Самостійна робота

Тема: Обмін речовин і енергії в клітині – енергетичний і пластичний обмін

        Основою життєдіяльності клітини є обмін речовин і перетворення енергії. Обмін речовин — сукупність всіх реакцій синтезу та розпаду, що проходять в організмі і характеризуються виділенням або поглинанням енергії. Обмін речовин та енергії являє собою два взаємозалежних і протилежних процеси: асиміляцію і дисиміляцію.

Асиміляція, або пластичний обмін, — сукупність реакцій синтезу виеокомолекулярних органічних речовин, що супроводжуються поглинанням енергії внаслідок розпаду молекул АТФ.

Дисиміляція, або енергетичний обмін, — сукупність реакцій розщеплення й окиснення органічних речовин, що супроводжуються виділенням енергії і нагромадженням її в синтезованих молекулах АТФ.

Усі реакції обміну речовин та енергії проходять у присутності ферментів. АТФ е основною речовиною, що забезпечує всі енергетичні процеси в клітині, нагромаджує енергію у процесі енергетичного обміну і віддає її у процесі пластичного обміну.

Єдиним джерелом енергії на землі є сонце. Клітини рослин за допомогою хлоропластів поглинають енергію сонця, перетворюючи її на енергію хімічних зв'язків молекул синтезованих органічних речовин. У рослинах проходить первинний синтез органічних речовин із неорганічних: вуглекислого газу та води за рахунок енергії сонця. Всі інші організми використовують готові органічні речовини, розщеплюють їх, а енергія, що виділяється, нагромаджується в молекулах АТФ. Накопичена енергія використовується у процесі пластичного обміну на синтез органічних речовин, специфічних для кожного організму. Частина енергії у процесі обміну речовин постійно втрачається у вигляді тепла, тому для систем живих організмів необхідний постійний потік енергії. Таким чином, сонячна енергія акумулюється в органічних речовинах, а потім використовується у процесах життєдіяльності організму.

ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ОБМІН

Енергетичний обмін складається з трьох етапів.

І етап — підготовчий. На першому етапі відбувається розщеплення високомолекулярних органічних речовин на більш прості у процесі реакцій гідролізу, що проходять за участю води. Він проходить у травному каналі, а на клітинному рівні — в лізосомах. Вся енергія, що виділяється на підготовчому етапі, розсіюється у вигляді тепла.

II етап — гліколіз, безкисневе розщеплення.
Глюкоза е основною сполукою в обміні речовин організму. Всі інші речовини на різних стадіях беруть участь у процесах її перетворення. Подальше розщеплення органічних речовин розглядається на прикладі обміну глюкози.

Процес гліколізу проходить у цитоплазмі. Глюкоза розщеплюється на 2 молекули піровиноградної кислоти (ПВК), яка, залежно від типу клітин і організмів, може перетворюватися на молочну кислоту, спирт або інші органічні речовини. При цьому енергія, що виділяється, частково акумулюється у 2 молекулах АТФ, а частково витрачається у вигляді тепла. Безкисневі процеси називають бродінням.

У результаті ступінчастого розщеплення глюкози утворюються 2 молекули ПВК — C₃H₄O₃. При цьому звільняються ще 4 атоми Н, що з'єднуються з переносником НАД⁺, і утворюються 2НАД • Н+Н⁺. Подальша доля ПВК залежить від наявності кисню. В анаеробних умовах ПВК перетворюється на молочну кислоту або етанол за участю тих самих двох молекул 2НАД • Н+Н⁺, які віддають водень. Якщо процес проходить в аеробних умовах, то ПВК і 2НАД • Н+Н⁺ вступають у реакції біологічного окиснення.

III етап — кисневий. Біологічне окиснення проходить у мітохондріях. Піровиноградна кислота надходить до мітохондрій, де перетворюється на оцтову кислоту, з'єднується з ферментом-переносником і вступає у серію циклічних реакцій — цикл Кребса. В результаті цих реакцій за участю кисню утворюються вуглекислий газ і вода, а на кристах мітохондрій завдяки енергії, що виділяється, синтезується 36 молекул АТФ.

ПЛАСТИЧНИЙ ОБМІН

Пластичний обмін (анаболізм, асимиляція) – сукупність біохімічних ферментативних процесів синтезу біоорганічних сполук:

- Поживні речовини (білки, ліпіди і вуглеводи), які поступають з їжею, не схожі на відповідні високомолекулярні сполуки даного організму.

- У процесі травлення ці сполуки розпадаються до мономерів, які використовуються в процесі біосинтезу специфічних високомолекулярних речовин.

До основних процесів пластичного обміну належить біосинтез білків, вуглеводів, ліпідів, нуклеїнових кислот, а також фотосинтез і хемосинтез.

Біосинтез білка проходить у 4 етапи:

І етап. Транспірація – передача інформації про структуру білка з молекули ДНК на і-РНК. Цей процес здійснюється з участю спеціальних ферментів і відбувається так: подвійний ланцюг на певному відрізку роз’єднується і вздовж одного з ланцюгів ДНК починається синтез молекули і-РНК за принципом комплементарності. Певна ділянка ДНК (ген) є матрицею для відповідної і-РНК. і-РНК після транскрипції зазнають процесу сплайсінгу – з новоутвореної і-РНК вирізаються неінформаційні фрагменти – інтрони і зшиваються інформаційні ділянки – інтрони.

Екзони – послідовність нуклеотидів у генах, що кодують синтез білка (інформативна ділянка). Інтрони – послідовність нуклеотидів ДНК, що не кодують синтез білка (неінформативна ділянка). Спейсери – частина ДНК, що взагалі не несе генетичної інформації.

Синтезовані молекули і-РНК переходять із ядра в цитоплазму, а ДНК відновлює свою структуру.

ІІ етап. Активація амінокислот. Цей процес відбувається в цитоплазмі. Активовані молекули амінокислот з’єднуються з молекулами транспортних РНК, кожній з 20 амінокислот відповідає певна т-РНК. У молекулі т-РНК є дві важливі ділянки: до однієї з них прикріплюється відповідна амінокислота, а інша містить триплет нуклеотидів, який відповідає коду даної амінокислоти в молекулі і-РНК. Активовані амінокислоти, сполучені з т-РНК надходять до рибосом.

ІІІ етап. Трансляція – синтез поліпептидних ланцюгів. Відбувається так: молекула і-РНК рухається між двома субодиницями рибосом і до неї послідовно приєднуються молекули т-РНК з амінокислотами. При цьому за принципом комплементарності кодони і-РНК вступають у зв’язок з антикодонами т-РНК. Послідовність розташування амінокислот при цьому визначається порядком чергування триплетів у молекулі і-РНК. Амінокислоти утворюють пептидні зв’язки за рахунок енергії АТФ і в результаті з рибосоми сходить поліпептидний ланцюг.

ІV етап. Термінація – утворення вторинної і третинної структур білкової молекули. Цей етап здійснюється в цитоплазмі шляхом скручування, згортання поліпептидного ланцюга.