Visi gyvi organizmai Žemėje yra atviros sistemos, galinčios aktyviai organizuoti energijos ir medžiagos tiekimą iš išorės. Energija reikalinga gyvybiniams procesams vykdyti, bet visų pirma cheminei medžiagų, naudojamų ląstelių ir kūno struktūroms kurti ir atkurti, sintezei. Gyvos būtybės gali naudoti tik dviejų rūšių energiją: šviesa(saulės spinduliuotės energija) ir cheminis(cheminių junginių ryšių energija) – šiuo pagrindu organizmai skirstomi į dvi grupes – fototrofus ir chemotrofus.

Pagrindinis struktūrinių molekulių šaltinis yra anglis. Priklausomai nuo anglies šaltinių, gyvi organizmai skirstomi į dvi grupes: autotrofus, kurie naudoja neorganinį anglies šaltinį (anglies dioksidą), ir heterotrofus, kurie naudoja organinės anglies šaltinius.

Energijos ir materijos vartojimo procesas vadinamas maistas.Žinomi du mitybos būdai: holozojaus – per maisto dalelių gaudymą kūno viduje ir holofitinį – be gaudymo, per ištirpusių maistinių medžiagų įsisavinimą per kūno paviršiaus struktūras. Į organizmą patekusios maistinės medžiagos dalyvauja medžiagų apykaitos procesuose.

Metabolizmas yra tarpusavyje susijusių ir subalansuotų procesų visuma, apimanti įvairias chemines transformacijas organizme. Sintezės reakcijos, vykdomos naudojant energiją, yra anabolizmo (plastinės apykaitos arba asimiliacijos) pagrindas.

Pagrindą sudaro skilimo reakcijos, kurias lydi energijos išsiskyrimas katabolizmas(energijos mainai arba disimiliacija).

1. ATP svarba metabolizmui

Energija, išsiskirianti skaidant organines medžiagas, ląstelė ne iš karto panaudojama, o kaupiama didelės energijos junginių pavidalu, dažniausiai adenozino trifosfato (ATP) pavidalu. Pagal savo cheminę prigimtį ATP yra mononukleotidas ir susideda iš azoto bazės adenino, angliavandenių ribozės ir trijų fosforo rūgšties liekanų.

ATP hidrolizės metu išsiskiriančią energiją ląstelė naudoja visų tipų darbams atlikti. Nemažai energijos išleidžiama biologinei sintezei. ATP yra universalus ląstelių energijos šaltinis. ATP tiekimas ląstelėje yra ribotas ir papildomas dėl fosforilinimo proceso, kuris vyksta įvairiu greičiu kvėpavimo, fermentacijos ir fotosintezės metu. ATP atsinaujina itin greitai (žmogaus organizme vienos ATP molekulės gyvenimo trukmė yra mažesnė nei 1 minutė).

2. Energijos apykaita ląstelėje. ATP sintezė

ATP sintezė vyksta visų organizmų ląstelėse vykstant fosforilinimo procesui, t.y. neorganinio fosfato pridėjimas prie ADP. ADP fosforilinimo energija susidaro energijos apykaitos metu. Energijos apykaita, arba disimiliacija, yra organinių medžiagų skilimo reakcijų visuma, kurią lydi energijos išsiskyrimas. Priklausomai nuo buveinės, disimiliacija gali vykti dviem arba trimis etapais.

Daugumoje gyvų organizmų – deguonies aplinkoje gyvenančių aerobų – disimiliacijos metu atliekami trys etapai: paruošiamasis, be deguonies, deguonis. Anaerobuose, gyvenančiuose aplinkoje, kurioje trūksta deguonies, arba aerobuose, kuriuose trūksta deguonies, disimiliacija vyksta tik pirmose dviejose stadijose, kai susidaro tarpiniai organiniai junginiai, kuriuose dar daug energijos.

Pirmasis etapas - paruošiamasis - susideda iš sudėtingų organinių junginių fermentinio skaidymo į paprastesnius (baltymus į aminorūgštis; polisacharidus į monosacharidus; nukleino rūgštis į nukleotidus). Tarpląstelinis organinių medžiagų skilimas vyksta veikiant hidroliziniams lizosomų fermentams. Šiuo atveju išsiskirianti energija išsisklaido šilumos pavidalu, o susidariusios mažos organinės molekulės gali toliau suskaidyti ir jas panaudoti ląstelė kaip „statybinę medžiagą“ savo organinių junginių sintezei.

Antrasis etapas - nepilna oksidacija - vyksta tiesiogiai ląstelės citoplazmoje, nereikalauja deguonies buvimo ir susideda iš tolesnio organinių substratų skaidymo. Pagrindinis energijos šaltinis ląstelėje yra gliukozė. Nevisiškas gliukozės skilimas be deguonies vadinamas glikolize.

Trečiasis etapas - visiška oksidacija - vyksta privalomai dalyvaujant deguoniui. Dėl to gliukozės molekulė suskaidoma į neorganinį anglies dioksidą, o šiuo atveju išsiskirianti energija iš dalies panaudojama ATP sintezei.

3. Plastikiniai mainai

Plastinė medžiagų apykaita arba asimiliacija – tai visuma reakcijų, užtikrinančių kompleksinių organinių junginių sintezę ląstelėje. Heterotrofiniai organizmai patys sukuria organines medžiagas iš ekologiškų maisto komponentų. Heterotrofinė asimiliacija iš esmės sumažinama iki molekulių persitvarkymo.

Maisto organinės medžiagos (baltymai, riebalai, angliavandeniai) --> virškinimas --> Paprastos organinės molekulės (aminorūgštys, riebalų rūgštys, monosacharidai) --> biologinė sintezė --> organizmo makromolekulės (baltymai, riebalai, angliavandeniai)

Autotrofiniai organizmai gali visiškai savarankiškai sintetinti organines medžiagas iš neorganinių molekulių, suvartojamų iš išorinės aplinkos. Autotrofinės asimiliacijos procese foto- ir chemosintezės reakcijos, užtikrinančios paprastų organinių junginių susidarymą, vyksta prieš biologinę makromolekulių sintezę:

Neorganinės medžiagos (anglies dioksidas, vanduo) --> fotosintezė, chemosintezė --> paprastos organinės molekulės (aminorūgštys, riebalų rūgštys, monosacharidai) -----biologinė sintezė --> organizmo makromolekulės (baltymai, riebalai, angliavandeniai)

4. Fotosintezė

Fotosintezė – tai organinių junginių sintezė iš neorganinių, naudojant ląstelės energiją. Pagrindinį vaidmenį fotosintezės procesuose atlieka fotosintezės pigmentai, turintys unikalią savybę užfiksuoti šviesą ir paversti jos energiją chemine energija. Fotosintetiniai pigmentai yra gana didelė į baltymus panašių medžiagų grupė. Pagrindinis ir svarbiausias energijos požiūriu yra pigmentas. chlorofilas a, randama visuose fototrofuose, išskyrus fotosintecines bakterijas. Fotosintetiniai pigmentai yra įterpti į vidinę plastidų membraną eukariotuose arba į citoplazminės membranos invaginacijas prokariotuose.

Vykstant fotosintezei, be monosacharidų (gliukozės ir kt.), kuriuos augalas paverčia krakmolu ir kaupia, sintetinami ir kitų organinių junginių monomerai – aminorūgštys, glicerolis ir riebalų rūgštys. Taigi fotosintezės dėka augalų ląstelės, o tiksliau – chlorofilo turinčios ląstelės, aprūpina save ir visus Žemės gyvius reikalingomis organinėmis medžiagomis bei deguonimi.

5. Chemosintezė

Chemosintezė taip pat yra organinių junginių sintezės iš neorganinių procesas, tačiau jis vykdomas ne šviesos energijos, o cheminės energijos, gaunamos oksiduojant neorganines medžiagas (sieros, vandenilio sulfido, geležies, amoniako, nitritai ir kt.). Svarbiausios yra nitrifikuojančios, geležies ir sieros bakterijos.

Oksidacijos reakcijų metu išsiskiriančią energiją bakterijos kaupia ATP pavidalu ir panaudoja organinių junginių sintezei. Chemosintetinės bakterijos atlieka labai svarbų vaidmenį biosferoje. Jie dalyvauja valant nuotekas, prisideda prie mineralinių medžiagų kaupimosi dirvožemyje, didina dirvožemio derlingumą.

DNR - biopolimeras, mikromolekulė, polinukleotidas, -manomeras-nukleotidas Azoto bazės - dezoksiribozė - fosforo rūgšties likutis Azoto bazės: adeninas, timinas, guaninas, citozinas - dvigrandė RNR struktūra - biopolimeras, makromolekulė, manogeno bazė - nikotino nukleotidas - Ribozė - Fosforo rūgšties likutis Azoto bazės: adeninas, uracilas, guaninas, citozinas. RNR molekulė yra viengrandė. Funkcijos: DNR – genetinės informacijos saugojimas RNR – genetinės informacijos perdavimas

Branduolyje sintetinama pasiuntinio RNR, kuri neša informaciją apie pirminę baltymų molekulių struktūrą. Praėjusi pro branduolinės membranos poras, mRNR siunčiama į ribosomas, kur iššifruojama genetinė informacija – iš nukleotidų kalbos išverčiama į aminorūgščių kalbą.

Aminorūgštys, iš kurių sintetinami baltymai, tiekiamos į ribosomas naudojant specialias RNR, vadinamas pernešimo RNR (t-RNR). t-RNR trijų nukleotidų seka yra komplementari i-RNR kodono nukleotidams. Ši nukleotidų seka tRNR struktūroje vadinama antikodonu. Kiekviena t-RNR prijungia specifinę aminorūgštį, naudodama fermentus ir ATP. Tai pirmasis sintezės etapas.

Kad aminorūgštis būtų įtraukta į baltymų grandinę, ji turi atsiskirti nuo tRNR. Antrajame baltymų sintezės etape tRNR veikia kaip vertėjas iš nukleotidų kalbos į aminorūgščių kalbą. Šis vertimas vyksta ribosomoje. Jame yra du skyriai: viename t-RNR gauna komandą iš mRNR – antikodonas atpažįsta kodoną, kitoje vykdomas nurodymas – iš t-RNR atplėšiama aminorūgštis.

Trečiasis baltymų sintezės etapas – fermentas sintetazė prijungia nuo tRNR atsiskyrusią aminorūgštį prie augančios baltymo molekulės. Messenger RNR nuolat slenka išilgai ribosomos, kiekvienas tripletas pirmiausia patenka į pirmąją sekciją, kur ją atpažįsta tRNR antikodonas, tada į antrąją sekciją. Čia taip pat patenka t-RNR su prie jos prijungta aminorūgštimi; čia aminorūgštys yra atskirtos nuo t-RNR ir sujungiamos viena su kita tokia seka, kurioje vienas po kito seka tripletai.

Kai ribosomoje pirmoje sekcijoje atsiranda vienas iš trijų tripletų, kurie yra skyrybos ženklai tarp genų, tai reiškia, kad baltymų sintezė baigta. Užbaigta baltymų grandinė palieka ribosomą. Baltymų sintezės procesas reikalauja daug energijos. Kiekvienos aminorūgšties sujungimui su t-RNR reikia vienos ATP molekulės energijos.

Siekiant padidinti baltymų gamybą, mRNR dažnai vienu metu praeina ne per vieną, o kelias ribosomas iš eilės. Tokia struktūra, kurią vienija viena iRNR molekulė, vadinama polisoma. Kiekvienoje ribosomoje konvejerio juostoje, panašioje į karoliukų virtinę, paeiliui sintetinamos kelios identiškų baltymų molekulės.

Baltymų sintezė ribosomose vadinama vertimu. Baltymų molekulių sintezė vyksta nuolat ir dideliu greičiu: per minutę susidaro nuo 50 iki 60 tūkstančių peptidinių jungčių. Vienos baltymo molekulės sintezė trunka tik 3-4 sekundes. Kiekvienas biosintezės etapas yra katalizuojamas atitinkamų fermentų ir aprūpinamas energija skaidant ATP. Sintetinti baltymai patenka į endoplazminio tinklo kanalus, kuriais pernešami į tam tikras ląstelės dalis.

Augalų ląstelė kaip osmosinė sistema

Augalų ląstelė yra osmosinė sistema. Vakuolės ląstelių sultys yra labai koncentruotas tirpalas. Ląstelių sulčių osmosinis slėgis žymimas -.

Kad patektų į vakuolę, vanduo turi praeiti pro ląstelės sienelę, plazmalemą, citoplazmą ir tonoplastą. Ląstelės sienelė yra labai laidi vandeniui. Plazlema ir tonoplastas turi selektyvų pralaidumą. Todėl augalo ląstelę galima laikyti osmosine sistema, kurioje plazminė membrana ir tonoplastas yra pusiau pralaidi membrana, o vakuolė su ląstelės sultimis – koncentruotas tirpalas. Todėl jei ląstelė patalpinta į vandenį, tai vanduo, pagal osmoso dėsnius, pradės tekėti į ląstelę.

Jėga, su kuria vanduo patenka į ląstelę, vadinama siurbimo jėga – S.

Tai identiška vandens potencialui.

Vandeniui patekus į vakuolę, jo tūris didėja, vanduo atskiedžia ląstelių sultis, o ląstelių sienelės pradeda jausti spaudimą. Ląstelės sienelė turi tam tikrą elastingumą ir gali ištempti.

Didėjant vakuolės tūriui, citoplazma prispaudžiama prie ląstelės sienelės ir ant ląstelės sienelės atsiranda turgorinis slėgis (P). Tuo pačiu metu iš ląstelės sienelės atsiranda toks pat priešslėgis iš ląstelės sienelės ant protoplasto. Ląstelės sienelės priešslėgis vadinamas slėgio potencialu (-P).

Taigi siurbimo jėgos S dydį lemia ląstelės sulčių osmosinis slėgis ir ląstelės P turgorinis hidrostatinis slėgis, kuris lygus ląstelės sienelės priešslėgiui, atsirandančiam ją ištempus -P.

S = - P arba - - .

Jei augalas yra pakankamai dirvožemio ir oro drėgmės sąlygomis, tada ląstelės yra visiško turgoro būsenoje. Kai ląstelė visiškai prisotinta vandens (turgescentinė), tada jos siurbimo jėga lygi nuliui S = 0, o turgoro slėgis lygus potencialiam osmosiniam slėgiui P =.

Kai dirvoje trūksta drėgmės, vandens trūkumas pirmiausia atsiranda ląstelės sienelėje. Ląstelės sienelės vandens potencialas tampa mažesnis nei vakuolėje, o vanduo iš vakuolės pradeda judėti į ląstelės sienelę. Vandens nutekėjimas iš vakuolės sumažina turgorinį slėgį ląstelėse ir padidina jų siurbimo jėgą. Ilgai trūkstant drėgmės, dauguma ląstelių praranda turgorą, o augalas pradeda nykti, prarasdamas elastingumą ir tvirtumą. Šiuo atveju turgoro slėgis P = 0, o siurbimo jėga S =

Jei dėl labai didelio vandens netekimo turgoro slėgis nukrenta iki nulio, lapas visiškai nuvysta. Tolesnis vandens praradimas sukels ląstelės protoplasto mirtį. Prisitaikymas prie staigaus vandens praradimo yra greitas stomos užsidarymas, kai trūksta drėgmės.

Ląstelės gali greitai atkurti turgorą, jei augalas gauna pakankamai vandens arba naktį, kai augalas gauna pakankamai vandens iš dirvožemio. Ir taip pat laistant.

Vandens potencialas; lygus 0 grynam vandeniui; lygus 0 arba neigiamas ląstelėms.

Osmosinis potencialas visada yra neigiamas

Slėgio potencialas; paprastai teigiamas gyvose ląstelėse (ląstelėse, kurių turinys yra slėgis), bet neigiamas ksilemo ląstelėse (kuriose susidaro vandens įtampa).

Bendras veiksmo rezultatas

Su visu turgoru

Pradinės plazmolizės metu

Jei įdedate ląstelę į hipertoninį tirpalą su mažesniu vandens potencialu, vanduo pradeda išeiti iš ląstelės osmoso būdu per plazmos membraną. Pirmiausia vanduo išeis iš citoplazmos, o paskui per tonoplastą iš vakuolės. Gyvas ląstelės turinys, protoplastas, susitraukia ir atsilieka už ląstelės sienelės. Vyksta procesas plazmolizė. Tarpas tarp ląstelės sienelės ir protoplasto užpildomas išoriniu tirpalu. Tokia ląstelė vadinama plazmolizuota. Vanduo paliks ląstelę tol, kol protoplasto vandens potencialas taps lygus aplinkinio tirpalo vandens potencialui, o po to ląstelė nustos trauktis. Šis procesas yra grįžtamas ir ląstelė nepažeidžiama.

Jei ląstelė dedama į švarų vandenį arba hipotoninį tirpalą, atstatoma ląstelės turgorinė būsena ir procesas deplazmolizė.

Esant vandens trūkumui jaunuose audiniuose, staigus vandens netekimo padidėjimas lemia tai, kad ląstelės turgorinis slėgis tampa neigiamas, o protoplastas, susitraukęs tūriu, neatsiskiria nuo ląstelės sienelės, o traukia ją kartu su ja. . Ląstelės ir audiniai susitraukia. Šis reiškinys vadinamas cytorhiz.

Medžiagų ir energijos apykaita (medžiagų apykaita) vyksta visuose organizmo lygmenyse: ląstelėje, audinyje ir organizme. Ji užtikrina vidinės organizmo aplinkos – homeostazės – pastovumą nuolat kintančiomis egzistavimo sąlygomis. Ląstelėje vienu metu vyksta du procesai – plastinė apykaita (anabolizmas arba asimiliacija) ir energijos apykaita (fatabolizmas arba disimiliacija).

Plastiniai mainai yra visų sintezės procesų visuma, kai iš paprastų medžiagų susidaro sudėtingos medžiagos, o energija eikvojama.

Energijos apykaita – tai visų skilimo procesų visuma, kai sudėtingos medžiagos virsta paprastomis ir išsiskiria energija.

Homeostazę palaiko pusiausvyra tarp plastiko ir energijos apykaitos. Jei ši pusiausvyra sutrinka, tai organizme ar jo dalyje atsiranda patologijos (ligos).

Metabolizmas vyksta normalioje temperatūroje, slėgyje ir tam tikroje pH aplinkoje

11.Energijos apykaita ląstelėje.

Energijos apykaita – tai laipsniško organinių junginių skilimo cheminių reakcijų rinkinys, lydimas energijos išsiskyrimo, kurios dalis išleidžiama ATP sintezei. Susintetintas ATP tampa universaliu energijos šaltiniu organizmų gyvybei.

Energijos apykaitos etapai:

1. Paruošiamasis - ant jo sudėtingos medžiagos skaidomos į paprastas, pavyzdžiui, polisacharidai į monosacharidus. Šis etapas vyksta citoplazmoje ir išskiria energiją, tačiau labai mažai energijos išsiskiria kaip šiluma.

2. Be deguonies - lizosomose, šiame etape medžiagų skaidymas į paprastesnes tęsiasi nedalyvaujant deguoniui, išsiskiriant dviem ATP molekulėms

3. Deguonis – jis tęsia medžiagų skaidymą dalyvaujant deguoniui iki galutinių produktų (anglies dioksido ir vandens), išskiriant 36 ATP. Šis procesas vyksta mitochondrijose.

Ląstelių mityba. Chemosintezė

Ląstelių mityba vyksta dėl daugybės sudėtingų cheminių reakcijų, kurių metu iš išorinės aplinkos į ląstelę patenkančios medžiagos (anglies dioksidas, mineralinės druskos, vanduo) baltymų, cukrų, riebalų pavidalu patenka į pačios ląstelės kūną. , alyvos, azoto ir fosforo jungtys.

Visi gyvi organizmai gali būti suskirstyti į 2 grupes:

1. Autotrofinis mitybos tipas – tai organizmai, kurie patys sintetina organinius junginius iš neorganinių.

2 autotrofų tipai:

Fotosintezės yra autotrofai, naudojantys saulės šviesos energiją (augalai, cianobakterijos, pirmuonys).

Chemosintetikai yra organizmai, kurie naudoja cheminių ryšių energiją. Šis tipas apima beveik visas bakterijas (azoto fiksatorius, sieros bakterijas, geležies bakterijas).

Chemosintezę atrado Vinogradovas.

Chemosintezė – tai autotrofinės mitybos metodas, kurio metu energijos šaltinis organinių medžiagų sintezei iš CO2 yra neorganinių junginių oksidacijos reakcijos. Šią energijos gavimo galimybę naudoja tik bakterijos arba archėjos.

2. Heterotrofinis mitybos tipas – būdingas organizmams, mintantiems jau paruoštais organiniais junginiais.

Soprofitai yra heterotrofai, mintantys negyvais audiniais ar organizmais (varnomis, grifais, hienomis...)

Augalų valgymas – heterotrofai, mintantys augalų organizmais (žolėdžiais gyvūnais)

Mėsėdžiai (plėšrūnai) yra heterotrofai, kurie gaudo ir valgo kitus organizmus (vabzdžiaėdžius)

Visaėdžiai – valgo augalinį ir gyvulinį maistą

3. Mixotrofinis mitybos tipas – derina autotrofinius ir heterotrofinius mitybos tipus (saulėrautė, žalioji euglena)

Fotosintezė

Fotosintezė yra sudėtingas neorganinių medžiagų susidarymo procesas naudojant saulės šviesos energiją. Pagrindinis fotosintezės organas yra lapas, nes jame yra daugiausiai chloroplastų, o jo forma tinkamiausia saulės šviesai priimti.

Fotosintezės fazės:

1. Lengvoji fazė – apima 2 pagrindinius procesus: vandens fotolizę ir neciklinį fosforilinimą.

Tilakoidai yra suploti membraniniai maišeliai, ant kurių yra chlorofilo pigmentai ir specialus elektronų nešiklis, vadinamas citochromu.

Ant tilakoidų yra 2 nuotraukų sistemos:

1 fotosistemoje yra chlorofilo a1, kuris suvokia 700 nanometrų ilgio šviesos kvantą

2 fotosistemoje yra chlorofilo a2, kuris suvokia 680 nanometrų ilgio šviesos kvantą

Kai šviesos kvantas patenka į fotosistemą 1, chlorofilo a1 elektronai sužadinami ir perduodami tokiam procesui kaip vandens fatolizė, t.y. vanduo suskaidomas į vandenilį ir hidrokso grupę. Medžiagai redukuoti naudojamas vandenilis. Susidariusi hidrokso grupė kaupiasi ir virsta vandeniu bei deguonimi, kuris palieka ląstelę.

Šviesos kvantui patekus į 2 fotosistemą, chlorofilo elektronai sužadinami veikiami šviesos ir dėl energijos į ADP molekulę pridedama fosforo rūgšties liekana, todėl susidaro ATP molekulė.

Šviesioji fazė vyksta ant tilakodų, kur susidaro energija, reikalinga organinėms medžiagoms susidaryti.

Tamsioji fazė – atsiranda stromoje, nepriklausomai nuo saulės šviesos. Čia, vykstant sudėtingoms reakcijoms, naudojant susidariusią energiją anglies dioksidas paverčiamas gliukoze. Šios reakcijos vadinamos Kalvino ciklu.

Genetinis kodas

Tai metodas, būdingas visiems gyviems organizmams, koduojant baltymų aminorūgščių seką naudojant nukleotidų seką.

DNR gali turėti 4 azoto bazes:

Adeninas, guaninas, timinas, citozinas

DNR gali koduoti 64 aminorūgštis

Savybės:

1. Degeneracija – padidina genetinės informacijos saugojimo ir perdavimo patikimumą ląstelių dalijimosi metu

2. Specifiškumas – 1 tripletas visada koduoja tik 1 aminorūgštį

Genetinis ko yra universalus visiems gyviems organizmams nuo bakterijų iki žmonių

15. Transkripcija ir transliacija

Baltymų sintezė susideda iš 2 etapų:

1. Transkripcija – tai informacijos transkripcija iš DNR molekulės į pasiuntinio RNR

Šis procesas vyksta branduolyje dalyvaujant fermentui RNR polimerazei. Šis fermentas nustato sintezės pradžią ir pabaigą. Pradžia yra specifinė nukleotidų seka, vadinama promotoriumi. Pabaiga taip pat yra nukleotidų seka, vadinama terminatoriumi.

Transkripcija prasideda nustatant DNR molekulės dalį, iš kurios bus nukopijuota informacija

Tada ši sekcija išsivynioja pagal vienos DNR grandinės komplementarumo principą ir sukuriama pasiuntinio RNR. Pasibaigus DNR sintezei, ji vėl pasisuka.

2. Vertimas – tai pasiuntinio RNR nukleotidų sekos vertimas į aminorūgščių seką

Pernešimo RNR perneša pasiuntinį RNR į ribosomą. Čia pasiuntinio RNR yra integruota į mažąjį ribosomos subvienetą, tačiau į jį telpa tik 2 tripletai, todėl sintezės metu pasiuntinio RNR persikelia į didelį subvienetą, perneša RNR neša aminorūgštis, jei aminorūgštis tinka, tai yra atskirtos nuo pernešančios RNR ir prijungtos prie kitų aminorūgščių pagal peptidinio principo jungtis.

Pernešimo RNR palieka ribosomą, o naujos perdavimo RNR patenka į didelį subvienetą

Jei aminorūgštis neatitinka informacijos mažame subvienete pagal komplementarumo principą, tai ši transportavimo RNR su aminorūgštimi palieka ribosomą.

Baltymų sintezės pradžią rodo adeninas, uracilas, guaninas, o baigiasi stop kadonu

Kai baltymų sintezė baigiasi, pirminė baltymo struktūra yra atskirta nuo ribosomos ir baltymas įgauna norimą struktūrą.

Ląstelių gyvavimo ciklas

Ląstelės ciklas yra ląstelės egzistavimo laikotarpis nuo jos susiformavimo dalijantis motininei ląstelei iki jos pačios dalijimosi arba mirties.

Interfazė yra gyvavimo ciklo tarp dviejų ląstelių dalijimosi fazė. Jai būdingi aktyvūs medžiagų apykaitos procesai, baltymų ir RNR sintezė, maistinių medžiagų kaupimasis ląstelėje, augimas ir tūrio didėjimas. Tarpfazės viduryje vyksta DNR dubliavimasis (replikacija). Dėl to kiekvienoje chromosomoje yra 2 DNR molekulės ir dvi seserinės chromatidės, kurios yra sujungtos centromeru ir sudaro vieną chromosomą. Ląstelė ruošiasi dalytis, visos jos organelės padvigubėja. Interfazės trukmė priklauso nuo ląstelės tipo ir vidutiniškai sudaro 4/5 viso ląstelės gyvavimo ciklo laiko. Ląstelių dalijimasis. Organizmo augimas vyksta dalijantis jo ląstelėms. Gebėjimas dalytis yra svarbiausia ląstelių gyvybės savybė. Kai ląstelė dalijasi, ji padvigubina visus savo struktūrinius komponentus, todėl susidaro dvi naujos ląstelės. Labiausiai paplitęs ląstelių dalijimosi būdas yra mitozė – netiesioginis ląstelių dalijimasis. Mitozė yra dviejų dukterinių ląstelių, identiškų pradinei motininei ląstelei, gamybos procesas. Užtikrina ląstelių atsinaujinimą senėjimo proceso metu. Mitozė susideda iš keturių nuoseklių fazių:

1. Profazė – chromosomų su dviem chromatidėmis susidarymas, branduolinės membranos sunaikinimas.

2.Metofazė-verpstės susidarymas, chromosomų trumpėjimas, lygiagrečios ląstelės susidarymas

3. Anafazė - chromatidžių atskyrimas, jų nukrypimas į polius išilgai verpstės skaidulų

4. Telofazė – verpstės nykimas, branduolių membranų susidarymas, chromosomų suirimas.

Mitozė. Amitozė

Mitozė yra netiesioginio eukariotų somatinių ląstelių dalijimosi procesas, dėl kurio paveldima medžiaga pirmiausia padvigubėja, o po to tolygiai pasiskirsto tarp dukterinių ląstelių. Tai yra pagrindinis eukariotinių ląstelių dalijimosi būdas. Gyvūnų ląstelėse mitozės trukmė yra 30-60 min., o augalų ląstelėse - 2-3 val.Ją sudaro 4 pagrindinės fazės:

1. Profazė - prasideda nuo DNR grandinių spiralizavimo iki chromosomų, sunaikinami branduoliai ir branduolio membrana, chromosomos pradeda laisvai plūduriuoti citoplazmoje.Profazės pabaigoje pradeda formuotis verpstė

2. Metafazė – chromosomos išsirikiuoja griežtai ties pusiauju metafazės plokštelės pavidalu. Jau visiškai susiformavę verpstės sriegiai praeina per chromosomų centromerus, padalijant chromosomą į 2 chromatides.

3. Anafazė – čia verpstės siūlai atsiskiria ir išsitempia į skirtingus chromatidės polius. Skilimo velenas pradeda griūti.

4. Telofazė Čia ląstelės poliuose chromatidės pasiskirsto, pasidengia branduoline membrana ir prasideda citoplazmos bei pačios ląstelės dalijimasis.

Dėl mitozės susidaro 2 identiškos diploidinės ląstelės.

Kariokenezė yra branduolio dalijimasis

Citokenezė yra citoplazmos ir pačios ląstelės dalijimasis

Amitozė yra tiesioginis branduolio dalijimasis, dėl kurio susidaro ląstelė su dviem branduoliais, šis tipas būdingas raumenų ląstelėms ir jungiamiesiems audiniams.

Tai būtina norint visapusiškai organizuoti ląstelių darbą.

Jei tokia ląstelė staiga dalijasi, naujose ląstelėse bus neišsamus genetinis rinkinys, dėl kurio jos mirs arba taps patogenais.

Mejozė

Tai netiesioginis lytinių ląstelių dalijimasis, dėl kurio susidaro 4 haploidinės dukterinės ląstelės su skirtingomis genetinėmis medžiagomis. Tai yra pagrindinis lytinių ląstelių formavimosi etapas.

Biologinė mejozės reikšmė:

1. Mejozės dėka susidaro genetiškai skirtingos gametos

2. Somatinėse ląstelėse išlaikomas diploidinio chromosomų rinkinio pastovumas

3. Mejozės dėka 1 ląstelė gamina 4 naujas ląsteles

Mejozė apima 2 skyrius:

Sumažėjimas – šio dalijimosi metu mažėja chromosomų skaičius

Lygtis – vyksta taip pat, kaip ir mitozė

Interfazė vyksta taip pat, kaip ir mitozė, ty DNR padvigubėja besidalijančios ląstelės branduolyje.

1 mejozinis padalijimas

Profazė yra sudėtingiausia ir ilgiausia mejozės fazė, nes čia atsiranda 2 papildomi procesai.

1- Konjugacija yra artimas homologinių chromosomų požiūris, dėl kurio susidaro 4 chromatidės, sujungtos 1 centromeru, ir tokia struktūra bus vadinama dvivalenčia. Tada įvyksta kryžminimas tarp chromosomų, kurios yra sujungtos į dvivalentę.

2- Crossing over – keitimasis chromosomų sekcijomis. Dėl šių procesų įvyksta 1 geno rekombinacija

Metafazė - čia, ląstelės pusiaujuje, dvivalentės sudaro metafazės plokštelę, per kurios centromerus taip pat praeina verpstės siūlai

Anafazė – skirtingai nei mitozė, čia ištisos chromosomos išsisklaido į ląstelės polius. Čia vyksta 2 genų rekombinacijos

Telofazė – gyvūnų ir kai kurių augalų chromosomos pradeda išsivynioti, poliuose pasidengia branduoline membrana ir suskaidomos į 2 ląsteles (tik gyvūnų)

Augaluose po anafazės iškart atsiranda 2 fazė.

Interfazė būdinga tik gyvūnams; skirtingai nei mitozės tarpfazė, paveldimos informacijos nepadaugėja

2 mejozės skyrius apima profazę, metafazę, telofazę, anafazę, kurios vyksta lygiai taip pat, kaip ir mitozėje, bet su mažiau chromosomų.

Nelytinis dauginimasis.

Tai reprodukcijos rūšis, kuriai būdingi:

2. Dalyvauja 1 asmuo

3. atsiranda palankiomis sąlygomis

4. visi organizmai pasirodo vienodi

5. išlaiko stabiliai nekintančių sąlygų savybes ir charakteristikas

Biologinė reikšmė:

1. būtini identiškų anatominių savybių organizmams atsirasti

2. evoliucine prasme nelytinis dauginimasis nėra pelningas, tačiau dėl šio dauginimosi individų skaičius populiacijoje per trumpą laiką padidėja

Nelytinio dauginimosi tipai:

Mitozinis dalijimasis – vyksta dėl mitozės (amebos, dumbliai, bakterijos...)

Sporuliacija vyksta per sporas, specializuotas grybų ir augalų ląsteles. Jei sporoje yra žiogelis, tada ji vadinama zoospora ir būdinga vandens aplinkai (sporos, grybai, kerpės..)

Kuprotėjimas - ant motininio individo atsiranda atauga - pumpuras (yra dukterinis branduolys), iš kurio išsivysto naujas individas.Užauga ir pasiekia motininio individo dydį, tik tada nuo jo atsiskiria (Hydra, mielių grybai, čiulpia blakstienas)

Vegetatyvinis – būdingas daugeliui augalų grupių, naujas individas išsivysto arba iš specialių struktūrų, arba iš motininio individo dalies.

Kai kurie daugialąsčiai gyvūnai taip pat turi vegetatyvinį dauginimąsi (kempinės, jūrų žvaigždės, plokščiosios kirmėlės)

Lytinis dauginimasis

Charakteristika:

Dalyvauja 1,2 organizacijos

2. dalyvauja lytinės ląstelės

3. vaikai pasirodo įvairūs

4. evoliuciniais terminais jis pasirodė vėliau nei aseksualus

5. atsiranda nepalankiomis sąlygomis

Biologinė reikšmė:

1. palikuonys geriau prisitaiko prie kintančių aplinkos sąlygų ir yra gyvybingesni

2. atsiranda naujų organizmų

Patogenezė (nekaltas dauginimasis)

Dukteriniai organizmai vystosi iš neapvaisintų kiaušinėlių.

Patogenezės prasmė:

1. Daugintis galima retai kontaktuojant skirtingų lyčių organizmams

2. Būtinas norint padidinti populiacijų, kuriose yra didelis mirtingumas, skaičių

3. Dėl sezoninio kai kurių populiacijų skaičiaus padidėjimo

1. Privalomas (privalomas) – randamas populiacijose, kuriose tik patelės (Kaukazo uolų driežas)

2. Ciklinis (sezoninis) – būdingas amarams, planktonui, dafnijoms, aptinkamas populiacijose, kurios tam tikru sezonu isteriškai išnyksta.

3. Fakultatyvinis (neprivalomas) – aptinkamas socialiniuose vabzdžiuose. Patinai atsiranda iš neapvaisintų kiaušinėlių, o darbininkai – iš apvaisintų kiaušinėlių.

Lytinių ląstelių vystymasis

Gametogenezė

Gametos yra lytinės ląstelės, kurios susilieja ir sudaro zigotą, iš kurios išsivysto naujas organizmas.

Skirtumas tarp somatinių ląstelių ir lytinių ląstelių:

1 gametos turi haploidinį chromosomų rinkinį, o somatinės – diploidą

2. gametos nesiskiria, o somatinės dalijasi

3. gametos, ypač kiaušinėliai, didesni už somatines ląsteles

Gametogenezė yra lytinių ląstelių susidarymas lytinių liaukų genadose (kiaušidėse, sėklidėse).

Oogenezė yra gametogenezė, kuri vyksta moters kūne ir veda prie moteriškų lytinių ląstelių (kiaušialąsčių) susidarymo.

Spermatogenezė yra gametogenezė, vykstanti vyriškame kūne ir dėl kurios susidaro vyriškos lytinės ląstelės (sperma).

Gametogenezė susideda iš kelių etapų:

1. Dauginimasis – čia iš pirminių lytinių ląstelių, kurios vadinamos spermatogonijomis ir oogonijomis, per mitozę didėja būsimų lytinių ląstelių skaičius. Spermatogonijos dauginasi per visą reprodukcinį laikotarpį vyriškame kūne.

Moters kūne 1 stadija pasireiškia nuo 2 iki 5 mėnesių intrauterinio vystymosi.

2. Augimas – pirminės lytinės ląstelės didėja ir virsta pirmos eilės oocitais ir spermatocitais. Šios ląstelės susidaro tarpfazėje. Šiame etape prasideda mejozė.

3. Brandinimas – vyksta dviem iš eilės dalimis – redukcija ir lygtimi. Dėl 1-ojo mejozės dalijimosi susidaro antros eilės oocitai ir spermatocitai, po II-ojo mejozės dalijimosi iš spermatocitų susidaro 4 spermatoidai.

Iš antros eilės oocitų susidaro 1 didelis kiaušinėlis ir 3 redukcijos kūnai. Taip yra dėl to, kad visa energija ir maistinės medžiagos atitenka 1 stambios gametos susidarymui, o likusioms 3 ląstelėms susiformuoti neužtenka jėgų.

Todėl atkūrimo kode yra padalinti 3 redukcijos kūnai

4. Formavimasis – šioje stadijoje auga, vystosi spermatidai, t.y. pilnai susiformavusios lytinės ląstelės, įgyja žiuželį ir suaugusios lytinės ląstelės formą. Spermatidai gaminami iš spermatozoidų.

Spermatozoidai susidaro iš galvos, kaklo ir uodegos.

Kiaušinis panašus į somatinę ląstelę, tik yra didesnio dydžio ir turi papildomų membranų.

Tręšimas

Tai yra lytinių ląstelių susiliejimo procesas, dėl kurio susidaro zigota – tai pirmoji naujo organizmo ląstelė.

1. Išorinis – tokiu apvaisinimo būdu patelė atideda žaidimą, o patinas palaisto ją sėklų skysčiu. Šis tipas pasitaiko tik vandens aplinkoje. Nereikia jokių specialių reprodukcinių struktūrų, susidaro daug paveldimos medžiagos, o palikuonių išgyvenamumas yra minimalus.

2. Vidinis – šio tipo vyriškos reprodukcinės ląstelės dedamos į moters reprodukcinį traktą. Šis tipas reikalauja specialių reprodukcinių struktūrų. Gaminama mažiau paveldimų medžiagų. Padidėja palikuonių išgyvenamumas. Vos patekusios į patelės dauginimosi taką vyriškos lyties ląstelės tikslingai juda kiaušinėlio link, vienam iš spermatozoidų prasiskverbus į kiaušialąstę sutankėja jo membranos ir jis tampa nebepasiekiamas kitiems spermatozoidams. Tai būtina norint išlaikyti organizmų diploidiškumą.

Dvigubas tręšimas

Būdinga tik gaubtasėkliams. Kuokeliuose pirminės vyriškos lytinės ląstelės dalijasi mejozės būdu, sudarydamos 4 mikrosporas, kiekviena mikrospora vėl suskirstoma į 2 ląsteles (vegetatyvines ir generatyvines)

Šios ląstelės yra padengtos dviguba membrana, sudarydamos žiedadulkių grūdus

Piestelėje iš pirminės moteriškos ląstelės mejozės būdu susidaro 1 megaspora ir 3 ląstelės miršta. Gauta megaspora vis dar yra padalinta į 2 ląsteles, 1 užima centrinę vietą sporoje, o 2 nusileidžia

Žiedadulkės nukrenta ant piestelės stigmos, vegetatyvinė ląstelė sudygsta, suformuodama žiedadulkių vamzdelį į kiaušidę. Per šį vamzdelį nusileidžia generacinė ląstelė, kuri dalijasi į 2 spermatozoidus. 1 sperma apvaisina centrinę ląstelę, iš kurios susidaro endospermas.

2 spermatozoidai apvaisina antrąją ląstelę, iš kurios išsivysto embrionas.

Ontogenezė

Tai individualus zigotos (organizmo) vystymasis iki jo mirties. Terminą 1866 m. nustatė Ernestas Haeckelis

Žinduolių otnogenezę reguliuoja nervų ir endokrininės sistemos

1. Lerva – šio tipo, išlindęs iš kiaušinių lukštų, organizmas tam tikrą laiką išlieka lervos stadijoje, vėliau patiria metamorfozę (virsta suaugusiu žmogumi)

2. Kiaušialąstė – tokio vystymosi metu organizmas ilgai išlieka kiaušinėlių membranose ir nėra lervos stadijos

3. Intrauterinis - čia kūno vystymasis vyksta motinos kūno viduje

Ontogenezės laikotarpiai:

1. Embrioninis (intrauterinis) nuo pastojimo iki gimimo

2. Postembrioninis – nuo ​​gimimo iki mirties

Embrioninis laikotarpis

3 raidos etapai

1. Smulkinimas

Prasideda praėjus kelioms valandoms po apvaisinimo. Čia zigota pradeda mitotiškai dalytis į 2 ląsteles (blastomeras).Šios ląstelės nesiskiria ir neauga. Tada šios ląstelės vėl dalijasi ir suformuoja 4 ląsteles, ir tai tęsiasi tol, kol susiformuoja 32 ląstelės, kol susidaro morula – tai embrionas, susidedantis iš 32 mažų avietę primenančių ir zigotos dydžio ląstelių.

Ši morula išilgai kiaušintakio nusileidžia į gimdos ertmę ir implantuojasi į jos sienelę. Tai įvyksta praėjus 6 valandoms po apvaisinimo.

Tada morulės ląstelės toliau dalijasi ir susidaro blastula - tai embrionas susidedantis iš kelių šimtų ląstelių, išsidėsčiusių 1 sluoksnyje.Blastula turi ertmę ir jos dydis yra toks pat kaip zigotos

2. Gastruliacija

Sudėtyje yra blastula ir gastrula

Blastula ir toliau dalijasi, o viename gale ląstelių dalijimasis yra intensyvesnis. Tai veda prie šių ląstelių įsiskverbimo į blastulę, t.y. susidaro gastrula.

Gastrula yra dviejų sluoksnių embrionas su pirmine burna, kuri žinduoliuose ir aukštesniuose organizmuose vystymosi metu virsta išange. O tikroji burna susidaro kitame gale. Gastrulos ertmė yra pagrindinė ląstelė.

Išorinis ląstelių sluoksnis yra ektoderma (1 gemalo sluoksnis)

Vidinis ląstelių sluoksnis yra endodermas (2 pakuotės lapai)

Tada tarp ektodermos ir endodermos abiejuose pirminės burnos galuose simetriškai susidaro 3 gemalo sluoksniai (mezoderma).

3.Organogenezė

Šiame etape susidaro neurula, o nugarinėje embriono dalyje išorinis ląstelių sluoksnis sudaro griovelį, kuris uždaro ir suformuoja nervinį vamzdelį. Lygiagrečiai su šiuo procesu iš endodermos susidaro žarnyno vamzdelis. O iš mezodermos susidaro notochordas. Iš ektodermos formuojasi nervų sistema ir jutimo organai, taip pat morkos epitelis ir jo dariniai (plaukai, nagai).

endodermas – sudaro virškinimo sistemą ir virškinimo liaukas, kvėpavimo sistemą ir skydliaukę.

4. Mezoderma

Susidaro raumenų ir kaulų sistema, kraujotakos, šalinimo ir reprodukcinės sistemos.

Postembrioninis laikotarpis

Poembrioninis vystymasis gali vykti dviem būdais:

Tiesioginis ir netiesioginis: su visiška ir nepilna transformacija

Tiesioginis vystymasis būdingas paukščiams, žuvims, žinduoliams ir žmonėms. Naujas individas, gimęs ir išlindęs iš kiaušinių lukštų, yra panašus į suaugusį individą, bet mažo dydžio, skirtingų proporcijų, neišsivysčiusios nervų ir reprodukcinės sistemos, taip pat gali skirtis ir dangalas.

Poembrioninio vystymosi metu toliau vystosi nervų ir reprodukcinės sistemos. Dangtis keičiasi, o kūnas yra treniruojamas ir lavinamas.

Netiesioginis vystymasis – šio tipo lervos stadija yra poembrioniniame vystyme. Lerva mažai ar visai nepanaši į suaugusįjį. Ji intensyviai auga, vystosi ir valgo daug maisto.

Šio tipo netiesioginio vystymosi metu organizmas, išlindęs iš kiaušinėlio, pereina lervos stadiją, kuri virsta lėliuke, o lerva visiškai subyrės į organinius junginius, iš kurių bus kuriamas naujas organizmas. (imago) išnyra iš lėliukės.

kiaušinis-lerva-lėliukė-imago

Varliagyviai ir kai kurie vabzdžiai vystosi nevisiškai transformuodamiesi

Čia lėliukės nėra, o lervos stadijoje vyksta metamorfozė.

Kiaušinis-lerva-suaugęs

26. Žmogaus padėtis gyvūnų pasaulio sistemoje.

Agreguotos medžiagos būsenos: kieta, skysta ir dujinė. Kristalinės ir amorfinės būsenos. Kristalinės grotelės

Biologija. Bendroji biologija. 10 klasė. Pagrindinis lygis Sivoglazovas Vladislavas Ivanovičius

16. Metabolizmas ir energijos konversija. Energijos mainai

Prisiminti!

Kas yra medžiagų apykaita?

Iš kokių dviejų tarpusavyje susijusių procesų jis susideda?

Kur žmogaus organizme suyra dauguma su maistu gaunamų organinių medžiagų?

Metabolizmas ir energija. Pagrindinė bet kurio organizmo gyvavimo sąlyga yra medžiagų ir energijos mainai su aplinka. Kiekvienoje ląstelėje nuolat vyksta sudėtingi procesai, kurių tikslas yra palaikyti ir užtikrinti normalų pačios ląstelės ir viso organizmo funkcionavimą. Sintetinami kompleksiniai didelės molekulinės masės junginiai: iš aminorūgščių susidaro baltymai, iš paprastų cukrų – polisacharidai, iš nukleotidų – nukleorūgštys. Ląstelės dalijasi ir formuoja naujas organeles, iš ir į ląstelę aktyviai pernešamos įvairios medžiagos. Nervinėmis skaidulomis perduodami elektros impulsai, susitraukia raumenys, palaikoma pastovi kūno temperatūra – visa tai, kaip ir daugelis kitų organizme vykstančių procesų, reikalauja energijos. Ši energija susidaro skaidant organines medžiagas. Didelės molekulinės masės junginių skilimo reakcijų rinkinys, kurį lydi energijos išsiskyrimas ir saugojimas, paskambino energijos apykaitą arba disimiliacija . Energija daugiausia kaupiama universalaus daug energijos sunaudojančio junginio – ATP – pavidalu.

Adenozino trifosforo rūgštis (ATP) – tai nukleotidas, susidedantis iš azoto bazės (adenino), ribozės cukraus ir trijų fosforo rūgšties liekanų (53 pav.). ATP yra pagrindinė ląstelės energijos molekulė, savotiškas energijos kaupiklis. Visus procesus gyvuose organizmuose, kuriems reikia energijos sąnaudų, lydi ATP molekulės pavertimas ADP (adenozino difosforo rūgštimi). Pašalinus fosforo rūgšties likutį, išsiskiria didelis energijos kiekis – 40 kJ/mol. ATP molekulėje yra dvi tokios didelės energijos (vadinamosios didelės energijos) jungtys. ATP struktūros atkūrimas iš ADP ir fosforo rūgšties vyksta mitochondrijose ir kartu su energijos absorbcija.

Organinių medžiagų atsargos, kurias organizmas naudoja energijai gauti, turi būti nuolat papildytos maistu, kaip tai atsitinka gyvūnams, arba sintezės būdu iš neorganinių medžiagų (augalų). Visų gyvuose organizmuose vykstančių biosintetinių procesų visuma, paskambino plastiko mainai arba asimiliacija . Plastikinius mainus visada lydi energijos absorbcija. Pagrindiniai plastinės apykaitos procesai yra baltymų biosintezė (§ 13) ir fotosintezė (§ 17).

Ryžiai. 53. ATP molekulės struktūra ("~" ženklas rodo didelės energijos ryšį)

Taigi energijos mainų procese organiniai junginiai suskaidomi ir kaupiama energija, o plastinių mainų metu sunaudojama energija ir sintetinamos organinės medžiagos. Energijos ir plastinių mainų reakcijos yra neatsiejamai susijusios, kartu sudarydamos vieną procesą - medžiagų apykaitą ir energiją , arba medžiagų apykaitą . Metabolizmas nuolat vyksta visose ląstelėse, audiniuose ir organuose, išlaikant vidinės kūno aplinkos pastovumą - homeostazė.

Energijos mainai. Daugumai mūsų planetos organizmų funkcionuoti reikalingas deguonis. Tokie organizmai vadinami aerobinis. Energijos apykaita aerobuose vyksta trimis etapais: paruošiamuoju, be deguonies ir deguonies. Esant deguoniui, organinės medžiagos kvėpuojant visiškai oksiduojasi iki anglies dioksido ir vandens, dėl to kaupiasi daug energijos.

Anaerobiniai organizmai gali išgyventi be deguonies. Kai kuriems iš jų deguonis apskritai yra destruktyvus, todėl jie gyvena ten, kur deguonies visai nėra, pavyzdžiui, stabligės sukėlėjo. Kiti, vadinamieji fakultatyviniai anaerobai, gali egzistuoti ir be deguonies, ir esant jam. Energijos apykaita anaerobiniuose organizmuose vyksta dviem etapais: paruošiamuoju ir be deguonies, todėl organinės medžiagos nėra visiškai oksiduojamos ir sukaupiama daug mažiau energijos.

Panagrinėkime tris energijos apykaitos etapus (54 pav.).

Parengiamasis etapas. Šis etapas vyksta virškinimo trakte ir ląstelių lizosomose. Čia, veikiant virškinimo fermentams, didelės molekulinės masės junginiai skyla į paprastesnius, mažos molekulinės masės junginius: baltymai – į aminorūgštis, polisacharidai – į monosacharidus, riebalai – į glicerolį ir riebalų rūgštis. Šių reakcijų metu išsiskirianti energija nėra kaupiama, o išsklaidoma kaip šiluma. Mažos molekulinės masės medžiagas, susidariusias parengiamajame etape, organizmas gali panaudoti savo organiniams junginiams sintetinti, t.y. patekti į plastinę apykaitą arba toliau skaidytis, kad kauptų energiją.

Ryžiai. 54. Energijos apykaitos etapai

Stadija be deguonies. Antrasis etapas vyksta ląstelių citoplazmoje, kur toliau skaidomos paprastos organinės medžiagos. Pirmajame etape susidariusių aminorūgščių organizmas vėlesniuose disimiliacijos etapuose nenaudoja, nes jam jų reikia kaip medžiagos savo baltymų molekulių sintezei. Todėl baltymai energijai gauti naudojami labai retai, dažniausiai tik tada, kai jau išeikvotos likusios atsargos (angliavandeniai ir riebalai). Paprastai labiausiai prieinamas energijos šaltinis ląstelėje yra gliukozė.

Sudėtingas daugiapakopis gliukozės skaidymo be deguonies procesas antrajame energijos apykaitos etape glikolizė(iš graikų kalbos glikozės– saldus ir lizė– padalijimas).

Dėl glikolizės gliukozė suskaidoma į paprastesnius organinius junginius (gliukozė C 6 H 12 O 6 - piruvinė rūgštis C 3 H 4 O 3). Taip išsiskiria energija, kurios 60 % išsklaido kaip šiluma, o 40 % panaudojama ATP sintezei. Suskaidžius vieną gliukozės molekulę, susidaro dvi ATP molekulės ir dvi piruvo rūgšties molekulės. Taigi antrajame disimiliacijos etape kūnas pradeda kaupti energiją.

Tolesnis piruvo rūgšties likimas priklauso nuo deguonies buvimo ląstelėje. Jei yra deguonies, tada piruvo rūgštis patenka į mitochondrijas, kur visiškai oksiduojasi iki CO 2 ir H 2 O ir vyksta trečioji, deguonies energijos apykaitos stadija (žr. toliau).

Trūkstant deguonies, atsiranda vadinamasis anaerobinis kvėpavimas, kuris dažnai vadinamas fermentacija. Mielių ląstelėse alkoholinės fermentacijos metu piruvo rūgštis (PVA) virsta etilo alkoholiu (PVA? Etilo alkoholis + CO 2).

Pieno rūgšties fermentacijos metu iš PVC susidaro pieno rūgštis. Šis procesas gali vykti ne tik pieno rūgšties bakterijose. Atliekant sunkų fizinį darbą, žmogaus raumeninio audinio ląstelėse trūksta deguonies, todėl susidaro pieno rūgštis, kurios kaupimasis sukelia nuovargio jausmą, skausmą, o kartais net mėšlungį.

Deguonies stadija. Trečiajame etape produktai, susidarę skaidant gliukozę be deguonies, oksiduojami iki anglies dioksido ir vandens. Taip išsiskiria didelis kiekis energijos, kurios nemaža dalis sunaudojama ATP sintezei. Šis procesas vyksta mitochondrijose ir vadinamas ląstelinis kvėpavimas. Ląstelinio kvėpavimo metu, oksiduojant dvi PVC molekules, išskiriama energija, kurią organizmas sukaupia 36 ATP molekulių pavidalu.

Taigi energijos apykaitos procese, kai viena gliukozės molekulė visiškai oksiduojasi iki anglies dioksido ir vandens, susidaro 38 ATP molekulės (2 molekulės glikolizės procese ir 36 ląstelių kvėpavimo procese mitochondrijose):

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 38ADP + 38F 6CO 2? 6H2O + 38ATP.

Anaerobinėmis sąlygomis energijos apykaitos efektyvumas yra daug mažesnis – tik 2 ATP molekulės. Fermentacijos produktai (etilo alkoholis, pieno rūgštis, sviesto rūgštis) vis dar išlaiko daug energijos savo cheminiuose ryšiuose, t.y. deguonies disimiliacijos kelias yra energetiškai palankesnis. Tačiau istoriškai fermentacija yra senesnis procesas. Jis galėjo būti atliktas net tada, kai senovės Žemės atmosferoje nebuvo laisvo deguonies.

Peržiūrėkite klausimus ir užduotis

1. Kas yra disimiliacija? Išvardykite jo etapus.

2. Koks yra ATP vaidmuo ląstelių metabolizme?

3. Kokios ląstelių struktūros vykdo ATP sintezę?

4. Paaiškinkite energijos apykaitą ląstelėje, kaip pavyzdį naudodami gliukozės skilimą.

5. Nubraižykite scheminę disimiliacijos proceso schemą, vienoje diagramoje apibendrindami visus galimus pastraipos tekste nurodytus jo variantus (įskaitant fermentaciją).

6. Žodžių „disimiliacija“ ir „asimiliacija“ sinonimai yra terminai „katabolizmas“ ir „anabolizmas“. Paaiškinkite šių terminų kilmę.

Pagalvok! Daryk!

1. Paaiškinkite, kodėl valgant per daug maisto atsiranda nutukimas.

2. Kodėl energijos mainai negali egzistuoti be plastiko mainų?

3. Kodėl manote, kad po sunkaus fizinio darbo, norint greitai numalšinti raumenų skausmus, rekomenduojama išsimaudyti šiltoje vonioje?

Darbas kompiuteriu

Žiūrėkite elektroninę paraišką. Išstudijuokite medžiagą ir atlikite užduotis.

Iš knygos Tarnybinis šuo [Tarnybinių šunų auginimo specialistų rengimo vadovas] autorius Krušinskis Leonidas Viktorovičius

3. Metabolizmas kaip gyvybės pagrindas „Gyvybė yra baltyminių kūnų egzistavimo forma“, – rašė F. Engelsas. Todėl galime sakyti, kad baltymai yra gyvybės nešėjas. Baltymai yra sudėtinga medžiaga, susidedanti iš daugelio elementų, įskaitant azoto buvimą.

Iš knygos Amžiaus anatomija ir fiziologija autorius Antonova Olga Aleksandrovna

10 tema. MEDŽIAGOS IR ENERGIJOS AMŽIAUS SAVYBĖS 10.1. Medžiagų apykaitos procesų charakteristikos Metabolizmas ir energija yra organizmo gyvybinių procesų pagrindas. Žmogaus organizme, jo organuose, audiniuose, ląstelėse vyksta nenutrūkstamas sintezės procesas, t.y.

Iš knygos Biologija [Visas žinynas ruošiantis vieningam valstybiniam egzaminui] autorius Lerneris Georgijus Isaakovičius

Iš knygos „Stop, kas vadovauja? [Žmonių ir kitų gyvūnų elgesio biologija] autorius Žukovas. Dmitrijus Anatoljevičius

Iš knygos Pasakojimai apie bioenergiją autorius Skulačiovas Vladimiras Petrovičius

Iš knygos Biologija. Bendroji biologija. 11 klasė. Pagrindinis lygis autorius Sivoglazovas Vladislavas Ivanovičius

Iš knygos Žmogaus paveldimumo paslaptys autorius Afonkinas Sergejus Jurjevičius

Iš knygos Antropologija ir biologijos sampratos autorius Kurchanovas Nikolajus Anatoljevičius

Iš knygos Biologinė chemija autorius Lelevičius Vladimiras Valerjanovičius

Iš autorės knygos

ANGLIAVANDENIŲ METODIKA Dar kartą pabrėžtina, kad organizme vykstantys procesai reprezentuoja vientisą visumą ir tik dėl pateikimo patogumo bei suvokimo lengvumo vadovėliuose ir žinynuose aptariami atskiruose skyriuose. Tai taip pat taikoma skirstymui į

Iš autorės knygos

2 skyrius. Kas yra energijos apykaita? Kaip ląstelė gauna ir naudoja energiją Norint gyventi, reikia dirbti. Ši kasdienė tiesa yra tinkama bet kuriai gyvai būtybei. Visi organizmai: nuo vienaląsčių mikrobų iki aukštesnių gyvūnų ir žmonių – nuolat veikia

Iš autorės knygos

25. Maisto ryšiai. Medžiagos ir energijos ciklas ekosistemose Prisiminkite! Kokie esminiai komponentai yra bet kuriai ekosistemai? Gyvi organizmai nuolat sąveikauja tarpusavyje ir su aplinkos veiksniais, sudarydami tvarią

Iš autorės knygos

Metabolizmas Mūsų ligos tebėra tokios pat kaip prieš tūkstančius metų, tačiau gydytojai joms rado brangesnius pavadinimus. Liaudies išmintis – Aukštas cholesterolio kiekis gali būti paveldimas – Ankstyvas mirtingumas ir už cholesterolio panaudojimą atsakingi genai – Ar tai paveldima

Iš autorės knygos

2.3. Metabolizmas ir energija Visas gyvuose organizmuose vykstančių cheminių reakcijų rinkinys vadinamas metabolizmu arba metabolizmu. Dėl šių reakcijų cheminiuose ryšiuose sukaupta energija virsta kitomis formomis, t.y., medžiagų apykaita visada vyksta

Iš autorės knygos

10 skyrius. Energijos apykaita. Biologinė oksidacija Termodinamikos požiūriu gyvi organizmai yra atviros sistemos. Galimi energijos mainai tarp sistemos ir aplinkos, kurie vyksta pagal termodinamikos dėsnius. Kiekvienas ekologiškas

Visi gyvi organizmai keičiasi medžiagomis su išorine aplinka. Ląstelėse nuolat vyksta biosintezės procesai. Fermentų dėka iš paprastų medžiagų susidaro kompleksiniai junginiai: iš aminorūgščių sintetinami baltymai, iš monosacharidų – kompleksiniai angliavandeniai, iš azotinių bazių – nukleorūgštys. Chemiškai transformuojant gana paprastas medžiagas susidaro įvairūs riebalai ir aliejai. Chitinas – išorinis nariuotakojų dangalas, formuojantis chitiną – kompleksinį polisacharidą (p. 7), paukščių ir žinduolių išorinis dangalas – raginė medžiaga, kurios pagrindas – baltymas keratinas. Galiausiai susintetinamų didelių organinių molekulių sudėtį lemia genotipas. Susintetintos medžiagos augimo metu naudojamos ląstelėms ir jų organelėms konstruoti bei panaudotoms ar sunaikintoms molekulėms pakeisti. Be išimties visos biosintezės sąveikos vyksta įsisavinant energiją.

Plastikiniai mainai

Plastinė medžiagų apykaita, kitaip vadinama biosinteze arba anabolizmu, šie mainai vyksta tik ląstelėje. Plastinis metabolizmas yra trijų tipų: fotosintezė, chemosintezė ir baltymų biosintezė. Fotosintezę naudoja augalai ir tik kai kurios bakterijos (cianobakterijos). Tokie organizmai vadinami autotrofais. Chemosintezę naudoja tam tikros bakterijos, įskaitant anaerobines. Tokie organizmai vadinami chemotrofais. Gyvūnai ir grybai priskiriami heterotrofinėms būtybėms.

Fotosintezė

Fotosintezės procesas vyksta per reakciją, kurios metu iš anglies dioksido ir vandens susidaro gliukozė ir deguonis. Fotosintezė turi dvi fazes – šviesiąją ir tamsiąją. Šviesiosios fazės metu fotosintezės procesas vyksta chloroplasto granulėje, o tamsiojoje fazėje – chloroplasto stromoje. (žr. 7 priedą). Be saulės energijos fotosintezė neturėtų reikšmės, todėl tai yra svarbus veiksnys. Šio proceso metu iš šešių deguonies molekulių ir vienos gliukozės molekulės susidaro šešios anglies dioksido ir vandens molekulės. Chloroplastuose vyksta fotosintezės procesas, organelėse randamas chlorofilas, kurio dėka vyksta sintezė.

6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2

Chemosintezė

Chemosintezė būdinga tokioms bakterijoms kaip sieros, nitrifikuojančios ir geležies bakterijos. Bakterijos naudoja energiją, gautą medžiagų oksidacijos procese, kad anglies dioksidą redukuotų į organinius junginius. (žr. 8 priedą) Sieros bakterijos oksiduoja tokias medžiagas kaip vandenilio sulfidas, nitrifikuojančios bakterijos – amoniaką, o geležies bakterijos – geležies oksidą.

Baltymų biosintezė

Plastinis metabolizmas yra baltymų sintezė ląstelėje. „Exchange“ turi du pagrindinius procesus: transkripciją ir vertimą.

Transkripcija - Tai yra pasiuntinio RNR sintezės procesas naudojant DNR pagal komplementarumo principą. (žr. 9 priedą)

Transkripcija turi tris etapus:

Pirminis nuorašo formavimas

Apdorojimas

Sujungimas

Transliacija - informacijos apie baltymo struktūrą perdavimas iš pasiuntinio RNR į susintetintą polipeptidą. (žr. 10 priedą)Šis procesas vyksta ribosomos citoplazmoje. Transliacija vyksta keturiais etapais. Pirmajame etape aminorūgštys aktyvinamos specialiu fermentu - aminoacilo T-RNR sintetaze. Šiam procesui naudojama energija ATP pavidalu. Tada susidaro minoaciladenilatas. Po to vyksta aktyvuotos aminorūgšties gretimos procesas su pernešančia RNR ir išsiskiria AMP. Be to, trečiojo etapo metu susidaręs kompleksas prisijungia prie ribosomos. Tada aminorūgštys tam tikra seka įtraukiamos į baltymo struktūrą, po kurios išsiskiria pernešimo RNR.

Energijos mainai

Energijos apykaita dar vadinama katabolizmu. Plastinė ir energijos apykaita yra labai susijusios, nes plastinei apykaitai (anabolizmui) vykdyti reikalinga energija, kurią ląstelė gauna katabolizmo būdu. Naudodama šį procesą ląstelė sintetina reikalingas nukleino rūgštis, baltymus, angliavandenius ir kt. Energijos apykaita – tai procesas, kurio metu sudėtingos struktūros medžiagos suskaidomos į paprastesnes arba oksiduojamos, dėl ko organizmas įgyja egzistavimui reikalingos energijos. Yra trys energijos apykaitos etapai:

Parengiamasis etapas

Anaerobinė stadija – glikolizė (be deguonies)

Aerobinis etapas - ląstelių kvėpavimas (dalyvaujant deguoniui)

Parengiamasis etapas

Šiame etape polimerai paverčiami monomerais, tai yra, tokie junginiai kaip baltymai, angliavandeniai ir lipoidai suskaidomi į paprastesnius. Šis procesas vyksta už ląstelės ribų, virškinimo sistemos organuose. Šiame energijos apykaitos etape deguonis nereikalingas. Vykstant reakcijoms baltymai skyla į aminorūgštis, kompleksiniai angliavandeniai – į paprastus monosacharidus, o lipidai – į glicerolį ir aukštesnes rūgštis. Šis etapas taip pat vyksta ląstelės lizosomose.

Anaerobinis etapas

Šis etapas kitaip vadinamas fermentacija arba glikolize. Parengiamajame etape susidariusios medžiagos – gliukozė, aminorūgštys ir kt. – vėliau fermentiškai skaidomos nedalyvaujant deguoniui. Angliavandeniai daugiausia fermentuojami. Šiame katabolizmo etape naudojamų cheminių reakcijų metu susidaro alkoholiai, anglies dioksidas, acetonas, organinės rūgštys, kai kuriais atvejais vandenilis ir kitos medžiagos. Glikolizė – tai ląstelės citoplazmoje vykstantis gliukozės skaidymas anaerobinėmis sąlygomis iki piruvo rūgšties (PVA), vėliau į pieno, acto, sviesto rūgštis arba etilo alkoholį. Dalijimosi be deguonies metu dalis išsiskiriančios energijos išsisklaido šilumos pavidalu, o dalis kaupiama ATP molekulėse. Dažna gyvūnų ir grybelių ląstelių reakcija yra piruvo rūgšties išsiskyrimas.

Pagrindinė cheminė reakcija šiame etape atrodo taip:

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

Šio proceso metu susidaro dvi ATP molekulės.

Aerobinis etapas

Šis etapas vyksta mitochondrijose. (žr. 11 priedą)Šiame etape medžiagos oksiduojasi, dėl ko išsiskiria tam tikras energijos kiekis. Tame pačiame procese dalyvauja deguonis. Deguonis transportuojamas naudojant raudonuosius kraujo kūnelius, kuriuose yra hemoglobino. Ankstesniuose etapuose gautas medžiagas ląstelė suskaido iki paprasčiausio, tai yra iki anglies dioksido ir vandens. Lizosomose esantys fermentai oksiduoja organinius junginius ląstelėje. ADP – adenozino difosfatas – medžiaga, kuri taip pat būtina energijos gamybai dėl ląstelių kvėpavimo. Pagrindinė cheminė reakcija šiame etape atrodo taip:

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

Šio proceso metu susidaro 36 ATP molekulės.

Iš šios lygties matote, kad šiame etape išsiskiria nemažas energijos kiekis. Be to, šiame etape gali įvykti visiškos piruvo rūgšties oksidacijos reakcija, dėl kurios taip pat išsiskiria energija, tačiau mažesniais kiekiais.

Vadinasi, visiškai suskaidžius vieną gliukozės molekulę, ląstelė gali susintetinti 38 ATP molekules (2 molekules glikolizės metu ir 36 molekules aerobinėje stadijoje). (žr. 12 priedą)

Bendrąją aerobinio kvėpavimo lygtį galima parašyti taip:

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

Išvada

Ląstelė yra labai organizuotas gyvybės vienetas. Medžiagų ir energijos absorbcija, transformacija, saugojimas ir naudojimas vyksta per ląsteles. Būtent ląstelėje vyksta tokie procesai kaip kvėpavimas, fermentacija, fotosintezė ir genetinės medžiagos dubliavimasis. Ir tokie procesai vyksta tiek paprastos sandaros (vienaląsčių), tiek sudėtingos struktūros (daugialąsčių) organizmuose. Visų organizmų gyvenimas priklauso nuo jų ląstelių.

Taikymas

1 priedas

2 priedas

3 priedas

4 priedas

5 priedas

6 priedas

7 priedas

8 priedas

9 priedas

Medžiagų ir energijos apykaita (medžiagų apykaita) vyksta visuose organizmo lygmenyse: ląstelėje, audinyje ir organizme. Ji užtikrina vidinės organizmo aplinkos – homeostazės – pastovumą nuolat kintančiomis egzistavimo sąlygomis. Ląstelėje vienu metu vyksta du procesai – plastinė apykaita (anabolizmas arba asimiliacija) ir energijos apykaita (fatabolizmas arba disimiliacija).

Plastinis metabolizmas yra biosintezės reakcijų rinkinys arba sudėtingų molekulių kūrimas iš paprastų. Ląstelė nuolat sintetina baltymus iš aminorūgščių, riebalus iš glicerolio ir riebalų rūgščių, angliavandenius iš monosacharidų, nukleotidus iš azotinių bazių ir cukrų. Šios reakcijos reikalauja energijos. Naudojama energija išleidžiama keičiantis energijai. Energijos apykaita – tai visuma reakcijų, kurios suskaido sudėtingus organinius junginius į paprastesnes molekules. Dalis šiuo atveju išsiskiriančios energijos atitenka ATP (adenozintrifosforo rūgšties) molekulių, turinčių daug energetinių ryšių, sintezei. Organinių medžiagų skaidymas vyksta citoplazmoje ir mitochondrijose dalyvaujant deguoniui. Asimiliacijos ir disimiliacijos reakcijos yra glaudžiai susijusios viena su kita ir išorine aplinka. Organizmas maistines medžiagas gauna iš išorinės aplinkos. Atliekos išleidžiamos į išorinę aplinką.

Fermentai (fermentai) – tai specifiniai baltymai, biologiniai katalizatoriai, greitinantys medžiagų apykaitos reakcijas ląstelėje. Visi procesai gyvame organizme vyksta tiesiogiai arba netiesiogiai dalyvaujant fermentams. Fermentas katalizuoja tik vieną reakciją arba veikia tik vieno tipo ryšį. Tai užtikrina tikslų visų gyvybinių procesų (kvėpavimo, virškinimo, fotosintezės ir kt.), vykstančių ląstelėje ar organizme, reguliavimą. Kiekvieno fermento molekulėje yra vieta, kuri kontaktuoja tarp fermento molekulių ir konkrečios medžiagos (substrato). Aktyvus fermento centras yra funkcinė grupė (pavyzdžiui, OH – serino grupė) arba atskira aminorūgštis.

Fermentinių reakcijų greitis priklauso nuo daugelio veiksnių: temperatūros, slėgio, aplinkos rūgštingumo, inhibitorių buvimo ir kt.

Energijos apykaitos etapai:

• Parengiamasis- atsiranda ląstelių citoplazmoje. Veikiant fermentams polisacharidai suskaidomi į monosacharidus (gliukozę, fruktozę ir kt.), riebalai – į glicerolį ir riebalų rūgštis, baltymai – į aminorūgštis, o nukleino rūgštys – į nukleotidus. Taip išsiskiria nedidelis energijos kiekis, kuris išsisklaido kaip šiluma.
• Be deguonies(anaerobinis kvėpavimas arba glikolizė) - daugiapakopis gliukozės skilimas nedalyvaujant deguoniui. Tai vadinama fermentacija. Raumenyse dėl anaerobinio kvėpavimo gliukozės molekulė skyla į dvi lyruvo rūgšties (C 3 H 4 O 3) molekules, kurios vėliau paverčiamos pieno rūgštimi (C 3 H 6 O 3). Fosforo rūgštis ir ADP dalyvauja skaidant gliukozę.

  Bendra šio etapo lygtis: C 6 H 12 O 6 + 2H 3 PO 4 + 2ADP -> 2C 3 H 6 O 3 + 2ATP + 2H 2 O

  Mielių grybuose gliukozės molekulė, nedalyvaujant deguoniui, paverčiama etilo alkoholiu ir anglies dioksidu (alkoholinė fermentacija). Kituose mikroorganizmuose glikolizės metu gali susidaryti acetonas, acto rūgštis ir pan.. Suskaidžius vieną gliukozės molekulę susidaro dvi ATP molekulės, kurių ryšiuose sukaupta 40% energijos, likusi energija išsisklaido šilumos forma.

• Kvėpavimas deguonimi- aerobinio kvėpavimo arba deguonies skilimo stadija, kuri vyksta ant vidinės mitochondrijų membranos raukšlių - cristae. Šiame etape ankstesnio etapo medžiagos suskaidomos į galutinius skilimo produktus – vandenį ir anglies dioksidą. Skilus dviem pieno rūgšties molekulėms, susidaro 36 ATP molekulės. Pagrindinė normalios deguonies skilimo eigos sąlyga yra mitochondrijų membranų vientisumas. Kvėpavimas deguonimi yra pagrindinis žingsnis aprūpinant ląsteles deguonimi. Jis yra 20 kartų efektyvesnis nei stadija be deguonies.

  Bendra deguonies padalijimo lygtis yra tokia: 2C 3 H 6 0 3 + 60 2 + 36H 3 PO 4 + 36ADP -> 6CO 2 + 38H 2 O + 36ATP

Pagal energijos gavimo būdą visi organizmai skirstomi į dvi grupes – autotrofinius ir heterotrofinius.

Energijos apykaita augalų, grybų ir gyvūnų aerobinėse ląstelėse vyksta taip pat. Tai rodo jų santykius. Mitochondrijų skaičius audinių ląstelėse skiriasi, tai priklauso nuo ląstelių funkcinio aktyvumo. Pavyzdžiui, raumenų ląstelėse yra daug mitochondrijų.

Riebalų skaidymą į glicerolį ir riebalų rūgštis atlieka fermentai – lipazės. Iš pradžių baltymai suskaidomi į oligopeptidus, o vėliau į aminorūgštis.

Fermentai (iš lot. „fermentum“ - fermentacija, raugas), fermentai, specifiniai baltymai, kurie padidina cheminių reakcijų greitį visų gyvų organizmų ląstelėse. Pagal cheminę prigimtį – baltymai, kurių aktyvumas optimalus esant tam tikram pH, būtinų kofermentų ir kofaktorių buvimas bei inhibitorių nebuvimas. Fermentai taip pat vadinami biokatalizatoriais pagal analogiją su katalizatoriais chemijoje. Kiekvienas fermento tipas katalizuoja tam tikrų medžiagų (substratų), kartais tik vienos medžiagos virsmą viena kryptimi. Todėl daugybę biocheminių reakcijų ląstelėse vykdo daugybė skirtingų fermentų. Jie skirstomi į 6 klases: oksidoreduktazės, transferazės, hidrolazės, liazės, izomerazės ir ligazės. Daugelis fermentų buvo išskirti iš gyvų ląstelių ir gauti kristalinės formos (pirmą kartą 1926 m.).

Fermentų vaidmuo organizme

Fermentai dalyvauja visuose medžiagų apykaitos procesuose ir genetinės informacijos įgyvendinime. Maistinių medžiagų virškinimas ir pasisavinimas, baltymų, nukleino rūgščių, riebalų, angliavandenių ir kitų junginių sintezė ir skaidymas visų organizmų ląstelėse ir audiniuose – visi šie procesai neįmanomi be fermentų dalyvavimo. Bet koks gyvo organizmo funkcijų pasireiškimas – kvėpavimas, raumenų susitraukimas, neuropsichinė veikla, dauginimasis ir kt. – užtikrinamas veikiant fermentams. Tam tikras funkcijas atliekančių ląstelių individualias savybes daugiausia lemia unikalus fermentų rinkinys, kurio gamyba yra genetiškai užprogramuota. Net vieno fermento nebuvimas ar bet koks jo trūkumas gali sukelti rimtų neigiamų pasekmių organizmui.

Katalizinės fermentų savybės

Fermentai yra aktyviausi iš visų žinomų katalizatorių. Dauguma reakcijų ląstelėje vyksta milijonus ir milijardus kartų greičiau nei tuo atveju, jei jos vyktų nesant fermentų. Taigi viena katalazės fermento molekulė per sekundę gali paversti vandeniu ir deguonimi iki 10 tūkstančių ląstelėms toksiško vandenilio peroksido, susidariusio oksiduojant įvairius junginius, molekulių. Katalizinės fermentų savybės atsiranda dėl jų gebėjimo žymiai sumažinti reaguojančių junginių aktyvavimo energiją, tai yra, esant fermentams, tam tikrai reakcijai „paleisti“ reikia mažiau energijos.

Fermentų atradimo istorija

Procesai, vykstantys dalyvaujant fermentams, žmogui žinomi nuo seniausių laikų, nes duonos, sūrio, vyno ir acto ruošimas grindžiamas fermentiniais procesais. Tačiau tik 1833 m. pirmą kartą iš dygstančių miežių grūdų buvo išskirta veiklioji medžiaga, kuri pavertė krakmolą cukrumi ir buvo pavadinta diastaze (dabar šis fermentas vadinamas amilaze). pabaigoje – XIX a. Įrodyta, kad sultyse, gautose malant mielių ląsteles, yra sudėtingas fermentų mišinys, užtikrinantis alkoholinės fermentacijos procesą. Nuo to laiko prasidėjo intensyvūs fermentų – jų struktūros ir veikimo mechanizmo – tyrimai. Kadangi buvo atskleistas biokatalizės vaidmuo tiriant fermentaciją, būtent su šiuo procesu buvo siejami du nusistovėję nuo XIX a. pavadinimai yra „fermentas“ (iš graikų kalbos išvertus „iš mielių“) ir „fermentas“. Tiesa, paskutinis sinonimas vartojamas tik rusų kalbos literatūroje, nors mokslinė kryptis, susijusi su fermentų ir procesų, dalyvaujančių juose, tyrimu, tradiciškai vadinama enzimologija. XX amžiaus pirmoje pusėje. Nustatyta, kad pagal cheminę prigimtį fermentai yra baltymai, o antroje amžiaus pusėje daugeliui šimtų fermentų jau buvo nustatyta aminorūgščių likučių seka, susiformavo erdvinė struktūra. 1969 metais pirmą kartą buvo atlikta cheminė fermento ribonukleazės sintezė. Buvo padaryta didžiulė pažanga, siekiant suprasti fermentų veikimo mechanizmą.

Fermentų vieta organizme

Ląstelėje kai kurie fermentai yra citoplazmoje, tačiau dažniausiai fermentai yra susiję su tam tikromis ląstelių struktūromis, kuriose jie veikia. Pavyzdžiui, branduolyje yra fermentų, atsakingų už replikaciją – DNR sintezę (DNR polimerazė), o už jos transkripciją – RNR susidarymą (RNR polimerazė). Mitochondrijose yra fermentų, atsakingų už energijos kaupimą; lizosomose yra dauguma hidrolizinių fermentų, dalyvaujančių skaidant nukleino rūgštis ir baltymus.

Fermento veikimo sąlygos

Visos reakcijos, kuriose dalyvauja fermentai, daugiausia vyksta neutralioje, silpnai šarminėje arba silpnai rūgštinėje aplinkoje. Tačiau didžiausias kiekvieno atskiro fermento aktyvumas pasireiškia esant griežtai apibrėžtoms pH vertėms. Daugumos fermentų veikimui šiltakraujams gyvūnams palankiausia 37-40oC temperatūra. Augaluose, esant žemesnei nei 0o C temperatūrai, fermentų veikimas visiškai nenutrūksta, nors augalų gyvybinė veikla smarkiai sumažėja. Fermentiniai procesai, kaip taisyklė, negali vykti aukštesnėje nei 70 o C temperatūroje, nes fermentai, kaip ir bet kurie baltymai, yra termiškai denatūruojami (struktūrinis sunaikinimas).

Fermentų dydžiai ir jų struktūra

Fermentų, kaip ir visų kitų baltymų, molekulinė masė svyruoja nuo 10 tūkstančių iki 1 milijono (bet gali būti ir daugiau). Jie gali būti sudaryti iš vienos ar daugiau polipeptidinių grandinių ir gali būti pavaizduoti sudėtingais baltymais. Pastarasis kartu su baltyminiu komponentu (apofermentu) apima mažos molekulinės masės junginius – kofermentus (kofaktorius, kofermentus), įskaitant metalų jonus, nukleotidus, vitaminus ir jų darinius. Kai kurie fermentai susidaro neaktyvių pirmtakų (profermentų) pavidalu ir suaktyvėja po tam tikrų molekulės struktūros pakitimų, pavyzdžiui, išskaidžius iš jos nedidelį fragmentą. Tai apima virškinimo fermentus tripsiną ir chimotripsiną, kuriuos kasos ląstelės sintetina neaktyvių pirmtakų (tripsinogeno ir chimotripsinogeno) pavidalu ir suaktyvėja plonojoje žarnoje kaip kasos sulčių dalis. Daugelis fermentų sudaro vadinamuosius fermentų kompleksus. Tokie kompleksai, pavyzdžiui, yra įterpti į ląstelių membranas arba ląstelių organoidus ir yra susiję su medžiagų transportavimu.

Transformuojama medžiaga (substratas) jungiasi prie tam tikros fermento dalies – aktyvaus centro, kurį sudaro aminorūgščių šoninės grandinės, dažnai esančios viena nuo kitos gerokai nutolusiose polipeptidinės grandinės atkarpose. Pavyzdžiui, aktyvųjį chimotripsino molekulės centrą sudaro histidino liekanos, esančios polipeptidinėje grandinėje 57 padėtyje, serinas – 195 padėtyje, o asparto rūgštis – 102 padėtyje (iš viso chimotripsino molekulėje yra 245 aminorūgštys). Taigi, kompleksinis polipeptidinės grandinės išsidėstymas baltymo molekulėje – fermente suteikia galimybę kelioms aminorūgščių šoninėms grandinėms atsirasti griežtai apibrėžtoje vietoje ir tam tikru atstumu viena nuo kitos. Kofermentai taip pat yra aktyvaus centro dalis (baltyminė dalis ir nebaltyminė dalis atskirai nepasižymi fermentiniu aktyvumu ir įgyja fermento savybes tik susijungus).

Procesai, kuriuose dalyvauja fermentai

Daugumai fermentų būdingas didelis veikimo specifiškumas (selektyvumas), kai kiekvieno reagento (substrato) pavertimas reakcijos produktu yra atliekamas specialiu fermentu. Šiuo atveju fermento veikimas gali būti griežtai apribotas iki vieno substrato. Pavyzdžiui, fermentas ureazė, dalyvaujantis karbamido skaidyme iki amoniako ir anglies dioksido, nereaguoja į panašios struktūros metilkarbamidą. Daugelis fermentų veikia keletą struktūriškai susijusių junginių arba vieno tipo cheminių jungčių (pavyzdžiui, fermentų fosfatazės, skaidančios fosfodiesterio ryšį). Fermentas veikia sudarydamas fermento-substrato kompleksą, kuris vėliau suyra, sudarydamas fermentinės reakcijos produktus ir atpalaiduodamas fermentą. Dėl fermento-substrato komplekso susidarymo substratas keičia savo konfigūraciją; Šiuo atveju susilpnėja konvertuotas fermento-cheminis ryšys ir reakcija vyksta su mažesnėmis pradinėmis energijos sąnaudomis, taigi ir daug didesniu greičiu. Fermentinės reakcijos greitis matuojamas substrato, paverčiamo per laiko vienetą, kiekiu arba susidariusio produkto kiekiu. Daugelis fermentinių reakcijų, priklausomai nuo substrato ir reakcijos produkto koncentracijos terpėje, gali vykti tiek pirmyn, tiek atgal (substrato perteklius nukreipia reakciją į produkto susidarymą, o esant per dideliam Pastaruoju atveju įvyks substrato sintezė). Tai reiškia, kad fermentinės reakcijos gali būti grįžtamos. Pavyzdžiui, angliarūgštės anhidrazė kraujyje paverčia iš audinių gaunamą anglies dioksidą į anglies rūgštį (H2CO3), o plaučiuose – priešingai – katalizuoja anglies rūgšties pavertimą vandeniu ir anglies dioksidu, kuris pasišalina iškvėpimo metu. Tačiau reikia atsiminti, kad fermentai, kaip ir kiti katalizatoriai, negali pakeisti cheminės reakcijos termodinaminės pusiausvyros, o tik žymiai pagreitina šios pusiausvyros pasiekimą.

Fermentų pavadinimų nomenklatūra

Įvardydami fermentą kaip pagrindą, paimkite substrato pavadinimą ir pridėkite priesagą „aza“. Taip visų pirma atsirado proteinazės – baltymus (baltymus) skaidantys fermentai, lipazės (lipidus ar riebalus skaidantys) ir kt. Kai kurie fermentai gavo specialius (trivialus) pavadinimus, pavyzdžiui, virškinimo fermentai – pepsinas, chimotripsinas ir tripsinas. .

Kūno ląstelėse vyksta keli tūkstančiai skirtingų medžiagų apykaitos reakcijų, todėl fermentų yra tiek pat. Siekiant įtraukti tokią įvairovę į sistemą, buvo priimtas tarptautinis susitarimas dėl fermentų klasifikavimo. Pagal šią sistemą visi fermentai, priklausomai nuo jų katalizuojamų reakcijų tipo, buvo suskirstyti į šešias pagrindines klases, kurių kiekviena apima keletą poklasių. Be to, kiekvienas fermentas gavo keturių skaitmenų kodo numerį (šifrą) ir pavadinimą, nurodantį fermento katalizuojamą reakciją. Fermentai, katalizuojantys tą pačią reakciją skirtingų rūšių organizmuose, gali labai skirtis savo baltymų struktūra, tačiau nomenklatūroje jie turi bendrą pavadinimą ir vieną kodo numerį.

Ligos, susijusios su fermentų gamybos sutrikimu

Bet kurio fermento nebuvimas arba jo aktyvumo sumažėjimas (dažnai per didelis aktyvumas) žmonėms sukelia ligų (enzimopatijų) išsivystymą arba organizmo mirtį. Taigi, paveldima vaikų liga - galaktozemija (sukelia protinį atsilikimą) - išsivysto dėl fermento, atsakingo už galaktozės pavertimą lengvai virškinama gliukoze, sintezės pažeidimu. Kitos paveldimos ligos – fenilketonurijos, lydimos psichinės veiklos sutrikimu, priežastis yra kepenų ląstelių gebėjimo sintetinti fermentą, katalizuojantį aminorūgšties fenilalanino pavertimą tirozinu, priežastis. Daugelio fermentų aktyvumo nustatymas kraujyje, šlapime, smegenų, sėklų ir kituose kūno skysčiuose naudojamas diagnozuojant daugybę ligų. Naudojant šią kraujo serumo analizę, galima ankstyvoje stadijoje nustatyti miokardo infarktą, virusinį hepatitą, pankreatitą, nefritą ir kitas ligas.

Fermentų naudojimas žmonėms

Kadangi fermentai išlaiko savo savybes už kūno ribų, jie sėkmingai naudojami įvairiose pramonės šakose. Pavyzdžiui, papajų proteolitinis fermentas (iš papajų sulčių) – verdant, mėsai minkštinti; pepsinas - gaminant „gatavus“ grūdus ir kaip vaistinis preparatas; tripsinas - kūdikių maisto produktų gamyboje; reninas (šliužo fermentas iš veršelio skrandžio) – gaminant sūrį. Katalazė plačiai naudojama maisto ir gumos pramonėje, o polisacharidus skaidančios celiulazės ir pektidazės – vaisių sultims skaidrinti. Fermentai reikalingi nustatant baltymų, nukleino rūgščių ir polisacharidų struktūrą, genų inžinerijoje ir kt. Fermentų pagalba gaunami vaistai ir kompleksiniai cheminiai junginiai.

Buvo atrastas kai kurių ribonukleino rūgščių formų (ribozimų) gebėjimas katalizuoti atskiras reakcijas, tai yra, veikti kaip fermentai. Galbūt organinio pasaulio evoliucijos metu ribozimai tarnavo kaip biokatalizatoriai, kol fermentinė funkcija buvo perkelta į baltymus, geriau tinkančius šiai užduočiai atlikti.