Файл: Метаболизм Обмен веществ и энергии основа жизнедеятельности клетки.pptx

Метаболизм

Обмен веществ и энергии – основа жизнедеятельности клетки.

• Обмен веществ и энергии ( метаболизм) - совокупность реакций синтеза и распада, протекающих в организме , связанных с выделением и поглощением энергии.

Обмен веществ и энергии.

Энергетический обмен

Энергетический обмен.

• I. Этап подготовительный. Осуществляется в пищеварительной системе или фагосомах клеток под действием ферментов. Сущность процесса:

ферменты

Сложные вещества простые вещества + Q (тепловая)

белки углеводы жиры

аминокислоты глюкоза глицерин + жирные

кислоты

Энергетическая ценность:

Небольшое количество энергии рассеивается в виде тепла.

Энергетический обмен.

• II. Этап бескислородный (анаэробный, гликолиз). Осуществляется в цитоплазме клеток при участии ферментов.

Сущность процесса:

глюкоза 2 пировиноградная кислота:

• С6Н12О6+2Н3РО4 + 2АДФ 2 С3Н4О3+2Н2О+ 2АТФ

ПВК

теплота 60%

синтез 2 АТФ 40%

Энергетическая ценность:

60% - дает тепло;

40% - идет на синтез 2 молекул АТФ, эта часть энергии запасается.

Энергетический обмен.

• Под действием ферментов глюкоза расщепляется до двух молекул ПВК (пировиноградной кислоты). При этом выделяются 4 атома водорода, которые акцептируются 2 молекулы НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид) – он восстанавливается до НАД*Н (это запасенная энергия в дальнейшем будет использоваться для синтеза АТФ). Также за счет распада глюкозы образуются 2 молекулы АТФ из АДФ.

Энергетический обмен.

• III. Кислородный этап (аэробный, дыхание).

Сущность процесса:

Окисление ПВК до конечных продуктов, осуществляется на внутренних мембранах митохондрий.

Уравнение кислородного процесса:

2С3Н4О3 + 6О2 + 36 АДФ + 36 Н3РО4

36 АТФ + 6СО2 + 38Н2О

Молекулы АТФ выходят за пределы митохондрии и участвуют во всех процессах жизнедеятельности.

Энергетическая ценность:

2 молекулы ПВК окисляясь образует 36 молекул АТФ.

Энергетический обмен.

• Два молекулы ПВК поступают на ферментативный кольцевой «конвейер», который называют циклом Кребса или циклом трикарбоновых кислот. Все ферменты этого цикла находятся в матриксе митохондрий.
• Попадая в митохондрии, ПВК окисляется и превращается в богатое энергией вещество – ацетил кофермент А (это производное уксусной кислоты). Далее это вещество реагирует с ЩУК (щавелевоуксусной кислотой), образуя лимонную кислоту (цитрат), кофермент А, протоны (акцептируются НАД+, который превращается НАД*Н) и углекислый газ. В дальнейшем лимонная кислота окисляется и вновь превращается в ЩУК, который реагирует с новой молекулой ацетил кофермента А, и весь цикл повторяется заново. Во время этого процесса накапливается энергия в виде НАД*Н

Энергетический обмен.

• Следующая стадия – окислительное фосфорилирование, которое происходит на внутренней мембране митохондрий. При этом происходит превращение энергии, запасенной в НАД*Н, в энергию связей АТФ. В ходе процесса от НАД*Н ионы водорода и электроны. Электроны перемещаются по цепи переноса электронов к конечному акцептору – молекулярному кислороду. При переходе электронов со ступени на ступень выделяется энергия, которая используется для превращения АДФ в АТФ. Образование АТФ происходит с помощью фермента АТФ – синтетазы.
• Протоны поступают в межмембранное пространство митохондрий. За счет их движения растет разность потенциалов по обе стороны внутренней мембраны митохондрий. По достижению определенной разницы потенциалов по обе стороны внутренней мембраны митохондрий протоны начинают двигаться через канал АТФ-синтетазы, и их энергия используется для синтеза АТФ.

Энергетический обмен.

• Вернувшись в матрикс, Н+ реагируют с кислородом с образованием воды. Во время кислородного этапа образуется 36 молекул АТФ.
• Таким образом, продуктами распада глюкозы являются углекислый газ и вода. При полном расщеплении одной молекулы глюкозы выделяется 38 молекул АТФ.
• При нехватке кислорода в клетке происходит окисление глюкозы с образованием молочной кислоты (например, бег и т.д.), в результате чего образуется только 2 моль АТФ.
• Жирные кислоты также окисляются в клетке до ацетил кофермента А, поступающего в цикл Кребса; при этом также происходит восстановление НАД+ в НАД*Н, который участвует в окислительном фосфорилировании. При острой нехватке в клетке глюкозы и жирных кислот окислению подвергаются многие аминокислоты по той же схеме.

Фотосинтез

Фотосинтез

• Фотосинтез – это образование органических веществ из неорганических при участии солнечной энергии.
• 6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2
• В хлоропластах есть две фотосистемы: фотосистема I и II. Каждая фотосистема содержит реакционный центр, который состоит из хлорофилла α и специального белка. Этот центр поглощает свет определенной длины волны.
• Фотосинтез состоит из двух стадий:

Фотосинтез

• Световая фаза. Происходит в тилакоидах. Энергия света поглощается хлорофиллом и переводит его в возбужденное состояние. Электроны из фотосистем I и II поступают на цепь переноса электронов, т.е. в молекулах хлорофилла остаются незаполненные места для электронов. «Дыры» в фотосистеме I заполняются электронами из фотосистемы II; а «дыры» в фотосистеме II – электронами, которые образуются при фотолизе воды. Во время движения электроны теряют энергию часть которой используются для синтеза АТФ. Электрон из фотосистемы I двигается к молекуле НАДФ+ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), восстанавливая его в НАДФ*Н.

Фотосинтез

• Практически одновременно в хлоропластах происходит фотолиз воды – её расщепление под действием солнечного света. При этом образуются электроны (идут в фотосистему II), протоны (акцептируются НАДФ+) и кислород (как побочный продукт:
• 2Н2О = 4Н+ + 4ē + О2
• Таким образом, в результате световой стадии происходит накопление энергии в виде АТФ и НАДФ*Н, а также образование кислорода.
• Фотосистема I может работать независимо от фотосистемы II. При этом не происходит фотолиз воды и не образуется свободный кислород. Такой тип фотосинтеза характерен для некоторых бактерий.

Фотосинтез

• Темновая фаза. Происходит в матриксе (строме) хлоропластов и не требует наличия света. Сначала происходит карбоксилирование: молекула углекислого газа при помощи ферментов (рибулозобифосфаткарбоксилаза) реагирует с 1,5 – рибулозодифосфатом (производное рибозы). Образуется промежуточное соединение С6, которое разлагается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты (С3).
• Из этих веществ путем сложных реакций синтезируется фруктоза, которая далее изомеризуется в глюкозу. Для этих реакций требуется 18 молекул АТФ и 12 молекул НАДФ*Н. Из глюкозы в растениях образуются сахароза, крахмал и целлюлоза. Фиксация углекислого газа и превращение его в углеводы носит циклический характер и называется циклом Кальвина.

Фотосинтез

• Поскольку первый продукт после карбоксилирования содержит 3 атома углерода, то такие растения называют С3- растениями.
• У многих других растений, преимущественно обитающих в тропических зонах (например, у кукурузы, сахарного тростника и т.д.), темновая фаза протекает по другому: первым продуктом после карбоксилирования будет соединение, содержащие 4 атома углерода (это щавелевоуксусная кислота). Этот процесс происходит в клетках фотосинтезирующей ткани (мезофилла). Затем это соединение поступает в клетки обкладки проводящего пучка, где от него отщепляется углекислый газ и включается в С3-цикл. Таким образом, у этих растений действует два цикла: и С3 и С4.

Фотосинтез

• Факторы, влияющие на скорость и эффективность фотосинтеза:
• Свет – это источник энергии для световой фазы, также он активирует многие ферменты, участвующие в процессе.
• Температура влияет на активность ферментов и всего процесса в целом. Повышение, как и понижение температуры, одинаково уменьшает скорость фотосинтеза. Для каждого вида растений характерен оптимальный температурный диапазон.
• Концентрация углекислого газа. Углекислый газ – источник углерода для образующихся органических веществ, поэтому при его нехватке скорость фотосинтеза снижается. Однако избыток углекислого газа негативно влияет на растения и может приводить к возникновению заболеваний.
• Вода участвует в световой фазе, а также необходима для нормального течения темновой. При нехватке воды фотосинтез сначала замедляется, а затем и вовсе прекращается.

Хемосинтез

Хемосинтез

• Хемосинтез - это процесс образования органических веществ из неорганических при использовании энергии, полученной при окислении неорганических веществ. Он был открыт русским микробиологом С.Н. Виноградским в 19 веке.
• Серобактерии окисляют сероводород до серы и далее до серной кислоты:

• Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак сначала до азотистой кислоты, а её до азотной кислоты.

• Водородные бактерии окисляют водород до воды

Хемосинтез

• Железобактерии окисляют соединения Fe (II) до Fe (III)^

• Энергия, выделяющаяся при окислении неорганических веществ, запасается в виде АТФ и в дальнейшем используется на процессы биосинтеза.
• Хемосинтезирующие бактерии обитают в почве и различных водоемах и играют важную роль в круговороте веществ. Например, благодаря жизнедеятельности железобактерий в природе накапливаются руды железа; а нитрифицирующие бактерии образуют запасы селитры.

Биосинтез белка

Биосинтез белка

• Свойства генетического кода:
• триплетность – каждая аминокислота зашифрована последовательностью из трех нуклеотидов. Эта последовательность называется триплетом или кодоном. Всего существует 64 триплета, из них 61 шифрует аминокислоты, еще 3 не кодирует ни одной аминокислоты;
• вырожденность (избыточность) – каждая аминокислота зашифрована несколькими кодонами (от 2 до 6). Исключением составляют метионин и триптофан – каждая из них кодируется одним триплетом;
• однозначность – каждый кодон шифрует только одну аминокислоту;
• между генами имеются «знаки препинания» (стоп – кодоны) – это три специальные триплета (УАА, УАГ, УГА), которые не кодируют аминокислоты. Эти триплеты находятся в конце каждого гена. Внутри гена «знаков препинания» нет.

Биосинтез белка

• Свойства генетического кода:
• неперекрываемость – один и то же нуклеотид не может входить в два разных кодона, расположенных рядом друг с другом.
• универсальность – генетический код одинаков у всех живых организмов Земли.
• В биосинтезе белка различают три этапа:

Схема синтеза белка.

Биосинтез белка

• Транскрипция
• Это процесс синтеза и-РНК по матрице ДНК. У эукариот происходит в ядре, митохондриях и хлоропластах. У прокариот – в цитоплазме. Двойная спираль состоит из матричной (некодирующей, антисмысловой) и нематричной (кодирующей, смысловой) цепей. Матричная цепь ДНК служит основой (матрицей) для синтеза и-РНК. Кодирующая (нематричная) цепь ДНК по последовательности нуклеотидов совпадает с и-РНК, с одним лишь отличием в нуклеотидах: в ДНК содержится тимин в и-РНК – урацил.
• Транскрипция состоит из трех фаз:
• инициация – начало синтеза и-РНК. Во время этой стадии фермент РНК – полимераза прикрепляется к промотору (это участок в начале гена) матричной цепи ДНК;
• элонгация – это синтез молекулы и-РНК по правилу комплементарности;
• терминация – завершение синтеза и-РНК и её отделение от матричной цепи ДНК. В результате у эукариот образуется пре-и-РНК,а у прокариот – зрелая и-РНК.