2H 3 PO 4 + 2ADP -> 2C 3 H 6 O 3 + 2ATP + 2H 2 O

  Bei Hefepilzen wird ein Glukosemolekül ohne Beteiligung von Sauerstoff in Ethylalkohol und Kohlendioxid umgewandelt (alkoholische Gärung). Bei anderen Mikroorganismen kann die Glykolyse zur Bildung von Aceton, Essigsäure usw. führen. Beim Abbau eines Glucosemoleküls entstehen zwei ATP-Moleküle, in deren Bindungen 40 % der Energie gespeichert werden, der Rest der Energie wird vernichtet die Form von Wärme.

• Sauerstoffatmung- das Stadium der aeroben Atmung oder Sauerstoffspaltung, die an den Falten der inneren Membran der Mitochondrien – Cristae – stattfindet. In dieser Stufe werden die Stoffe der vorherigen Stufe in die endgültigen Zersetzungsprodukte Wasser und Kohlendioxid zerlegt. Durch den Abbau von zwei Milchsäuremolekülen entstehen 36 ATP-Moleküle. Die Hauptvoraussetzung für den normalen Ablauf des Sauerstoffabbaus ist die Integrität der Mitochondrienmembranen. Die Sauerstoffatmung ist der wichtigste Schritt bei der Versorgung der Zellen mit Sauerstoff. Es ist 20-mal effizienter als die sauerstofffreie Stufe.

  Die Gesamtgleichung für die Sauerstoffspaltung lautet: 2C 3 H 6 0 3 + 60 2 + 36H 3 PO 4 + 36ADP -> 6CO 2 + 38H 2 O + 36ATP

Je nach Methode der Energiegewinnung werden alle Organismen in zwei Gruppen eingeteilt – autotrophe und heterotrophe.

Der Energiestoffwechsel in aeroben Zellen von Pflanzen, Pilzen und Tieren verläuft auf die gleiche Weise. Dies deutet auf ihre Beziehung hin. Die Anzahl der Mitochondrien in Gewebezellen variiert; sie hängt von der funktionellen Aktivität der Zellen ab. Beispielsweise gibt es in Muskelzellen viele Mitochondrien.

Der Abbau von Fetten in Glycerin und Fettsäuren erfolgt durch Enzyme – Lipasen. Proteine ​​werden zunächst in Oligopeptide und dann in Aminosäuren zerlegt.

Enzyme (vom lateinischen „fermentum“ – Gärung, Sauerteig), Enzyme, spezifische Proteine, die die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen in den Zellen aller lebenden Organismen erhöhen. Aufgrund ihrer chemischen Natur - Proteine, die bei einem bestimmten pH-Wert, dem Vorhandensein der notwendigen Coenzyme und Cofaktoren und dem Fehlen von Inhibitoren eine optimale Aktivität aufweisen. Enzyme werden in Analogie zu Katalysatoren in der Chemie auch Biokatalysatoren genannt. Jede Art von Enzym katalysiert die Umwandlung bestimmter Stoffe (Substrate), manchmal nur eines einzelnen Stoffes in eine einzige Richtung. Daher werden zahlreiche biochemische Reaktionen in Zellen von einer Vielzahl unterschiedlicher Enzyme durchgeführt. Sie werden in 6 Klassen eingeteilt: Oxidoreduktasen, Transferasen, Hydrolasen, Lyasen, Isomerasen und Ligasen. Viele Enzyme wurden aus lebenden Zellen isoliert und in kristalliner Form gewonnen (erstmals 1926).

Die Rolle von Enzymen im Körper

Enzyme sind an allen Stoffwechselvorgängen und an der Umsetzung genetischer Informationen beteiligt. Verdauung und Aufnahme von Nährstoffen, Synthese und Abbau von Proteinen, Nukleinsäuren, Fetten, Kohlenhydraten und anderen Verbindungen in den Zellen und Geweben aller Organismen – all diese Prozesse sind ohne die Beteiligung von Enzymen nicht möglich. Jede Manifestation der Funktionen eines lebenden Organismus – Atmung, Muskelkontraktion, neuropsychische Aktivität, Fortpflanzung usw. – wird durch die Wirkung von Enzymen sichergestellt. Die individuellen Eigenschaften von Zellen, die bestimmte Funktionen ausführen, werden größtenteils durch einen einzigartigen Satz von Enzymen bestimmt, deren Produktion genetisch programmiert ist. Das Fehlen auch nur eines Enzyms oder ein Defekt darin kann schwerwiegende negative Folgen für den Körper haben.

Katalytische Eigenschaften von Enzymen

Enzyme sind die aktivsten aller bekannten Katalysatoren. Die meisten Reaktionen in der Zelle laufen millionen- und milliardenfach schneller ab, als wenn sie ohne Enzyme ablaufen würden. So ist ein Molekül des Katalase-Enzyms in der Lage, in einer Sekunde bis zu 10.000 Moleküle zelltoxisches Wasserstoffperoxid, das bei der Oxidation verschiedener Verbindungen entsteht, in Wasser und Sauerstoff umzuwandeln. Die katalytischen Eigenschaften von Enzymen beruhen auf ihrer Fähigkeit, die Aktivierungsenergie reagierender Verbindungen deutlich zu reduzieren, d. h. in Gegenwart von Enzymen ist weniger Energie erforderlich, um eine bestimmte Reaktion zu „starten“.

Geschichte der Enzymentdeckung

Prozesse, die unter Beteiligung von Enzymen ablaufen, sind dem Menschen seit der Antike bekannt, denn die Zubereitung von Brot, Käse, Wein und Essig basiert auf enzymatischen Prozessen. Doch erst 1833 wurde aus keimenden Gerstenkörnern erstmals ein Wirkstoff isoliert, der Stärke in Zucker umwandelte und Diastase genannt wurde (heute heißt dieses Enzym Amylase). Ende des 19. Jahrhunderts. Es ist erwiesen, dass der durch das Mahlen von Hefezellen gewonnene Saft eine komplexe Mischung von Enzymen enthält, die den Prozess der alkoholischen Gärung sicherstellen. Von da an begann die intensive Erforschung von Enzymen – ihrer Struktur und Wirkweise. Da die Rolle der Biokatalyse bei der Untersuchung der Fermentation entdeckt wurde, wurden seit dem 19. Jahrhundert zwei etablierte Verfahren mit diesem Prozess in Verbindung gebracht. die Namen sind „Enzym“ (übersetzt aus dem Griechischen „aus Hefe“) und „Enzym“. Das letzte Synonym wird zwar nur in der russischsprachigen Literatur verwendet, obwohl die wissenschaftliche Richtung, die sich mit der Untersuchung von Enzymen und Prozessen unter ihrer Beteiligung befasst, traditionell als Enzymologie bezeichnet wird. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Es wurde festgestellt, dass Enzyme ihrer chemischen Natur nach Proteine ​​sind, und in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts wurde bereits die Reihenfolge der Aminosäurereste für viele Hunderte von Enzymen bestimmt und die räumliche Struktur festgelegt. Im Jahr 1969 wurde erstmals die chemische Synthese des Enzyms Ribonuklease durchgeführt. Beim Verständnis des Wirkmechanismus von Enzymen wurden enorme Fortschritte erzielt.

Lage der Enzyme im Körper

In einer Zelle befinden sich einige Enzyme im Zytoplasma, die meisten Enzyme sind jedoch mit bestimmten Zellstrukturen verbunden, wo sie ihre Wirkung entfalten. Im Zellkern gibt es beispielsweise Enzyme, die für die Replikation – die Synthese von DNA (DNA-Polymerase) – und für deren Transkription – die Bildung von RNA (RNA-Polymerase) – verantwortlich sind. Mitochondrien enthalten Enzyme, die für die Energiespeicherung verantwortlich sind; Lysosomen enthalten die meisten hydrolytischen Enzyme, die am Abbau von Nukleinsäuren und Proteinen beteiligt sind.

Bedingungen der Enzymwirkung

Alle Reaktionen, an denen Enzyme beteiligt sind, finden überwiegend in neutraler, leicht alkalischer oder leicht saurer Umgebung statt. Die maximale Aktivität jedes einzelnen Enzyms tritt jedoch bei genau definierten pH-Werten auf. Für die Wirkung der meisten Enzyme bei Warmblütern liegt die günstigste Temperatur bei 37–40 °C. In Pflanzen hört die Wirkung von Enzymen bei Temperaturen unter 0 °C nicht vollständig auf, obwohl die lebenswichtige Aktivität der Pflanzen stark reduziert wird. Enzymatische Prozesse können bei Temperaturen über 70 °C in der Regel nicht ablaufen, da Enzyme wie alle Proteine ​​einer thermischen Denaturierung (Strukturzerstörung) unterliegen.

Größen von Enzymen und ihre Struktur

Das Molekulargewicht von Enzymen liegt wie bei allen anderen Proteinen im Bereich von 10.000 bis 1 Million (kann aber auch mehr sein). Sie können aus einer oder mehreren Polypeptidketten bestehen und durch komplexe Proteine ​​dargestellt werden. Letzteres umfasst neben der Proteinkomponente (Apoenzym) niedermolekulare Verbindungen – Coenzyme (Cofaktoren, Coenzyme), darunter Metallionen, Nukleotide, Vitamine und deren Derivate. Einige Enzyme entstehen in Form inaktiver Vorläufer (Proenzyme) und werden nach bestimmten Veränderungen in der Struktur des Moleküls aktiv, beispielsweise nach der Abspaltung eines kleinen Fragments davon. Dazu gehören die Verdauungsenzyme Trypsin und Chymotrypsin, die von den Zellen der Bauchspeicheldrüse in Form inaktiver Vorstufen (Trypsinogen und Chymotrypsinogen) synthetisiert werden und im Dünndarm als Teil des Bauchspeicheldrüsensafts aktiv werden. Viele Enzyme bilden sogenannte Enzymkomplexe. Solche Komplexe sind beispielsweise in die Membranen von Zellen oder Zellorganellen eingebettet und am Stofftransport beteiligt.

Die umzuwandelnde Substanz (Substrat) bindet an einen bestimmten Teil des Enzyms, das aktive Zentrum, das durch Seitenketten von Aminosäuren gebildet wird, die sich oft in deutlich voneinander entfernten Abschnitten der Polypeptidkette befinden. Das aktive Zentrum des Chymotrypsin-Moleküls wird beispielsweise durch Histidinreste gebildet, die sich in der Polypeptidkette an Position 57 befinden, Serin an Position 195 und Asparaginsäure an Position 102 (insgesamt enthält das Chymotrypsin-Molekül 245 Aminosäuren). Somit bietet die komplexe Anordnung der Polypeptidkette im Proteinmolekül – Enzym – die Möglichkeit, dass mehrere Aminosäureseitenketten an einer genau definierten Stelle und in einem bestimmten Abstand voneinander erscheinen. Coenzyme sind ebenfalls Teil des aktiven Zentrums (der Proteinteil und der Nichtproteinanteil haben getrennt keine enzymatische Aktivität und erwerben nur in Kombination die Eigenschaften eines Enzyms).

Prozesse, an denen Enzyme beteiligt sind

Die meisten Enzyme zeichnen sich durch eine hohe Spezifität (Selektivität) der Wirkung aus, wenn die Umwandlung jedes Reaktanten (Substrats) in ein Reaktionsprodukt durch ein spezielles Enzym erfolgt. In diesem Fall kann die Wirkung des Enzyms streng auf ein Substrat beschränkt werden. Beispielsweise reagiert das Enzym Urease, das am Abbau von Harnstoff zu Ammoniak und Kohlendioxid beteiligt ist, nicht mit dem strukturell ähnlichen Methylharnstoff. Viele Enzyme wirken auf mehrere strukturell verwandte Verbindungen oder auf eine Art chemischer Bindung (zum Beispiel das Enzym Phosphatasen, das die Phosphodiesterbindung spaltet). Das Enzym entfaltet seine Wirkung durch die Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes, der dann zerfällt, um die Produkte der enzymatischen Reaktion zu bilden und das Enzym freizusetzen. Durch die Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes verändert das Substrat seine Konfiguration; In diesem Fall wird die umgewandelte Enzym-chemische Bindung geschwächt und die Reaktion läuft mit geringerem anfänglichen Energieaufwand und daher mit einer viel höheren Geschwindigkeit ab. Die Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion wird anhand der pro Zeiteinheit umgesetzten Substratmenge oder der gebildeten Produktmenge gemessen. Viele enzymatische Reaktionen können je nach Konzentration des Substrats und des Reaktionsprodukts im Medium sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung ablaufen (ein Überschuss an Substrat verschiebt die Reaktion in Richtung der Bildung des Produkts, während bei übermäßiger Anreicherung des Letzteres findet eine Substratsynthese statt). Dies bedeutet, dass enzymatische Reaktionen reversibel sein können. Beispielsweise wandelt die Carboanhydrase im Blut aus dem Gewebe stammendes Kohlendioxid in Kohlensäure (H2CO3) um, in der Lunge hingegen katalysiert sie die Umwandlung von Kohlensäure in Wasser und Kohlendioxid, das beim Ausatmen entfernt wird. Allerdings ist zu bedenken, dass Enzyme wie andere Katalysatoren das thermodynamische Gleichgewicht einer chemischen Reaktion nicht verschieben, sondern das Erreichen dieses Gleichgewichts nur deutlich beschleunigen können.

Nomenklatur der Enzymnamen

Wenn Sie ein Enzym als Base benennen, nehmen Sie den Namen des Substrats und fügen Sie das Suffix „Aza“ hinzu. So entstanden insbesondere Proteinasen – Enzyme, die Proteine ​​(Proteine), Lipasen (Lipide oder Fette abbauen) usw. abbauen. Einige Enzyme erhielten spezielle (Trivial-)Namen, zum Beispiel Verdauungsenzyme – Pepsin, Chymotrypsin und Trypsin .

In den Zellen des Körpers finden mehrere tausend verschiedene Stoffwechselreaktionen statt und daher gibt es ebenso viele Enzyme. Um diese Vielfalt in das System zu bringen, wurde ein internationales Abkommen zur Klassifizierung von Enzymen verabschiedet. Nach diesem System wurden alle Enzyme je nach Art der von ihnen katalysierten Reaktionen in sechs Hauptklassen eingeteilt, von denen jede eine Reihe von Unterklassen umfasst. Darüber hinaus erhielt jedes Enzym eine vierstellige Codenummer (Chiffre) und einen Namen, der die Reaktion angibt, die das Enzym katalysiert. Enzyme, die in Organismen verschiedener Arten die gleiche Reaktion katalysieren, können sich in ihrer Proteinstruktur erheblich unterscheiden, haben jedoch in der Nomenklatur einen gemeinsamen Namen und eine Codenummer.

Krankheiten, die mit einer beeinträchtigten Enzymproduktion einhergehen

Das Fehlen oder die Abnahme der Aktivität eines Enzyms (häufig übermäßige Aktivität) beim Menschen führt zur Entstehung von Krankheiten (Enzymopathien) oder zum Tod des Körpers. So entwickelt sich eine Erbkrankheit bei Kindern – Galaktosämie (führt zu geistiger Behinderung) – als Folge einer Verletzung der Synthese des Enzyms, das für die Umwandlung von Galaktose in leicht verdauliche Glukose verantwortlich ist. Die Ursache einer anderen Erbkrankheit – Phenylketonurie, begleitet von einer Störung der geistigen Aktivität – ist der Verlust der Fähigkeit der Leberzellen, das Enzym zu synthetisieren, das die Umwandlung der Aminosäure Phenylalanin in Tyrosin katalysiert. Die Bestimmung der Aktivität vieler Enzyme in Blut, Urin, Gehirn-Rückenmarks-, Samen- und anderen Körperflüssigkeiten wird zur Diagnose einer Reihe von Krankheiten eingesetzt. Mithilfe dieser Blutserumanalyse ist es möglich, Herzinfarkt, Virushepatitis, Pankreatitis, Nephritis und andere Erkrankungen frühzeitig zu erkennen.

Verwendung von Enzymen durch den Menschen

Da Enzyme ihre Eigenschaften außerhalb des Körpers behalten, werden sie in verschiedenen Branchen erfolgreich eingesetzt. Zum Beispiel das proteolytische Papaya-Enzym (aus Papayasaft) – beim Brauen, um Fleisch weicher zu machen; Pepsin – bei der Herstellung von „Fertiggetreide“ und als Arzneimittel; Trypsin – bei der Herstellung von Babynahrungsprodukten; Lab (Lab aus dem Magen eines Kalbes) – bei der Käseherstellung. Katalase wird häufig in der Lebensmittel- und Gummiindustrie eingesetzt, und Cellulasen und Pectidasen, die Polysaccharide abbauen, werden zur Klärung von Fruchtsäften eingesetzt. Enzyme werden beim Aufbau der Struktur von Proteinen, Nukleinsäuren und Polysacchariden, in der Gentechnik usw. benötigt. Mit Hilfe von Enzymen werden Medikamente und komplexe chemische Verbindungen gewonnen.

Es wurde die Fähigkeit einiger Formen von Ribonukleinsäuren (Ribozymen) entdeckt, einzelne Reaktionen zu katalysieren, also als Enzyme zu wirken. Vielleicht dienten Ribozyme während der Evolution der organischen Welt als Biokatalysatoren, bevor die enzymatische Funktion auf Proteine ​​übertragen wurde, die für diese Aufgabe besser geeignet waren.