Wszystkie żywe organizmy na Ziemi są systemami otwartymi, zdolnymi do aktywnego organizowania dostaw energii i materii z zewnątrz. Energia jest niezbędna do przeprowadzenia procesów życiowych, ale przede wszystkim do syntezy chemicznej substancji służących do budowy i odbudowy struktur komórkowych i organizmu. Istoty żywe są w stanie wykorzystywać tylko dwa rodzaje energii: światło(energia promieniowania słonecznego) i chemiczny(energia wiązań związków chemicznych) – na tej podstawie organizmy dzieli się na dwie grupy – fototrofy i chemotrofy.

Głównym źródłem cząsteczek strukturalnych jest węgiel. W zależności od źródła węgla organizmy żywe dzielą się na dwie grupy: autotrofy, które wykorzystują nieorganiczne źródło węgla (dwutlenek węgla) i heterotrofy, które wykorzystują organiczne źródła węgla.

Proces zużywania energii i materii nazywa się żywność. Znane są dwie metody żywienia: holozoiczna – poprzez wychwytywanie cząstek pokarmu do wnętrza organizmu oraz holofityczna – bez wychwytywania, poprzez wchłanianie rozpuszczonych składników odżywczych przez powierzchniowe struktury organizmu. Składniki odżywcze dostające się do organizmu biorą udział w procesach metabolicznych.

Metabolizm to zbiór wzajemnie powiązanych i zrównoważonych procesów, które obejmują różnorodne przemiany chemiczne w organizmie. Reakcje syntezy przeprowadzane przy zużyciu energii stanowią podstawę anabolizmu (metabolizmu plastycznego lub asymilacji).

Podstawą są reakcje rozszczepienia, którym towarzyszy uwolnienie energii katabolizm(wymiana lub dysymilacja energii).

1. Znaczenie ATP w metabolizmie

Energia uwolniona podczas rozkładu substancji organicznych nie jest od razu wykorzystywana przez komórkę, lecz magazynowana w postaci związków wysokoenergetycznych, najczęściej w postaci adenozynotrifosforanu (ATP). Ze względu na swój charakter chemiczny ATP jest mononukleotydem i składa się z zasady azotowej – adeniny, węglowodanowej rybozy i trzech reszt kwasu fosforowego.

Energia uwalniana podczas hydrolizy ATP jest wykorzystywana przez komórkę do wykonywania wszelkiego rodzaju pracy. Znaczne ilości energii zużywane są na syntezę biologiczną. ATP jest uniwersalnym źródłem energii komórkowej. Zapas ATP w komórce jest ograniczony i jest uzupełniany w wyniku procesu fosforylacji, który zachodzi z różną szybkością podczas oddychania, fermentacji i fotosyntezy. ATP odnawia się niezwykle szybko (u ludzi czas życia jednej cząsteczki ATP jest krótszy niż 1 minuta).

2. Metabolizm energetyczny w komórce. Synteza ATP

Synteza ATP zachodzi w komórkach wszystkich organizmów w procesie fosforylacji, tj. dodanie nieorganicznego fosforanu do ADP. Energia do fosforylacji ADP jest wytwarzana podczas metabolizmu energetycznego. Metabolizm energii, czyli dysymilacja, to zespół reakcji rozkładu substancji organicznych, któremu towarzyszy uwolnienie energii. W zależności od siedliska dysymilacja może przebiegać w dwóch lub trzech etapach.

U większości organizmów żywych - tlenowców żyjących w środowisku tlenowym - podczas dysymilacji zachodzą trzy etapy: przygotowawczy, beztlenowy, tlenowy. U beztlenowców żyjących w środowisku pozbawionym tlenu lub u tlenowców z brakiem tlenu dysymilacja zachodzi tylko w dwóch pierwszych etapach z utworzeniem pośrednich związków organicznych, które są nadal bogate w energię.

Pierwszy etap – przygotowawczy – polega na enzymatycznym rozkładzie złożonych związków organicznych na prostsze (białka na aminokwasy, polisacharydy na monosacharydy, kwasy nukleinowe na nukleotydy). Wewnątrzkomórkowy rozkład substancji organicznych następuje pod wpływem enzymów hydrolitycznych lizosomów. Wydzielona w tym przypadku energia ulega rozproszeniu w postaci ciepła, a powstałe drobne cząsteczki organiczne mogą ulec dalszemu rozkładowi i zostać wykorzystane przez komórkę jako „materiał budowlany” do syntezy własnych związków organicznych.

Drugi etap – niepełne utlenianie – zachodzi bezpośrednio w cytoplazmie komórki, nie wymaga obecności tlenu i polega na dalszym rozpadzie substratów organicznych. Głównym źródłem energii w komórce jest glukoza. Beztlenowy, niepełny rozkład glukozy nazywany jest glikolizą.

Trzeci etap - całkowite utlenianie - zachodzi przy obowiązkowym udziale tlenu. W rezultacie cząsteczka glukozy rozkłada się na nieorganiczny dwutlenek węgla, a uwolniona w tym przypadku energia jest częściowo zużywana na syntezę ATP.

3. Wymiana plastiku

Metabolizm plastyczny, czyli asymilacja, to zespół reakcji zapewniających syntezę złożonych związków organicznych w komórce. Organizmy heterotroficzne budują własną materię organiczną z organicznych składników żywności. Asymilacja heterotroficzna sprowadza się zasadniczo do przegrupowania cząsteczek.

Substancje organiczne żywności (białka, tłuszcze, węglowodany) --> trawienie --> Proste cząsteczki organiczne (aminokwasy, kwasy tłuszczowe, monosacharydy) --> syntezy biologiczne --> Makrocząsteczki organizmu (białka, tłuszcze, węglowodany)

Organizmy autotroficzne są zdolne do całkowicie niezależnej syntezy substancji organicznych z cząsteczek nieorganicznych spożywanych ze środowiska zewnętrznego. W procesie asymilacji autotroficznej reakcje foto- i chemosyntezy, które zapewniają powstanie prostych związków organicznych, poprzedzają biologiczną syntezę makrocząsteczek:

Substancje nieorganiczne (dwutlenek węgla, woda) --> fotosynteza, chemosynteza --> Proste cząsteczki organiczne (aminokwasy, kwasy tłuszczowe, monosacharydy) -----synteza biologiczna --> makrocząsteczki organizmu (białka, tłuszcze, węglowodany)

4. Fotosynteza

Fotosynteza to synteza związków organicznych ze związków nieorganicznych przy wykorzystaniu energii komórki. Wiodącą rolę w procesach fotosyntezy odgrywają pigmenty fotosyntetyczne, które posiadają unikalną właściwość wychwytywania światła i przekształcania jego energii w energię chemiczną. Pigmenty fotosyntetyczne to dość liczna grupa substancji białkowych. Głównym i najważniejszym pod względem energetycznym jest pigment. chlorofil a, występujący we wszystkich fototrofach z wyjątkiem bakterii fotosyntetyzujących. Pigmenty fotosyntetyczne są osadzone w wewnętrznej błonie plastydów u eukariontów lub w inwazji błony cytoplazmatycznej u prokariotów.

W procesie fotosyntezy, oprócz monosacharydów (glukozy itp.), które są przekształcane w skrobię i magazynowane przez roślinę, syntetyzowane są monomery innych związków organicznych - aminokwasów, gliceryny i kwasów tłuszczowych. Zatem dzięki fotosyntezie komórki roślinne, a dokładniej komórki zawierające chlorofil, zapewniają sobie i wszystkim żywym istotom na Ziemi niezbędne substancje organiczne i tlen.

5. Chemosynteza

Chemosynteza to także proces syntezy związków organicznych ze związków nieorganicznych, ale odbywa się to nie kosztem energii świetlnej, ale kosztem energii chemicznej uzyskanej w wyniku utleniania substancji nieorganicznych (siarki, siarkowodoru, żelaza, amoniaku, azotyn itp.). Do najważniejszych należą bakterie nitryfikacyjne, żelazowe i siarkowe.

Energia uwalniana podczas reakcji utleniania jest magazynowana przez bakterie w postaci ATP i wykorzystywana do syntezy związków organicznych. Bakterie chemosyntetyczne odgrywają bardzo ważną rolę w biosferze. Biorą udział w oczyszczaniu ścieków, przyczyniają się do akumulacji minerałów w glebie i zwiększają jej żyzność.

DNA - biopolimer, mikrocząsteczka, polinukleotyd, -manomer-nukleotyd Zasady azotowe - deoksyryboza - reszta kwasu fosforowego Zasady azotowe: adenina, tymina, guanina, cytozyna - dwuniciowa struktura RNA - biopolimer, makrocząsteczka, polinukleotyd, - manomer - nukleotyd Zasady azotowe - Ryboza - Pozostałość kwasu fosforowego Zasady azotowe: adenina, uracyl, guanina, cytozyna. Cząsteczka RNA jest jednoniciowa. Funkcje: DNA - przechowywanie informacji genetycznej RNA - przekazywanie informacji genetycznej

Informacyjny RNA, który niesie informację o pierwotnej strukturze cząsteczek białka, jest syntetyzowany w jądrze. Po przejściu przez pory błony jądrowej mRNA trafia do rybosomów, gdzie następuje rozszyfrowanie informacji genetycznej – przetłumaczonej z języka nukleotydów na język aminokwasów.

Aminokwasy, z których syntetyzowane są białka, dostarczane są do rybosomów za pomocą specjalnych RNA zwanych transferowymi RNA (t-RNA). W t-RNA sekwencja trzech nukleotydów jest komplementarna do nukleotydów kodonu w i-RNA. Ta sekwencja nukleotydów w strukturze tRNA nazywana jest antykodonem. Każdy t-RNA przyłącza specyficzny aminokwas za pomocą enzymów i ATP. Jest to pierwszy etap syntezy.

Aby aminokwas mógł zostać włączony do łańcucha białkowego, musi odłączyć się od tRNA. Na drugim etapie syntezy białek tRNA pełni rolę tłumacza z języka nukleotydów na język aminokwasów. To tłumaczenie zachodzi na rybosomie. Są w nim dwie sekcje: z jednej t-RNA otrzymuje polecenie od mRNA - antykodon rozpoznaje kodon, z drugiej rozkaz jest wykonywany - aminokwas zostaje oderwany od t-RNA.

Trzeci etap syntezy białka polega na tym, że enzym syntetaza przyłącza aminokwas odłączony od tRNA do rosnącej cząsteczki białka. Informacyjny RNA w sposób ciągły ślizga się wzdłuż rybosomu, każda trójka najpierw wpada do pierwszej sekcji, gdzie jest rozpoznawana przez antykodon tRNA, a następnie do drugiej sekcji. Tutaj trafia również t-RNA z przyłączonym do niego aminokwasem; tutaj aminokwasy są oddzielane od t-RNA i łączone ze sobą w kolejności, w której trojaczki następują jedna po drugiej.

Kiedy na rybosomie w pierwszej części pojawi się jedna z trzech trójek, czyli znaków interpunkcyjnych pomiędzy genami, oznacza to, że synteza białka została zakończona. Gotowy łańcuch białkowy opuszcza rybosom. Proces syntezy białek wymaga dużej ilości energii. Połączenie każdego aminokwasu z t-RNA wymaga energii jednej cząsteczki ATP.

Aby zwiększyć produkcję białka, mRNA często przechodzi jednocześnie nie przez jeden, ale przez kilka rybosomów kolejno po sobie. Taka struktura, połączona jedną cząsteczką mRNA, nazywana jest polisomem. Na każdym rybosomie, w przenośniku taśmowym przypominającym sznur paciorków, syntetyzuje się sekwencyjnie kilka cząsteczek identycznych białek.

Synteza białek na rybosomach nazywa się translacją. Synteza cząsteczek białka zachodzi w sposób ciągły i zachodzi z dużą szybkością: w ciągu jednej minuty powstaje od 50 do 60 tysięcy wiązań peptydowych. Synteza jednej cząsteczki białka trwa zaledwie 3-4 sekundy. Każdy etap biosyntezy jest katalizowany przez odpowiednie enzymy i zasilany energią poprzez rozkład ATP. Zsyntetyzowane białka przedostają się do kanałów siateczki śródplazmatycznej, przez które są transportowane do określonych części komórki.

Komórka roślinna jako układ osmotyczny

Komórka roślinna jest systemem osmotycznym. Sok komórkowy wakuoli jest roztworem o wysokim stężeniu. Oznaczono ciśnienie osmotyczne soku komórkowego -.

Aby dostać się do wakuoli, woda musi przejść przez ścianę komórkową, plazmalemmę, cytoplazmę i tonoplast. Ściana komórkowa jest wysoce przepuszczalna dla wody. Plazlemma i tonoplast mają selektywną przepuszczalność. Zatem komórkę roślinną można uznać za układ osmotyczny, w którym błona plazmatyczna i tonoplast stanowią błonę półprzepuszczalną, a wakuola z sokiem komórkowym stanowi stężony roztwór. Dlatego jeśli komórkę umieścimy w wodzie, wówczas woda zgodnie z prawami osmozy zacznie do niej napływać.

Siła, z jaką woda dostaje się do komórki, nazywana jest siłą ssania – S.

Jest identyczny z potencjałem wody.

Gdy woda dostaje się do wakuoli, jej objętość wzrasta, woda rozcieńcza sok komórkowy, a ściany komórkowe zaczynają odczuwać ciśnienie. Ściana komórkowa ma pewną elastyczność i może się rozciągać.

Wraz ze wzrostem objętości wakuoli cytoplazma zostaje dociśnięta do ściany komórkowej i na ścianie komórkowej pojawia się ciśnienie turgorowe (P). W tym samym czasie ze ściany komórkowej powstaje równe przeciwciśnienie ze ściany komórkowej na protoplast. Przeciwciśnienie ściany komórkowej nazywane jest potencjałem ciśnienia (-P).

Zatem o wielkości siły ssania S decyduje ciśnienie osmotyczne soku komórkowego i ciśnienie hydrostatyczne turgoru komórki P, które jest równe przeciwciśnieniu ściany komórkowej występującej podczas jej rozciągania -P.

S = - P lub - - .

Jeśli roślina znajduje się w warunkach wystarczającej wilgotności gleby i powietrza, wówczas komórki znajdują się w stanie całkowitego turgoru. Kiedy komórka jest całkowicie nasycona wodą (turgetescencyjna), wówczas jej siła ssania wynosi zero S = 0, a ciśnienie turgorowe jest równe potencjalnemu ciśnieniu osmotycznemu P =.

Kiedy w glebie brakuje wilgoci, niedobór wody pojawia się najpierw w ścianie komórkowej. Potencjał wody w ścianie komórkowej staje się niższy niż w wakuoli, a woda zaczyna przemieszczać się z wakuoli do ściany komórkowej. Wypływ wody z wakuoli zmniejsza ciśnienie turgorowe w komórkach i zwiększa ich siłę ssania. Przy długotrwałym braku wilgoci większość komórek traci turgor, a roślina zaczyna więdnąć, tracąc elastyczność i jędrność. W tym przypadku ciśnienie turgoru P = 0, a siła ssania S =

Jeśli w wyniku bardzo dużej utraty wody ciśnienie turgorowe spadnie do zera, liść całkowicie uschnie. Dalsza utrata wody doprowadzi do śmierci protoplastu komórki. Cechą adaptacyjną do nagłej utraty wody jest szybkie zamykanie się aparatów szparkowych w przypadku braku wilgoci.

Komórki mogą szybko przywrócić turgor, jeśli roślina otrzyma wystarczającą ilość wody lub w nocy, gdy roślina otrzyma wystarczającą ilość wody z gleby. A także podczas podlewania.

Potencjał wody; równa się 0 dla czystej wody; równa 0 lub ujemna dla komórek.

Potencjał osmotyczny jest zawsze ujemny

Potencjał ciśnienia; zwykle dodatni w żywych komórkach (w komórkach, których zawartość jest pod ciśnieniem), ale ujemny w komórkach ksylemu (w których powstaje napięcie wody).

Całkowity wynik akcji

Z pełnym turgorem

Podczas początkowej plazmolizy

Jeśli umieścisz komórkę w roztworze hipertonicznym o niższym potencjale wody, wówczas woda zacznie opuszczać komórkę na drodze osmozy przez błonę plazmatyczną. Najpierw woda opuści cytoplazmę, a następnie przez tonoplast z wakuoli. Żywa zawartość komórki, protoplast, kurczy się i opada za ścianę komórkową. Toczy się proces plazmoliza. Przestrzeń pomiędzy ścianą komórkową a protoplastem wypełniona jest roztworem zewnętrznym. Taka komórka nazywana jest plazmolizowaną. Woda będzie opuszczać komórkę do czasu, aż potencjał wody protoplastu zrówna się z potencjałem wody otaczającego roztworu, po czym komórka przestanie się kurczyć. Proces ten jest odwracalny i komórka nie ulega uszkodzeniu.

Jeśli komórkę umieści się w czystej wodzie lub roztworze hipotonicznym, wówczas przywracany jest stan turgoru komórki i proces deplazmoliza.

W warunkach niedoboru wody w młodych tkankach gwałtowny wzrost utraty wody prowadzi do tego, że ciśnienie turgorowe komórki staje się ujemne, a protoplast, kurcząc się objętościowo, nie oddziela się od ściany komórkowej, ale ciągnie ją za sobą . Komórki i tkanki kurczą się. Zjawisko to nazywa się Cytoryz.

Metabolizm substancji i energii (metabolizm) zachodzi na wszystkich poziomach organizmu: komórkowym, tkankowym i organizmowym. Zapewnia stałość środowiska wewnętrznego organizmu – homeostazę – w ciągle zmieniających się warunkach egzystencji. W komórce zachodzą jednocześnie dwa procesy: metabolizm plastyczny (anabolizm lub asymilacja) i metabolizm energetyczny (fatabolizm lub dysymilacja).

Wymiana plastyczna to całość wszystkich procesów syntezy, podczas których z prostych substancji powstają złożone substancje, podczas gdy zużywana jest energia.

Metabolizm energetyczny to ogół wszystkich procesów rozszczepiania, podczas których złożone substancje przekształcają się w proste i uwalniana jest energia.

Homeostazę utrzymuje równowaga pomiędzy metabolizmem plastycznym i energetycznym. Jeśli ta równowaga zostanie zakłócona, w organizmie lub jego części powstają patologie (choroby).

Metabolizm zachodzi w normalnej temperaturze, ciśnieniu i określonym pH środowiska

11. Metabolizm energetyczny w komórce.

Metabolizm energetyczny to zespół reakcji chemicznych stopniowego rozkładu związków organicznych, któremu towarzyszy uwolnienie energii, której część jest wydawana na syntezę ATP. Syntetyzowany ATP staje się uniwersalnym źródłem energii niezbędnej do życia organizmów.

Etapy metabolizmu energetycznego:

1. Przygotowawczy - na nim złożone substancje rozkładane są na proste, np. polisacharydy na monosacharydy. Ten etap zachodzi w cytoplazmie i uwalnia energię, ale dlatego bardzo mało energii jest rozpraszane w postaci ciepła.

2. Beztlenowy - w lizosomach na tym etapie rozkład substancji na prostsze przebiega bez udziału tlenu z uwolnieniem dwóch cząsteczek ATP

3. Tlen – kontynuuje rozkład substancji przy udziale tlenu do produktów końcowych (dwutlenek węgla i woda) z wydzieleniem 36 ATP. Proces ten zachodzi w mitochondriach.

Odżywianie komórek. Chemosynteza

Odżywianie komórki następuje w wyniku szeregu złożonych reakcji chemicznych, podczas których substancje dostające się do komórki ze środowiska zewnętrznego (dwutlenek węgla, sole mineralne, woda) przedostają się do organizmu samej komórki w postaci białek, cukrów, tłuszczów , oleje, połączenia azotu i fosforu.

Wszystkie żywe organizmy można podzielić na 2 grupy:

1. Autotroficzny rodzaj odżywiania - obejmują organizmy, które same syntetyzują związki organiczne z nieorganicznych.

2 rodzaje autotrofów:

Fotosyntetyki to autotrofy wykorzystujące energię światła słonecznego (rośliny, sinice, pierwotniaki)

Chemosyntetyki to organizmy wykorzystujące energię wiązań chemicznych. Do tego typu zaliczają się prawie wszystkie bakterie (utrwalacze azotu, bakterie siarkowe, bakterie żelazowe)

Chemosyntezę odkrył Winogradow.

Chemosynteza to metoda odżywiania autotroficznego, w której źródłem energii do syntezy substancji organicznych z CO2 są reakcje utleniania związków nieorganicznych. Z tej możliwości pozyskiwania energii korzystają wyłącznie bakterie lub archeony.

2. Heterotroficzny sposób żywienia - charakterystyczny dla organizmów żywiących się gotowymi związkami organicznymi.

Soprofity to heterotrofy żywiące się martwymi tkankami lub organizmami (wrony, sępy, hieny..)

Roślinożercy - heterotrofy żerujące na organizmach roślinnych (roślinożerne)

Zwierzęta mięsożerne (drapieżniki) to heterotrofy, które łapią i zjadają inne organizmy (owady)

Wszystkożercy - jedzą pokarmy roślinne i zwierzęce

3. Miksotroficzny rodzaj żywienia - łączy w sobie autotroficzne i heterotroficzne rodzaje żywienia (rosiczka, euglena zielona)

Fotosynteza

Fotosynteza to złożony proces powstawania substancji nieorganicznych z wykorzystaniem energii światła słonecznego. Głównym organem fotosyntezy jest liść, ponieważ zawiera najwięcej chloroplastów, a jego kształt jest najbardziej odpowiedni do przyjmowania światła słonecznego.

Fazy ​​​​fotosyntezy:

1. Faza lekka - obejmuje 2 główne procesy: fotolizę wody i niecykliczną fosforylację.

Tylakoidy to spłaszczone worki błonowe, na których znajdują się pigmenty chlorofilowe i specjalny nośnik elektronów zwany cytochromem.

Na tylakoidach znajdują się 2 systemy fotograficzne:

Fotosystem 1 zawiera chlorofil a1, który odbiera kwant światła o długości 700 nanometrów

Fotosystem 2 zawiera chlorofil a2, który odbiera kwant światła o długości 680 nanometrów

Kiedy kwant światła uderza w fotosystem 1, elektrony chlorofilu a1 zostają wzbudzone i przeniesione do procesu takiego jak fatoliza wody, tj. woda zostaje rozdzielona na wodór i grupę hydroksylową. Wodór służy do redukcji substancji. Powstała grupa hydroksylowa gromadzi się i przekształca w wodę i tlen, który opuszcza komórkę.

Kiedy kwant światła uderza w fotosystem 2, elektrony chlorofilu są wzbudzane pod wpływem światła, a do cząsteczki ADP pod wpływem energii dodaje się resztę kwasu fosforowego, w wyniku czego powstaje cząsteczka ATP.

Faza jasna zachodzi na tylakodach, gdzie generowana jest energia niezbędna do tworzenia substancji organicznych.

Faza ciemna - występuje w zrębie, niezależnie od światła słonecznego. Tutaj w trakcie złożonych reakcji dwutlenek węgla przekształca się w glukozę przy wykorzystaniu wytworzonej energii. Reakcje te nazywane są cyklem Calvina.

Kod genetyczny

Jest to charakterystyczna dla wszystkich organizmów żywych metoda kodowania sekwencji aminokwasów białek za pomocą sekwencji nukleotydów

DNA może zawierać 4 zasady azotowe:

Adenina, Guanina, Tymina, Cytozyna

DNA może kodować 64 aminokwasy

Nieruchomości:

1. Degeneracja – zwiększa niezawodność przechowywania i przekazywania informacji genetycznej podczas podziału komórki

2. Specyficzność - 1 triplet zawsze koduje tylko 1 aminokwas

Współczynnik genetyczny jest uniwersalny dla wszystkich żywych organizmów, od bakterii po ludzi

15. Transkrypcja i emisja

Synteza białek obejmuje 2 etapy:

1. Transkrypcja to transkrypcja informacji z cząsteczki DNA na informacyjny RNA

Proces ten zachodzi w jądrze przy udziale enzymu polimerazy RNA. Enzym ten wyznacza początek i koniec syntezy. Początek stanowi specyficzna sekwencja nukleotydów zwana promotorem. Koniec jest także sekwencją nukleotydów zwaną terminatorem.

Transkrypcja rozpoczyna się od określenia odcinka cząsteczki DNA, z którego zostanie skopiowana informacja

Następnie ta część rozwija się zgodnie z zasadą komplementarności do jednej nici DNA i budowany jest informacyjny RNA. Po zakończeniu syntezy DNA DNA ponownie się skręca.

2. Tłumaczenie to translacja sekwencji tukleotydowej informacyjnego RNA na sekwencję aminokwasową

Transferowy RNA przenosi informacyjny RNA do rybosomu. Tutaj informacyjny RNA jest integrowany z małą podjednostką rybosomu, ale mieszczą się w nim tylko 2 triplety, więc podczas syntezy informacyjny RNA przemieszcza się do dużej podjednostki, transferowy RNA przenosi aminokwasy, jeśli aminokwas jest odpowiedni, to jest oddzielony od transferowego RNA i przyłączony do innych aminokwasów zgodnie z zasadami peptydów.

Transferowy RNA opuszcza rybosom, a nowy transferowy RNA wchodzi do dużej podjednostki

Jeśli aminokwas nie pasuje do informacji w małej podjednostce zgodnie z zasadą komplementarności, wówczas ten transportowy RNA wraz z aminokwasem opuszcza rybosom

Początek syntezy białek wyznaczają adenina, uracyl, guanina, a kończy kadon stop

Kiedy synteza białka się kończy, pierwotna struktura białka oddziela się od rybosomu i białko przyjmuje pożądaną strukturę

Cykl życia komórki

Cykl komórkowy to okres istnienia komórki od momentu jej powstania poprzez podział komórki macierzystej aż do jej własnego podziału lub śmierci.

Interfaza to faza cyklu życiowego pomiędzy dwoma podziałami komórkowymi. Charakteryzuje się aktywnymi procesami metabolicznymi, syntezą białek i RNA, gromadzeniem składników odżywczych przez komórkę, wzrostem i wzrostem objętości. W środku interfazy następuje duplikacja (replikacja) DNA. W rezultacie każdy chromosom zawiera 2 cząsteczki DNA i składa się z dwóch siostrzanych chromatyd, które są połączone centromerem i tworzą jeden chromosom. Komórka przygotowuje się do podziału, wszystkie jej organelle podwajają się. Czas trwania interfazy zależy od rodzaju komórki i stanowi średnio 4/5 całkowitego czasu cyklu życiowego komórki. Podział komórek. Rozwój organizmu następuje poprzez podział jego komórek. Zdolność do podziału jest najważniejszą właściwością życia komórkowego. Kiedy komórka się dzieli, podwaja wszystkie swoje elementy strukturalne, w wyniku czego powstają dwie nowe komórki. Najpowszechniejszą metodą podziału komórek jest mitoza – pośredni podział komórek. Mitoza to proces wytwarzania dwóch komórek potomnych identycznych z pierwotną komórką macierzystą. Zapewnia odnowę komórkową w procesie starzenia. Mitoza składa się z czterech kolejnych faz:

1. Profaza - tworzenie chromosomów z dwiema chromatydami, zniszczenie błony jądrowej.

2.Metofaza – powstanie wrzeciona, skrócenie chromosomów, utworzenie komórki równikowej

3. Anafaza - separacja chromatyd, ich rozbieżność do biegunów wzdłuż włókien wrzeciona

4. Telofaza – zanik wrzeciona, tworzenie się błon jądrowych, odwijanie się chromosomów.

Mitoza. Amitoza

Mitoza to proces pośredniego podziału komórek somatycznych eukariontów, w wyniku którego materiał dziedziczny jest najpierw podwajany, a następnie równomiernie rozprowadzany pomiędzy komórkami potomnymi. Jest to główny sposób podziału komórek eukariotycznych. Czas trwania mitozy w komórkach zwierzęcych wynosi 30-60 minut, a w komórkach roślinnych 2-3 h. Składa się z 4 głównych faz:

1. Profaza - rozpoczyna się od speralizacji łańcuchów DNA do chromosomów, jąderka i błona jądrowa ulegają zniszczeniu, chromosomy zaczynają swobodnie unosić się w cytoplazmie, pod koniec profazy zaczyna tworzyć się wrzeciono

2. Metafaza - chromosomy ustawiają się ściśle na równiku w postaci płytki metafazowej. Nici wrzeciona, które są już w pełni uformowane, przechodzą przez centromery chromosomów, dzieląc chromosom na 2 chromatydy

3. Anafaza – tutaj włókna wrzeciona oddzielają się i rozciągają do różnych biegunów chromatydy. Wrzeciono rozszczepienia zaczyna się zapadać.

4. Telofaza Tutaj, na biegunach komórki, chromatydy są rozproszone, pokryte błoną jądrową i rozpoczyna się podział cytoplazmy i samej komórki.

W wyniku mitozy powstają 2 identyczne komórki diploidalne.

Kariokeneza to podział jądra

Cytokeneza to podział cytoplazmy i samej komórki

Amitoza to bezpośredni podział jądra, w wyniku którego powstaje komórka z dwoma jądrami, ten typ jest charakterystyczny dla komórek mięśniowych i tkanki łącznej

Jest to konieczne do pełnej organizacji pracy komórki.

Jeśli nagle taka komórka się podzieli, wówczas nowe komórki będą zawierały niekompletny zestaw genetyczny, co doprowadzi do ich śmierci lub uczyni z nich patogen.

Mejoza

Jest to pośredni podział komórek rozrodczych, w wyniku którego powstają 4 haploidalne komórki potomne o różnym materiale genetycznym. Jest to główny etap powstawania komórek rozrodczych.

Biologiczne znaczenie mejozy:

1. W wyniku mejozy powstają genetycznie różne gamety

2. Zachowana jest stałość diploidalnego zestawu chromosomów w komórkach somatycznych

3. Dzięki mejozie z 1 komórki powstają 4 nowe komórki

Mejoza obejmuje 2 podziały:

Redukcja – podczas tego podziału zmniejsza się liczba chromosomów

Równoważny - przebiega w taki sam sposób jak mitoza

Interfaza przebiega w taki sam sposób jak mitoza, tj. DNA podwaja się w jądrze dzielącej się komórki.

1 podział mejotyczny

Profaza jest najbardziej złożoną i najdłuższą fazą mejozy, ponieważ zachodzą tu 2 dodatkowe procesy.

1- Koniugacja to bliskie podejście homologicznych chromosomów, w wyniku którego powstają 4 chromatydy połączone 1 centromerem i taką strukturę będziemy nazywać dwuwartościową. Następnie następuje krzyżowanie między chromosomami, które są zjednoczone w biwalent.

2- Crossing over - wymiana odcinków chromosomów. W wyniku tych procesów dochodzi do rekombinacji 1 genu

Metafaza - tutaj, na równiku komórki, biwalenty tworzą płytkę metafazową, przez której centromery przechodzą również włókna wrzeciona

Anafaza - w przeciwieństwie do mitozy, tutaj całe chromosomy rozpraszają się do biegunów komórki. Zachodzą tu 2 rekombinacje genów

Telofaza - u zwierząt i niektórych roślin chromosomy zaczynają się rozwijać, pokrywają się błoną jądrową na biegunach i dzielą się na 2 komórki (tylko u zwierząt)

U roślin po anafazie natychmiast następuje profaza 2.

Interfaza jest charakterystyczna tylko dla zwierząt; w przeciwieństwie do interfazy mitozy, nie ma wzrostu informacji dziedzicznej

Drugi dział mejozy obejmuje profazę, metafazę, telofazę i anafazę, które przebiegają dokładnie tak samo jak mitoza, ale z mniejszą liczbą chromosomów.

Rozmnażanie bezpłciowe.

Jest to rodzaj reprodukcji, który charakteryzuje się:

2. Uczestniczy 1 osoba

3. zachodzi w sprzyjających warunkach

4. wszystkie organizmy okazują się takie same

5. zachowuje właściwości i cechy stabilnie niezmiennych warunków

Znaczenie biologiczne:

1. niezbędne do pojawienia się organizmów o identycznych właściwościach anatomicznych

2. ewolucyjnie rozmnażanie bezpłciowe nie jest opłacalne, ale dzięki temu rozmnażaniu w krótkim czasie zwiększa się liczba osobników w populacji

Rodzaje rozmnażania bezpłciowego:

Podział mitotyczny - następuje w wyniku mitozy (ameby, algi, bakterie...)

Zarodnikowanie odbywa się poprzez zarodniki, wyspecjalizowane komórki grzybów i roślin. Jeśli zarodnik ma wić, nazywa się go zoosporą i jest charakterystyczny dla środowiska wodnego (zarodniki, grzyby, porosty..)

Humping - na osobniku matki następuje wyrostek - pączek (zawiera jądro potomne), z którego rozwija się nowy osobnik. Pączek rośnie i osiąga wielkość osobnika matki, dopiero potem oddziela się od niego (Hydra, grzyby drożdżowe, ssanie orzęski)

Wegetatywny - charakterystyczny dla wielu grup roślin, nowy osobnik rozwija się albo ze specjalnych struktur, albo z części osobnika matki.

Niektóre zwierzęta wielokomórkowe rozmnażają się również wegetatywnie (gąbki, rozgwiazdy, płazińce)

Rozmnażanie płciowe

Charakterystyka:

Uczestniczy w nim 1,2 organizacji

2. zaangażowane są komórki rozrodcze

3. dzieci okazują się różnorodne

4. ewolucyjnie pojawił się później niż bezpłciowy

5. zachodzi w niesprzyjających warunkach

Znaczenie biologiczne:

1. potomstwo jest lepiej przystosowane do zmieniających się warunków środowiskowych i jest bardziej żywotne

2. powstają nowe organizmy

Patogeneza (rozmnażanie dziewicze)

Organizmy potomne rozwijają się z niezapłodnionych jaj.

Znaczenie patogenezy:

1. Rozmnażanie jest możliwe przy rzadkich kontaktach organizmów różnej płci

2. Niezbędne dla maksymalizacji liczebności populacji o wysokiej śmiertelności

3. Dla sezonowego wzrostu liczebności niektórych populacji

1. Obowiązkowe (obowiązkowe) - spotykane w populacjach, w których występują wyłącznie osobniki żeńskie (jaszczurka kaukaska)

2. Cykliczny (sezonowy) - charakterystyczny dla mszyc, planktonu, rozwielitek, występujący w populacjach, które histerycznie wymierają w określonym sezonie.

3. Fakultatywny (nieobowiązkowy) - spotykany u owadów społecznych. Z niezapłodnionych jaj wyłaniają się samce, a z zapłodnionych jaj robotnice.

Rozwój komórek rozrodczych

Gametogeneza

Gamety to komórki płciowe, które łączą się, tworząc zygotę, z której rozwija się nowy organizm.

Różnica między komórkami somatycznymi a komórkami rozrodczymi:

Gamety 1 zawierają haploidalny zestaw chromosomów, a somatyczne - diploidalny

2. Gamety nie dzielą się, ale somatyczne tak

3. Gamety, zwłaszcza komórki jajowe większe od komórek somatycznych

Gametogeneza to powstawanie komórek rozrodczych zachodzących w gonadach-genadach (jajnikach, jądrach)

Oogeneza to gametogeneza, która zachodzi w organizmie kobiety i prowadzi do powstania żeńskich komórek rozrodczych (komórki jajowej)

Spermatogeneza to gametogeneza, która zachodzi w męskim organizmie i prowadzi do powstania męskich gamet (plemników)

Gametogeneza składa się z kilku etapów:

1. Rozmnażanie – tutaj z pierwotnych komórek rozrodczych, zwanych spermatogonią i oogonią, liczba przyszłych gamet wzrasta w wyniku mitozy. Spermatogonia rozmnaża się w męskim ciele przez cały okres rozrodczy.

U kobiety etap 1 występuje pomiędzy 2 a 5 miesiącem rozwoju wewnątrzmacicznego.

2. Wzrost – pierwotne komórki płciowe powiększają się i przekształcają w oocyty i spermatocyty pierwszego rzędu. Komórki te powstają w interfazie. Na tym etapie rozpoczyna się mejoza.

3. Dojrzewanie – zachodzi w dwóch kolejnych podziałach – redukcji i równania. W wyniku I podziału mejozy powstają oocyty i spermatocyty II rzędu, po II podziale mejozy powstają 4 plemniki ze spermatocytów.

Z oocytów drugiego rzędu powstaje 1 duże jajo i 3 ciałka redukcyjne. Wynika to z faktu, że cała energia i składniki odżywcze idą w kierunku utworzenia 1 dużej gamety, a nie ma wystarczającej siły, aby uformować pozostałe 3 komórki.

Dlatego w kodzie reprodukcyjnym dzielone są 3 ciała redukcyjne

4. Formacja – na tym etapie plemniki, czyli w pełni uformowane komórki rozrodcze, rosną, rozwijają się, uzyskują wici i kształt dorosłej komórki rozrodczej. Z plemników powstają plemniki.

Plemniki składają się z głowy, szyi i ogona.

Jajo przypomina komórkę somatyczną, tyle że jest większe i ma dodatkowe błony.

Nawożenie

Jest to proces fuzji komórek rozrodczych, w wyniku którego powstaje zygota – jest to pierwsza komórka nowego organizmu

1. Zewnętrzne - przy tego rodzaju zapłodnieniu samica odkłada zabawę, a samiec podlewa ją nasieniem. Ten typ występuje tylko w środowiskach wodnych. Nie są wymagane żadne specjalne struktury rozrodcze, wytwarzana jest duża ilość materiału dziedzicznego, a przeżywalność potomstwa jest minimalna.

2. Wewnętrzne – w tym typie męskie komórki rozrodcze umieszczane są w żeńskim układzie rozrodczym. Ten typ wymaga specjalnych struktur rozrodczych. Wytwarza się mniej materiału dziedzicznego. Wzrasta przeżywalność potomstwa. Gdy tylko męskie komórki rozrodcze dostaną się do dróg rodnych samicy, celowo zbliżają się do komórki jajowej, a gdy jeden z plemników przedostanie się do komórki jajowej, jej błony stają się gęstsze i stają się niedostępne dla innych plemników. Jest to konieczne, aby utrzymać diploidalność organizmów.

Podwójne nawożenie

Charakterystyczne tylko dla okrytozalążkowych. W pręcikach pierwotne męskie komórki rozrodcze dzielą się przez mejozę, tworząc 4 mikrospory, każda mikrospora jest ponownie dzielona na 2 komórki (wegetatywne i generatywne)

Komórki te pokryte są podwójną błoną, tworząc ziarno pyłku

W słupku z pierwotnej komórki żeńskiej w wyniku mejozy powstaje 1 megaspora, a 3 komórki obumierają. Powstała megaspora jest nadal podzielona na 2 komórki, 1 zajmuje centralne miejsce w zarodniku, a 2 opada

Ziarno pyłku ląduje na znamieniu słupka, komórka wegetatywna kiełkuje, tworząc łagiewkę pyłkową aż do jajnika. Komórka generatywna przechodzi przez tę rurkę i dzieli się na 2 plemniki. 1 plemnik zapładnia komórkę centralną, z której powstaje bielmo.

2 plemniki zapładniają drugą komórkę, z której rozwija się zarodek.

Ontogeneza

Jest to indywidualny rozwój zygoty (organizmu) aż do jego śmierci. Termin został wprowadzony w 1866 roku przez Ernesta Haeckela

U ssaków otnogeneza jest regulowana przez układ nerwowy i hormonalny

1. Larwa - u tego typu, wyłaniając się ze skorupek jaj, organizm przez pewien czas pozostaje w stadium larwalnym, po czym ulega metamorfozie (przekształceniu w postać dorosłą)

2. Jajorodny - przy tym typie rozwoju organizm długo pozostaje w błonach jajowych i nie występuje stadium larwalne

3. Wewnątrzmaciczny – tutaj rozwój organizmu odbywa się wewnątrz ciała matki

Okresy ontogenezy:

1. Embrionalny (wewnątrzmaciczny) od poczęcia do urodzenia

2. Postembrionalny - od narodzin do śmierci

Okres embrionalny

3 etapy rozwoju

1. Zmiażdżenie

Rozpoczyna się kilka godzin po zapłodnieniu. Tutaj zygota zaczyna dzielić się mitotycznie na 2 komórki (blastomery), które nie rozdzielają się i nie rosną. Następnie komórki te dzielą się ponownie i tworzą 4 komórki i trwa to aż do powstania 32 komórek, aż do powstania moruli – jest to zarodek składający się z 32 małych komórek przypominających malinę i wielkości zygoty.

Morula ta schodzi wzdłuż jajowodu do jamy macicy i wszczepia się w jej ścianę. Dzieje się to 6 godzin po zapłodnieniu.

Następnie komórki moruli kontynuują podział i powstaje blastula - jest to zarodek składający się z kilkuset komórek ułożonych w 1 warstwie. Blastula posiada jamę, a jej wielkość jest taka sama jak zygoty

2. Gastrulacja

Zawiera blastulę i gastrulę

Blastula nadal się dzieli, a podział komórek na jednym końcu jest bardziej intensywny. Prowadzi to do wgłobienia tych komórek do blastuli, czyli powstaje gastrula

Gastrula to dwuwarstwowy zarodek z pierwotnym ujściem, który u ssaków i organizmów wyższych podczas rozwoju zamienia się w odbyt. A prawdziwe usta tworzą się na drugim końcu. Komórką pierwotną jest jama gastruli.

Zewnętrzną warstwę komórek stanowi ektoderma (1 listek zarodkowy)

Wewnętrzna warstwa komórek to endoderma (2 opakowania)

Następnie pomiędzy ektodermą i endodermą tworzą się 3 listki zarodkowe (mezoderma) symetrycznie na obu końcach pierwotnego ujścia.

3. Organogeneza

Na tym etapie tworzy się neurula, na grzbietowej części zarodka zewnętrzna warstwa komórek tworzy rowek, który zamyka i tworzy cewę nerwową. Równolegle z tym procesem z endodermy powstaje rurka jelitowa. A z mezodermy powstaje struna grzbietowa. Z ektodermy powstaje układ nerwowy i narządy zmysłów, a także nabłonek kostny i jego pochodne (włosy, paznokcie).

endoderma - tworzy układ trawienny i gruczoły trawienne, układ oddechowy i tarczycę.

4. Mezoderma

Powstaje układ mięśniowo-szkieletowy, układ krążenia, wydalniczy i rozrodczy.

Okres postembrionalny

Rozwój postembrionalny może przebiegać na dwa sposoby:

Bezpośrednie i pośrednie: z przekształceniem całkowitym i niepełnym

Rozwój bezpośredni jest typowy dla ptaków, ryb, ssaków i ludzi. Nowy osobnik po urodzeniu i wyjściu ze skorupek jaj jest podobny do osobnika dorosłego, ale jest niewielkich rozmiarów, o innych proporcjach, ze słabo rozwiniętym układem nerwowym i rozrodczym, a także powłoka może się różnić.

Podczas rozwoju postembrionalnego następuje dalszy rozwój układu nerwowego i rozrodczego. Zmienia się okładka, a ciało przechodzi szkolenie i edukację.

Rozwój pośredni - w przypadku tego typu stadium larwalne występuje w rozwoju postembrionalnym. Larwa w niewielkim stopniu lub wcale nie jest podobna do postaci dorosłej. Intensywnie rośnie, rozwija się i zjada dużo jedzenia.

Przy tego typu rozwoju pośrednim organizm wychodząc z jaja przechodzi przez etap larwy, który przekształci się w poczwarkę, a larwa całkowicie zapadnie się w związki organiczne, z których zostanie zbudowany nowy organizm. (imago) wyłania się z poczwarki.

jajo-larwa-poczwarka-imago

Płazy i niektóre owady rozwijają się z niepełną przemianą

Nie ma tu poczwarek, a metamorfoza następuje w fazie larwalnej.

Jajko-larwa-dorosła

26. Miejsce człowieka w systemie świata zwierzęcego.

Skupione stany skupienia: stały, ciekły i gazowy. Stany krystaliczne i amorficzne. Sieci krystaliczne

Biologia. Biologia ogólna. klasa 10. Poziom podstawowy Sivoglazov Władysław Iwanowicz

16. Metabolizm i konwersja energii. Wymiana energii

Pamiętać!

Co to jest metabolizm?

Z jakich dwóch powiązanych ze sobą procesów się składa?

Gdzie w organizmie człowieka rozkłada się większość substancji organicznych pochodzących z pożywienia?

Metabolizm i energia. Głównym warunkiem życia każdego organizmu jest wymiana substancji i energii z otoczeniem. W każdej komórce stale zachodzą złożone procesy, których celem jest utrzymanie i zapewnienie normalnego funkcjonowania samej komórki i organizmu jako całości. Syntetyzuje się złożone związki wielkocząsteczkowe: z aminokwasów powstają białka, z cukrów prostych powstają polisacharydy, a z nukleotydów powstają kwasy nukleinowe. Komórki dzielą się i tworzą nowe organelle; różne substancje są aktywnie transportowane z i do komórki. Impulsy elektryczne przekazywane są wzdłuż włókien nerwowych, mięśnie kurczą się, utrzymuje się stała temperatura ciała – to wszystko, podobnie jak wiele innych procesów zachodzących w organizmie, wymaga energii. Energia ta powstaje w wyniku rozkładu substancji organicznych. Zespół reakcji rozszczepienia związków wielkocząsteczkowych, którym towarzyszy uwalnianie i magazynowanie energii, zwany metabolizm energetyczny Lub dysymilacja . Energia magazynowana jest głównie w postaci uniwersalnego związku energochłonnego – ATP.

Kwas adenozynotrifosforowy (ATP) to nukleotyd składający się z zasady azotowej (adeniny), cukru rybozowego i trzech reszt kwasu fosforowego (ryc. 53). ATP jest główną cząsteczką energii komórki, rodzajem akumulatora energii. Wszystkim procesom zachodzącym w organizmach żywych wymagającym wydatku energetycznego towarzyszy przemiana cząsteczki ATP w ADP (kwas adenozynodifosforowy). Po usunięciu reszty kwasu fosforowego uwalniana jest duża ilość energii - 40 kJ/mol. W cząsteczce ATP występują dwa takie wiązania wysokoenergetyczne (tzw. wysokoenergetyczne). Odbudowa struktury ATP z ADP i kwasu fosforowego zachodzi w mitochondriach i towarzyszy jej absorpcja energii.

Zasoby substancji organicznych, które organizm wykorzystuje do pozyskiwania energii, muszą być stale uzupełniane albo poprzez pożywienie, jak to ma miejsce u zwierząt, albo poprzez syntezę z substancji nieorganicznych (roślin). Całość procesów biosyntetycznych zachodzących w organizmach żywych, zwany wymiana plastiku Lub asymilacja . Wymianie plastycznej zawsze towarzyszy pochłanianie energii. Głównymi procesami metabolizmu tworzyw sztucznych są biosynteza białek (§ 13) i fotosynteza (§ 17).

Ryż. 53. Struktura cząsteczki ATP (znak „~” oznacza wiązanie wysokoenergetyczne)

Zatem w procesie wymiany energii związki organiczne ulegają rozkładowi i magazynowaniu energii, natomiast podczas wymiany plastycznej energia jest zużywana i syntetyzowana jest substancja organiczna. Reakcje wymiany energii i tworzyw sztucznych są ze sobą nierozerwalnie powiązane, tworząc łącznie jeden proces - metabolizm i energia , Lub metabolizm . Metabolizm odbywa się w sposób ciągły we wszystkich komórkach, tkankach i narządach, zachowując stałość wewnętrznego środowiska organizmu - homeostaza.

Wymiana energii. Większość organizmów na naszej planecie potrzebuje tlenu do funkcjonowania. Takie organizmy nazywane są aerobik. Metabolizm energetyczny u tlenowców przebiega w trzech etapach: przygotowawczym, beztlenowym i tlenowym. W obecności tlenu substancje organiczne podczas oddychania ulegają całkowitemu utlenieniu do dwutlenku węgla i wody, w wyniku czego magazynowana jest duża ilość energii.

Organizmy beztlenowe w stanie przeżyć bez tlenu. Dla niektórych z nich tlen jest na ogół destrukcyjny, dlatego żyją tam, gdzie w ogóle nie ma tlenu, na przykład jako czynnik wywołujący tężec. Inne, tak zwane fakultatywne beztlenowce, mogą istnieć zarówno bez tlenu, jak i w jego obecności. Metabolizm energetyczny u organizmów beztlenowych przebiega dwuetapowo: przygotowawczy i beztlenowy, dlatego substancje organiczne nie ulegają całkowitemu utlenieniu i magazynuje się znacznie mniej energii.

Rozważmy trzy etapy metabolizmu energetycznego (ryc. 54).

Etap przygotowawczy. Ten etap zachodzi w przewodzie pokarmowym i lizosomach komórek. Tutaj pod wpływem enzymów trawiennych związki wielkocząsteczkowe rozkładają się na prostsze, niskocząsteczkowe związki: białka – na aminokwasy, polisacharydy – na monosacharydy, tłuszcze – na glicerol i kwasy tłuszczowe. Energia uwalniana podczas tych reakcji nie jest magazynowana, lecz rozpraszana w postaci ciepła. Substancje niskocząsteczkowe powstałe na etapie przygotowawczym mogą zostać wykorzystane przez organizm do syntezy własnych związków organicznych, czyli wejść do metabolizmu plastycznego lub ulec dalszemu rozkładowi w celu magazynowania energii.

Ryż. 54. Etapy metabolizmu energetycznego

Etap beztlenowy. Drugi etap zachodzi w cytoplazmie komórek, gdzie następuje dalszy rozkład prostych substancji organicznych. Organizm nie wykorzystuje powstałych w pierwszym etapie aminokwasów w kolejnych etapach dysymilacji, gdyż potrzebuje ich jako materiału do syntezy własnych cząsteczek białka. Dlatego bardzo rzadko wykorzystuje się białka do pozyskiwania energii, zwykle dopiero wtedy, gdy pozostałe rezerwy (węglowodany i tłuszcze) zostały już wyczerpane. Zazwyczaj najbardziej dostępnym źródłem energii w komórce jest glukoza.

Nazywa się złożony, wieloetapowy proces beztlenowego rozkładu glukozy na drugim etapie metabolizmu energetycznego glikoliza(z greckiego glikozy- słodki i Liza- rozdzielać).

W wyniku glikolizy glukoza rozkłada się na prostsze związki organiczne (glukoza C 6 H 12 O 6 - kwas pirogronowy C 3 H 4 O 3). Powoduje to uwolnienie energii, z której 60% jest rozpraszane w postaci ciepła, a 40% jest wykorzystywane do syntezy ATP. Kiedy jedna cząsteczka glukozy ulega rozkładowi, powstają dwie cząsteczki ATP i dwie cząsteczki kwasu pirogronowego. Zatem na drugim etapie dysymilacji organizm zaczyna magazynować energię.

Dalszy los kwasu pirogronowego zależy od obecności tlenu w komórce. Jeśli w organizmie obecny jest tlen, kwas pirogronowy przedostaje się do mitochondriów, gdzie ulega całkowitemu utlenieniu do CO 2 i H 2 O i następuje trzeci, tlenowy etap metabolizmu energetycznego (patrz niżej).

W przypadku braku tlenu dochodzi do tak zwanego oddychania beztlenowego, które często nazywa się fermentacja. W komórkach drożdży podczas fermentacji alkoholowej kwas pirogronowy (PVA) przekształca się w alkohol etylowy (PVA? Alkohol etylowy + CO2).

Podczas fermentacji kwasu mlekowego z PVC powstaje kwas mlekowy. Proces ten może zachodzić nie tylko u bakterii kwasu mlekowego. Podczas wytężonej pracy fizycznej w komórkach tkanki mięśniowej człowieka dochodzi do niedoboru tlenu, co skutkuje powstawaniem kwasu mlekowego, którego nagromadzenie powoduje uczucie zmęczenia, bólu, a czasem nawet skurcze.

Etap tlenowy. W trzecim etapie produkty powstałe podczas beztlenowego rozkładu glukozy ulegają utlenieniu do dwutlenku węgla i wody. Uwalnia to dużą ilość energii, której znaczna część jest wykorzystywana do syntezy ATP. Proces ten zachodzi w mitochondriach i nazywa się oddychania komórkowego. Podczas oddychania komórkowego utlenianie dwóch cząsteczek PVC uwalnia energię zmagazynowaną przez organizm w postaci 36 cząsteczek ATP.

Tak więc w procesie metabolizmu energetycznego z całkowitym utlenieniem jednej cząsteczki glukozy do dwutlenku węgla i wody powstaje 38 cząsteczek ATP (2 cząsteczki w procesie glikolizy i 36 w procesie oddychania komórkowego w mitochondriach):

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

W warunkach beztlenowych wydajność metabolizmu energetycznego jest znacznie niższa – tylko 2 cząsteczki ATP. Produkty fermentacji (alkohol etylowy, kwas mlekowy, kwas masłowy) nadal zachowują dużo energii w swoich wiązaniach chemicznych, co oznacza, że ​​droga dysymilacji tlenu jest bardziej energetycznie korzystna. Ale historycznie rzecz biorąc, fermentacja jest procesem starszym. Można było tego dokonać nawet wtedy, gdy w atmosferze starożytnej Ziemi nie było wolnego tlenu.

Przejrzyj pytania i zadania

1. Co to jest dysymilacja? Wymień jego etapy.

2. Jaka jest rola ATP w metabolizmie komórkowym?

3. Jakie struktury komórkowe przeprowadzają syntezę ATP?

4. Wyjaśnij metabolizm energetyczny w komórce na przykładzie rozkładu glukozy.

5. Narysuj schematyczny diagram procesu dysymilacji, podsumowując na jednym schemacie wszystkie jego możliwe opcje wymienione w tekście akapitu (w tym fermentację).

6. Synonimy słów „dysymilacja” i „asymilacja” to terminy „katabolizm” i „anabolizm”. Wyjaśnij pochodzenie tych terminów.

Myśleć! Zrób to!

1. Wyjaśnij, dlaczego nadmierne spożywanie pokarmów prowadzi do otyłości.

2. Dlaczego wymiana energii nie może istnieć bez wymiany plastycznej?

3. Jak myślisz, dlaczego po ciężkiej pracy fizycznej, aby szybko złagodzić bóle mięśni, zaleca się ciepłą kąpiel?

Pracuj z komputerem

Zapoznaj się z wnioskiem elektronicznym. Przestudiuj materiał i wykonaj zadania.

Z książki Pies służbowy [Przewodnik po szkoleniu specjalistów w hodowli psów służbowych] autor Krusziński Leonid Wiktorowicz

3. Metabolizm jako podstawa życia „Życie jest formą istnienia ciał białkowych” – pisał F. Engels. Można zatem powiedzieć, że białko jest nośnikiem życia. Białko jest złożoną substancją składającą się z wielu pierwiastków, w tym z obecności azotu.

Z książki Anatomia i fizjologia wieku autor Antonowa Olga Aleksandrowna

Temat 10. CECHY WIEKU METABOLIZMU I ENERGII 10.1. Charakterystyka procesów metabolicznych Metabolizm i energia stanowią podstawę procesów życiowych organizmu. W organizmie człowieka, w jego narządach, tkankach, komórkach zachodzi ciągły proces syntezy, tj.

Z książki Biologia [Kompletny podręcznik do przygotowania do jednolitego egzaminu państwowego] autor Lerner Georgy Isaakovich

Z książki Stop, kto prowadzi? [Biologia zachowań ludzi i innych zwierząt] autor Żukow. Dmitri Anatoliewicz

Z książki Opowieści o bioenergii autor Skulachev Władimir Pietrowicz

Z książki Biologia. Biologia ogólna. Klasa 11. Podstawowy poziom autor Siwoglazow Władysław Iwanowicz

Z książki Sekrety ludzkiej dziedziczności autor Afonkin Siergiej Juriewicz

Z książki Antropologia i koncepcje biologii autor Kurczanow Nikołaj Anatoliewicz

Z książki Chemia biologiczna autor Lelewich Władimir Waleryanowicz

Z książki autora

METABOLIZM WĘGLOWODANÓW Jeszcze raz podkreślić należy, że procesy zachodzące w organizmie stanowią jedną całość i jedynie dla wygody prezentacji i łatwości percepcji zostały omówione w podręcznikach i podręcznikach w odrębnych rozdziałach. Dotyczy to również podziału na

Z książki autora

Rozdział 2. Czym jest metabolizm energetyczny? Jak komórka otrzymuje i wykorzystuje energię Aby żyć, musisz pracować. Ta codzienna prawda ma zastosowanie do każdej żywej istoty. Wszystkie organizmy: od jednokomórkowych drobnoustrojów po wyższe zwierzęta i ludzi – nieustannie działają

Z książki autora

25. Połączenia żywnościowe. Obieg materii i energii w ekosystemach Pamiętaj! Jakie istotne składniki wchodzą w skład każdego ekosystemu? Organizmy żywe pozostają w ciągłej interakcji między sobą oraz z czynnikami środowiskowymi, tworząc zrównoważony

Z książki autora

Metabolizm Nasze choroby są wciąż takie same jak tysiące lat temu, tylko lekarze wymyślili dla nich droższe nazwy. Mądrość ludowa - Wysoki poziom cholesterolu można dziedziczyć - Wczesna śmiertelność i geny odpowiedzialne za utylizację cholesterolu - Czy jest to dziedziczone

Z książki autora

2.3. Metabolizm i energia Cały zestaw reakcji chemicznych zachodzących w organizmach żywych nazywany jest metabolizmem lub metabolizmem. W wyniku tych reakcji energia zgromadzona w wiązaniach chemicznych ulega przemianie w inne formy, tzn. metabolizm jest zawsze

Z książki autora

Rozdział 10. Metabolizm energetyczny. Utlenianie biologiczne Organizmy żywe z punktu widzenia termodynamiki są układami otwartymi. Wymiana energii pomiędzy układem a otoczeniem możliwa jest zgodnie z prawami termodynamiki. Każde organiczne

Wszystkie żywe organizmy wymieniają substancje ze środowiskiem zewnętrznym. W komórkach stale zachodzą procesy biosyntezy. Dzięki enzymom z prostych substancji powstają złożone związki: białka syntetyzuje się z aminokwasów, złożone węglowodany syntetyzuje się z monosacharydów, a kwasy nukleinowe syntetyzuje się z zasad azotowych. Różne tłuszcze i oleje powstają w wyniku przemian chemicznych stosunkowo prostych substancji. Chityna stanowi zewnętrzną osłonę stawonogów, tworząc chitynę – złożony polisacharyd (s. 7), u ptaków i ssaków zewnętrzną osłonę stanowi substancja rogowa, której podstawą jest białko keratyna. Ostatecznie skład syntetyzowanych dużych cząsteczek organicznych zależy od genotypu. Zsyntetyzowane substancje są wykorzystywane podczas wzrostu do budowy komórek i ich organelli oraz do zastąpienia zużytych lub zniszczonych cząsteczek. Bez wyjątku wszystkie interakcje biosyntezy zachodzą wraz z absorpcją energii.

Wymiana plastiku

Metabolizm plastyczny, inaczej nazywany biosyntezą lub anabolizmem, wymiana ta zachodzi wyłącznie w komórce. Metabolizm tworzyw sztucznych dzieli się na trzy typy: fotosyntezę, chemosyntezę i biosyntezę białek. Fotosynteza jest wykorzystywana przez rośliny i tylko niektóre bakterie (cyjanobakterie). Takie organizmy nazywane są autotrofami. Chemosyntezę wykorzystują niektóre bakterie, w tym beztlenowe. Takie organizmy nazywane są chemotrofami. Zwierzęta i grzyby zaliczane są do stworzeń heterotroficznych.

Fotosynteza

Proces fotosyntezy zachodzi poprzez reakcję polegającą na tworzeniu glukozy i tlenu z dwutlenku węgla i wody. Fotosynteza ma dwie fazy, jasną i ciemną. W fazie jasnej proces fotosyntezy zachodzi w granie chloroplastu, natomiast w fazie ciemnej w zrębie chloroplastu (patrz dodatek 7). Bez energii słonecznej fotosynteza nie miałaby swojego znaczenia, dlatego jest to istotny czynnik. Podczas tego procesu z sześciu cząsteczek tlenu i jednej cząsteczki glukozy powstaje sześć cząsteczek dwutlenku węgla i wody. Proces fotosyntezy zachodzi w chloroplastach, chlorofil występuje w organellach, dzięki czemu zachodzi synteza.

6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2

Chemosynteza

Chemosynteza jest charakterystyczna dla bakterii takich jak bakterie siarkowe, nitryfikacyjne i żelazowe. Bakterie wykorzystują energię uzyskaną w procesie utleniania substancji do redukcji dwutlenku węgla do związków organicznych. (patrz dodatek 8) Bakterie siarkowe utleniają substancje takie jak siarkowodór, bakterie nitryfikacyjne utleniają amoniak, a bakterie żelazowe utleniają tlenek żelaza.

Biosynteza białek

Metabolizm plastyczny to synteza białek przez komórkę. Wymiana obejmuje dwa główne procesy: transkrypcję i tłumaczenie.

Transkrypcja- Jest to proces syntezy informacyjnego RNA przy użyciu DNA zgodnie z zasadą komplementarności. (patrz dodatek 9)

Transkrypcja składa się z trzech etapów:

Pierwotne tworzenie transkryptu

Przetwarzanie

Łączenie

Audycja- transfer informacji o strukturze białka z informacyjnego RNA do zsyntetyzowanego polipeptydu. (patrz dodatek 10) Proces ten zachodzi w cytoplazmie na rybosomie. Transmisja odbywa się w czterech etapach. W pierwszym etapie aminokwasy są aktywowane przez specjalny enzym - syntetazę aminoacylo-T-RNA. W procesie tym wykorzystuje się energię w postaci ATP. Następnie tworzy się adenylan minoacylu. Następnie następuje proces przylegania aktywowanego aminokwasu do transferującego RNA i uwalniany jest AMP. Ponadto w trzecim etapie utworzony kompleks wiąże się z rybosomem. Aminokwasy są następnie włączane do struktury białka w określonej sekwencji, po czym uwalniany jest transferowy RNA.

Wymiana energii

Metabolizm energetyczny nazywany jest także katabolizmem. Metabolizm plastyczny i energetyczny są ze sobą ściśle powiązane, gdyż do przeprowadzenia metabolizmu plastycznego (anabolizmu) potrzebna jest energia, którą komórka uzyskuje na drodze katabolizmu. Korzystając z tego procesu, komórka syntetyzuje niezbędne kwasy nukleinowe, białka, węglowodany itp. Metabolizm energetyczny to proces, podczas którego substancje o złożonej budowie rozkładają się na prostsze lub utleniają, dzięki czemu organizm pozyskuje niezbędną do życia energię. Wyróżnia się trzy etapy metabolizmu energetycznego:

Etap przygotowawczy

Etap beztlenowy – glikoliza (bez tlenu)

Etap tlenowy - oddychanie komórkowe (z udziałem tlenu)

Etap przygotowawczy

Na tym etapie polimery przekształcają się w monomery, czyli związki takie jak białka, węglowodany i lipidy rozkładają się na prostsze. Proces ten zachodzi na zewnątrz komórki, w narządach układu pokarmowego. Na tym etapie metabolizmu energetycznego tlen nie jest potrzebny. W wyniku reakcji białko rozkłada się na aminokwasy, węglowodany złożone na proste monosacharydy, a lipidy na glicerol i wyższe kwasy. Ten etap zachodzi również w lizosomach komórki.

Etap beztlenowy

Ten etap nazywany jest inaczej fermentacją lub glikolizą. Substancje powstałe w fazie przygotowawczej – glukoza, aminokwasy itp. – ulegają późniejszemu rozkładowi enzymatycznemu bez udziału tlenu. Węglowodany są głównie fermentowane. Podczas reakcji chemicznych stosowanych na tym etapie katabolizmu powstają alkohole, dwutlenek węgla, aceton, kwasy organiczne, a w niektórych przypadkach wodór i inne substancje. Glikoliza to proces rozkładu glukozy w warunkach beztlenowych do kwasu pirogronowego (PVA), następnie do kwasu mlekowego, octowego, masłowego czy alkoholu etylowego, zachodzący w cytoplazmie komórki. Podczas rozszczepienia beztlenowego część uwolnionej energii jest rozpraszana w postaci ciepła, a część magazynowana jest w cząsteczkach ATP. Powszechną reakcją zachodzącą w komórkach zwierzęcych i grzybów jest uwolnienie kwasu pirogronowego.

Podstawowa reakcja chemiczna na tym etapie wygląda następująco:

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

W wyniku tego procesu powstają dwie cząsteczki ATP.

Etap aerobowy

Ten etap zachodzi w mitochondriach. (patrz dodatek 11) Na tym etapie substancje ulegają utlenieniu, dzięki czemu uwalniana jest pewna ilość energii. Tlen bierze udział w tym samym procesie. Tlen jest transportowany za pomocą czerwonych krwinek zawierających hemoglobinę. Substancje otrzymane w poprzednich etapach komórka rozkłada do najprostszych, czyli do dwutlenku węgla i wody. Enzymy zawarte w lizosomach utleniają związki organiczne w komórce. ADP – difosforan adenozyny – substancja niezbędna także do produkcji energii na skutek oddychania komórkowego. Podstawowa reakcja chemiczna na tym etapie wygląda następująco:

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

W wyniku tego procesu powstaje 36 cząsteczek ATP.

Z tego równania widać, że na tym etapie uwalniana jest znaczna ilość energii. Dodatkowo na tym etapie może nastąpić reakcja całkowitego utlenienia kwasu pirogronowego, w wyniku której uwalniana jest również energia, ale w mniejszych ilościach.

W rezultacie po całkowitym rozpadzie jednej cząsteczki glukozy komórka może zsyntetyzować 38 cząsteczek ATP (2 cząsteczki podczas glikolizy i 36 cząsteczek w fazie tlenowej). (patrz dodatek 12)

Ogólne równanie oddychania tlenowego można zapisać w następujący sposób:

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

Wniosek

Komórka jest wysoce zorganizowaną jednostką życia. Absorpcja, transformacja, magazynowanie i wykorzystanie substancji i energii odbywa się poprzez komórki. To w komórce zachodzą procesy takie jak oddychanie, fermentacja, fotosynteza i powielanie materiału genetycznego. A takie procesy zachodzą zarówno w organizmach o prostej budowie (jednokomórkowe), jak i w organizmach o złożonej strukturze (wielokomórkowe). Życie wszystkich organizmów zależy od ich komórek.

Aplikacja

Aneks 1

Załącznik 2

Dodatek 3

Dodatek 4

Dodatek 5

Załącznik 6

Załącznik 7

Dodatek 8

Załącznik 9

Metabolizm substancji i energii (metabolizm) zachodzi na wszystkich poziomach organizmu: komórkowym, tkankowym i organizmowym. Zapewnia stałość środowiska wewnętrznego organizmu – homeostazę – w ciągle zmieniających się warunkach egzystencji. W komórce zachodzą jednocześnie dwa procesy: metabolizm plastyczny (anabolizm lub asymilacja) i metabolizm energetyczny (fatabolizm lub dysymilacja).

Metabolizm tworzyw sztucznych to zespół reakcji biosyntezy, czyli tworzenia złożonych cząsteczek z prostych. Komórka stale syntetyzuje białka z aminokwasów, tłuszcze z glicerolu i kwasów tłuszczowych, węglowodany z monosacharydów, nukleotydy z zasad azotowych i cukrów. Reakcje te wymagają energii. Wykorzystana energia jest uwalniana poprzez wymianę energii. Metabolizm energetyczny to zespół reakcji rozkładających złożone związki organiczne na prostsze cząsteczki. Część wyzwolonej w tym przypadku energii trafia do syntezy cząsteczek ATP (kwasu adenozynotrifosforowego) bogatych w wiązania energetyczne. Rozkład substancji organicznych zachodzi w cytoplazmie i mitochondriach przy udziale tlenu. Reakcje asymilacji i dysymilacji są ściśle powiązane ze sobą i środowiskiem zewnętrznym. Organizm otrzymuje składniki odżywcze ze środowiska zewnętrznego. Substancje odpadowe uwalniane są do środowiska zewnętrznego.

Enzymy (enzymy) to specyficzne białka, katalizatory biologiczne, które przyspieszają reakcje metaboliczne w komórce. Wszystkie procesy zachodzące w żywym organizmie zachodzą bezpośrednio lub pośrednio przy udziale enzymów. Enzym katalizuje tylko jedną reakcję lub działa tylko na jeden rodzaj wiązania. Zapewnia to precyzyjną regulację wszystkich procesów życiowych (oddychanie, trawienie, fotosynteza itp.) zachodzących w komórce lub ciele. W cząsteczce każdego enzymu znajduje się miejsce, w którym następuje kontakt cząsteczek enzymu z określoną substancją (substratem). Aktywnym centrum enzymu jest grupa funkcyjna (na przykład grupa OH - seryna) lub oddzielny aminokwas.

Szybkość reakcji enzymatycznych zależy od wielu czynników: temperatury, ciśnienia, kwasowości środowiska, obecności inhibitorów itp.

Etapy metabolizmu energetycznego:

• Przygotowawczy- występuje w cytoplazmie komórek. Pod wpływem enzymów polisacharydy rozkładają się na monosacharydy (glukozę, fruktozę itp.), tłuszcze rozkładają się na glicerol i kwasy tłuszczowe, białka na aminokwasy, a kwasy nukleinowe na nukleotydy. Uwalnia to niewielką ilość energii, która jest rozpraszana w postaci ciepła.
• Beztlenowy(oddychanie beztlenowe lub glikoliza) – wieloetapowy rozkład glukozy bez udziału tlenu. Nazywa się to fermentacją. W mięśniach w wyniku oddychania beztlenowego cząsteczka glukozy rozkłada się na dwie cząsteczki kwasu liruwowego (C 3 H 4 O 3), które następnie ulegają redukcji do kwasu mlekowego (C 3 H 6 O 3). Kwas fosforowy i ADP biorą udział w rozkładzie glukozy.

  Ogólne równanie dla tego etapu: C 6 H 12 O 6 + 2H 3 PO 4 + 2ADP -> 2C 3 H 6 O 3 + 2ATP + 2H 2 O

  U grzybów drożdżowych cząsteczka glukozy bez udziału tlenu ulega przemianie w alkohol etylowy i dwutlenek węgla (fermentacja alkoholowa). U innych mikroorganizmów glikoliza może skutkować powstaniem acetonu, kwasu octowego itp. Rozpad jednej cząsteczki glukozy powoduje powstanie dwóch cząsteczek ATP, w których wiązaniach magazynowane jest 40% energii, reszta energii jest rozpraszana w postać ciepła.

• Oddychanie tlenem- etap oddychania tlenowego, czyli rozszczepienia tlenu, który zachodzi na fałdach wewnętrznej błony mitochondriów - cristae. Na tym etapie substancje z poprzedniego etapu rozkładają się na końcowe produkty rozkładu – wodę i dwutlenek węgla. W wyniku rozkładu dwóch cząsteczek kwasu mlekowego powstaje 36 cząsteczek ATP. Głównym warunkiem prawidłowego przebiegu rozkładu tlenu jest integralność błon mitochondrialnych. Oddychanie tlenowe jest głównym etapem dostarczania komórkom tlenu. Jest 20 razy bardziej wydajny niż etap beztlenowy.

  Ogólne równanie rozkładu tlenu wygląda następująco: 2C 3 H 6 0 3 + 60 2 + 36H 3 PO 4 + 36ADP -> 6CO 2 + 38H 2 O + 36ATP

Zgodnie z metodą pozyskiwania energii wszystkie organizmy dzielą się na dwie grupy - autotroficzne i heterotroficzne.

Metabolizm energetyczny w komórkach tlenowych roślin, grzybów i zwierząt przebiega w ten sam sposób. To wskazuje na ich związek. Liczba mitochondriów w komórkach tkankowych jest różna i zależy od aktywności funkcjonalnej komórek. Na przykład w komórkach mięśniowych znajduje się wiele mitochondriów.

Rozkład tłuszczów na glicerynę i kwasy tłuszczowe przeprowadzają enzymy - lipazy. Białka są najpierw rozkładane na oligopeptydy, a następnie na aminokwasy.

Enzymy (od łacińskiego „fermentum” - fermentacja, zaczyn), enzymy, specyficzne białka, które zwiększają szybkość reakcji chemicznych w komórkach wszystkich żywych organizmów. Z natury chemicznej - białka, które mają optymalną aktywność przy określonym pH, obecność niezbędnych koenzymów i kofaktorów oraz brak inhibitorów. Enzymy nazywane są również biokatalizatorami przez analogię z katalizatorami w chemii. Każdy rodzaj enzymu katalizuje przemianę określonych substancji (substratów), czasami tylko jednej substancji w jednym kierunku. Dlatego liczne reakcje biochemiczne w komórkach przeprowadzane są przez ogromną liczbę różnych enzymów. Dzielą się na 6 klas: oksydoreduktazy, transferazy, hydrolazy, liazy, izomerazy i ligazy. Wiele enzymów wyizolowano z żywych komórek i otrzymano w postaci krystalicznej (po raz pierwszy w 1926 r.).

Rola enzymów w organizmie

Enzymy biorą udział we wszystkich procesach metabolicznych i wdrażaniu informacji genetycznej. Trawienie i przyswajanie składników odżywczych, synteza i rozkład białek, kwasów nukleinowych, tłuszczów, węglowodanów i innych związków w komórkach i tkankach wszystkich organizmów – wszystkie te procesy nie są możliwe bez udziału enzymów. Wszelkie przejawy funkcji żywego organizmu - oddychanie, skurcze mięśni, aktywność neuropsychiczna, rozmnażanie itp. - zapewniają działanie enzymów. O indywidualnych cechach komórek pełniących określone funkcje w dużej mierze decyduje unikalny zestaw enzymów, których produkcja jest zaprogramowana genetycznie. Brak choćby jednego enzymu lub jego defekt może prowadzić do poważnych negatywnych konsekwencji dla organizmu.

Właściwości katalityczne enzymów

Enzymy są najbardziej aktywnymi ze wszystkich znanych katalizatorów. Większość reakcji w komórce przebiega miliony i miliardy razy szybciej, niż gdyby zachodziły przy braku enzymów. Zatem jedna cząsteczka enzymu katalazy jest w stanie w ciągu sekundy przekształcić aż do 10 tysięcy cząsteczek toksycznego dla komórek nadtlenku wodoru, powstającego podczas utleniania różnych związków, w wodę i tlen. Właściwości katalityczne enzymów wynikają z ich zdolności do znacznego zmniejszania energii aktywacji reagujących związków, czyli w obecności enzymów do „rozpoczęcia” danej reakcji potrzeba mniej energii.

Historia odkrycia enzymów

Procesy zachodzące z udziałem enzymów znane są człowiekowi od czasów starożytnych, gdyż przygotowanie chleba, serów, wina i octu opiera się na procesach enzymatycznych. Jednak dopiero w 1833 roku po raz pierwszy z kiełkujących ziaren jęczmienia wyizolowano substancję czynną, która przekształcała skrobię w cukier i nazwano ją diastazą (obecnie enzym ten nazywa się amylazą). Pod koniec XIX wieku. Udowodniono, że sok uzyskany w wyniku rozdrobnienia komórek drożdży zawiera złożoną mieszaninę enzymów, które zapewniają proces fermentacji alkoholowej. Od tego czasu rozpoczęły się intensywne badania enzymów – ich budowy i mechanizmu działania. Ponieważ w badaniu fermentacji odkryto rolę biokatalizy, to właśnie z tym procesem od XIX wieku łączono dwa uznane procesy. nazwy to „enzym” (przetłumaczone z greckiego „z drożdży”) i „enzym”. To prawda, że ​​​​ostatni synonim jest używany tylko w literaturze rosyjskojęzycznej, chociaż kierunek naukowy zajmujący się badaniem enzymów i procesów z ich udziałem jest tradycyjnie nazywany enzymologią. W pierwszej połowie XX wieku. Ustalono, że enzymy ze swej natury chemicznej są białkami, a w drugiej połowie stulecia dla wielu setek enzymów ustalono już sekwencję reszt aminokwasowych i ustalono strukturę przestrzenną. W 1969 roku po raz pierwszy przeprowadzono syntezę chemiczną enzymu rybonukleazy. Dokonano ogromnego postępu w zrozumieniu mechanizmu działania enzymów.

Lokalizacja enzymów w organizmie

W komórce niektóre enzymy znajdują się w cytoplazmie, ale większość enzymów jest związana z określonymi strukturami komórkowymi, gdzie wywierają swoje działanie. W jądrze znajdują się na przykład enzymy odpowiedzialne za replikację - syntezę DNA (polimeraza DNA) i za jego transkrypcję - tworzenie RNA (polimeraza RNA). Mitochondria zawierają enzymy odpowiedzialne za magazynowanie energii, lizosomy zawierają większość enzymów hydrolitycznych biorących udział w rozkładzie kwasów nukleinowych i białek.

Warunki działania enzymów

Wszystkie reakcje z udziałem enzymów zachodzą głównie w środowisku obojętnym, lekko zasadowym lub lekko kwaśnym. Jednak maksymalna aktywność każdego pojedynczego enzymu występuje przy ściśle określonych wartościach pH. Dla działania większości enzymów u zwierząt ciepłokrwistych najkorzystniejsza jest temperatura 37-40oC. W roślinach, w temperaturach poniżej 0o C, działanie enzymów nie zatrzymuje się całkowicie, chociaż aktywność życiowa roślin gwałtownie spada. Procesy enzymatyczne z reguły nie mogą zachodzić w temperaturach powyżej 70o C, gdyż enzymy, jak każde białko, ulegają denaturacji termicznej (zniszczeniu strukturalnemu).

Wielkości enzymów i ich budowa

Masa cząsteczkowa enzymów, podobnie jak wszystkich innych białek, mieści się w przedziale 10 tys. - 1 milion (ale może być większa). Mogą składać się z jednego lub większej liczby łańcuchów polipeptydowych i mogą być reprezentowane przez białka złożone. Do tego ostatniego, obok składnika białkowego (apoenzymu), zaliczają się związki niskocząsteczkowe – koenzymy (kofaktory, koenzymy), w tym jony metali, nukleotydy, witaminy i ich pochodne. Niektóre enzymy powstają w postaci nieaktywnych prekursorów (proenzymów) i stają się aktywne po pewnych zmianach w strukturze cząsteczki, na przykład po odszczepieniu z niej małego fragmentu. Należą do nich enzymy trawienne trypsyna i chymotrypsyna, które są syntetyzowane przez komórki trzustki w postaci nieaktywnych prekursorów (trypsynogen i chymotrypsynogen) i stają się aktywne w jelicie cienkim w ramach soku trzustkowego. Wiele enzymów tworzy tak zwane kompleksy enzymatyczne. Takie kompleksy są na przykład osadzone w błonach komórkowych lub organellach komórkowych i biorą udział w transporcie substancji.

Substancja podlegająca przemianie (substrat) wiąże się z określoną częścią enzymu, centrum aktywnym, które tworzą łańcuchy boczne aminokwasów, często zlokalizowane w znacznie odległych od siebie odcinkach łańcucha polipeptydowego. Przykładowo centrum aktywne cząsteczki chymotrypsyny tworzą reszty histydyny zlokalizowane w łańcuchu polipeptydowym w pozycji 57, seryna w pozycji 195 i kwas asparaginowy w pozycji 102 (w sumie w cząsteczce chymotrypsyny znajduje się 245 aminokwasów). Zatem złożone ułożenie łańcucha polipeptydowego w cząsteczce białka - enzymie stwarza możliwość pojawienia się kilku łańcuchów bocznych aminokwasów w ściśle określonym miejscu i w pewnej odległości od siebie. W skład centrum aktywnego wchodzą także koenzymy (część białkowa i składnik niebiałkowy oddzielnie nie mają aktywności enzymatycznej i nabierają właściwości enzymatycznych dopiero po połączeniu).

Procesy z udziałem enzymów

Większość enzymów charakteryzuje się dużą specyficznością (selektywnością) działania, gdy przemiana każdego reagenta (substratu) w produkt reakcji odbywa się za pomocą specjalnego enzymu. W takim przypadku działanie enzymu można ściśle ograniczyć do jednego substratu. Przykładowo enzym ureaza, który bierze udział w rozkładzie mocznika na amoniak i dwutlenek węgla, nie reaguje z metylomocznikiem, który ma podobną budowę. Wiele enzymów działa na kilka powiązanych strukturalnie związków lub na jeden rodzaj wiązania chemicznego (na przykład enzym fosfatazy rozszczepiające wiązanie fosfodiestrowe). Enzym realizuje swoje działanie poprzez utworzenie kompleksu enzym-substrat, który następnie rozkłada się, tworząc produkty reakcji enzymatycznej i uwalniając enzym. W wyniku powstania kompleksu enzym-substrat substrat zmienia swoją konfigurację; w tym przypadku przekształcone wiązanie enzym-chemiczne ulega osłabieniu i reakcja przebiega przy mniejszym początkowym wydatku energii, a co za tym idzie, ze znacznie większą szybkością. Szybkość reakcji enzymatycznej mierzy się ilością substratu przekształconego w jednostce czasu lub ilością utworzonego produktu. Wiele reakcji enzymatycznych, w zależności od stężenia substratu i produktu reakcji w ośrodku, może przebiegać zarówno w kierunku do przodu, jak i do tyłu (nadmiar substratu przesuwa reakcję w stronę powstania produktu, natomiast przy nadmiernym gromadzeniu się później nastąpi synteza substratu). Oznacza to, że reakcje enzymatyczne mogą być odwracalne. Przykładowo anhydraza węglanowa we krwi przekształca pochodzący z tkanek dwutlenek węgla w kwas węglowy (H2CO3), a w płucach przeciwnie, katalizuje przemianę kwasu węglowego w wodę i dwutlenek węgla, który jest usuwany podczas wydechu. Należy jednak pamiętać, że enzymy, podobnie jak inne katalizatory, nie mogą przesuwać równowagi termodynamicznej reakcji chemicznej, a jedynie znacząco przyspieszać osiągnięcie tej równowagi.

Nazewnictwo nazw enzymów

Nazywając enzym jako zasadę, weź nazwę substratu i dodaj przyrostek „aza”. Tak w szczególności pojawiły się proteinazy - enzymy rozkładające białka (białka), lipazy (rozkładające lipidy lub tłuszcze) itp. Niektóre enzymy otrzymały specjalne (trywialne) nazwy, np. Enzymy trawienne - pepsyna, chymotrypsyna i trypsyna .

W komórkach organizmu zachodzi kilka tysięcy różnych reakcji metabolicznych, dlatego też liczba enzymów jest taka sama. Aby wprowadzić taką różnorodność do systemu, przyjęto międzynarodowe porozumienie w sprawie klasyfikacji enzymów. Zgodnie z tym systemem wszystkie enzymy, w zależności od rodzaju katalizowanych przez nie reakcji, podzielono na sześć głównych klas, z których każda zawiera szereg podklas. Dodatkowo każdy enzym otrzymał czterocyfrowy numer kodowy (szyfr) oraz nazwę wskazującą reakcję, którą enzym katalizuje. Enzymy katalizujące tę samą reakcję w organizmach różnych gatunków mogą znacznie różnić się budową białek, ale w nomenklaturze mają wspólną nazwę i jeden numer kodowy.

Choroby związane z upośledzoną produkcją enzymów

Brak lub spadek aktywności któregokolwiek enzymu (często nadmierna aktywność) u człowieka prowadzi do rozwoju chorób (enzymopatii) lub śmierci organizmu. Zatem dziedziczna choroba dzieci - galaktozemia (prowadzi do upośledzenia umysłowego) - rozwija się w wyniku naruszenia syntezy enzymu odpowiedzialnego za przekształcanie galaktozy w łatwo przyswajalną glukozę. Przyczyną innej choroby dziedzicznej - fenyloketonurii, której towarzyszy zaburzenie aktywności umysłowej, jest utrata zdolności komórek wątroby do syntezy enzymu katalizującego przemianę aminokwasu fenyloalaniny w tyrozynę. Oznaczanie aktywności wielu enzymów we krwi, moczu, płynie mózgowo-rdzeniowym, nasieniu i innych płynach ustrojowych służy do diagnozowania wielu chorób. Dzięki tej analizie surowicy krwi można wcześnie wykryć zawał mięśnia sercowego, wirusowe zapalenie wątroby, zapalenie trzustki, zapalenie nerek i inne choroby.

Zastosowanie enzymów przez człowieka

Ponieważ enzymy zachowują swoje właściwości poza organizmem, są z powodzeniem stosowane w różnych gałęziach przemysłu. Na przykład enzym proteolityczny z papai (z soku z papai) - w warzeniu, do zmiękczania mięsa; pepsyna – w produkcji „gotowych” zbóż oraz jako produkt leczniczy; trypsyna – w produkcji artykułów spożywczych dla dzieci; podpuszczka (podpuszczka z żołądka cielęcego) – do produkcji sera. Katalaza jest szeroko stosowana w przemyśle spożywczym i gumowym, a celulazy i pektydazy rozkładające polisacharydy stosuje się do klarowania soków owocowych. Enzymy są niezbędne przy ustalaniu struktury białek, kwasów nukleinowych i polisacharydów, w inżynierii genetycznej itp. Za pomocą enzymów otrzymuje się leki i złożone związki chemiczne.

Odkryto zdolność niektórych form kwasów rybonukleinowych (rybozymów) do katalizowania poszczególnych reakcji, czyli pełnienia funkcji enzymów. Być może podczas ewolucji świata organicznego rybozymy służyły jako biokatalizatory, zanim funkcja enzymatyczna została przeniesiona na białka lepiej przystosowane do wykonywania tego zadania.