Процессы превращения веществ в живых организмах идут за счет чего
Обмен веществ и превращение энергии – свойства живых организмов. Энергетический обмен и пластический обмен, их взаимосвязь. Стадии энергетического обмена. Брожение и дыхание
Содержание:
Обмен веществ и превращение энергии – свойства живых организмов
Обмен веществ является комплексом различных химических преобразований, способствующих сохранению и самовоспроизведению биоструктур.
Он заключается в поступлении веществ в организм во время питания и дыхания, метаболизме внутри клетки или обмене веществ, вдобавок, в высвобождении конечных продуктов метаболизма.
Метаболизм неотрывно соединён с процессами преобразований определённых видов энергии в другие. К примеру, в начале процесса фотосинтеза световая энергия скапливается в виде энергии химических связей сложных органических молекул, в процессе же дыхания она освобождается и применяется для синтезирования новых молекул, механические и осмотические работы, рассеянные в виде тепла и т. д.
Поток химических превращений в живых организмах снабжается биологическими катализаторами белковой специфики — ферментами или энзимами. Наряду с остальными катализаторами, энзимы ускоряют течение химических реакций в клетке до нескольких сотен тысяч раз, при этом они не меняют природу или свойства конечных продуктов клетки. Ферменты представляют собой простые или сложные белковые молекулы, которые, помимо части, состоящей из белка, включают небелковый кофактор, по – другому называемый коферментом. Ферментами являются, например: амилаза слюны, которая расщепляет гликаны при длительном жевании и пепсин, который обеспечивает переваривание белков в желудочно-кишечном тракте.
Механизм действия ферментов заключается в том, чтобы снизить энергию активации веществ (субстратов), которые вступают в реакцию вследствие образования промежуточных фермент-субстратных комплексов.
Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь
Метаболизм процессуально слагается из двух частей, происходящих в клетке в одно и то же время: пластического и энергетического обмена.
Пластический метаболизм (анаболизм, ассимиляция) является совокупностью реакций синтеза, сопровождающихся расходом энергии аденозинтрифосфата. Пластический обмен особенно важен тем, что в результате него синтезируются органические вещества, играющие важную роль в жизнедеятельности клетки. Реакциями данного обмена являются, например, процесс фотосинтеза, биологический синтез белковых молекул и репликация молекул ДНК (самодублирование).
Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) являет собой сочетание реакций разложения сложных веществ на более простые. Результатом данного обмена является накапливание энергии в форме АТФ. Важнейшими процессами энергетического обмена являются дыхание и брожение.
Пластический и энергетический обмены прочно коррелируют между собой, в связи с тем, что синтез органических веществ происходит в процессе пластического обмена, а для этого нужна именно энергия АТФ; в процессе обмена энергии органические вещества разлагаются, и высвобождается АТФ, а затем используется для синтеза.
Получение энергии организмами осуществляется в процессе питания, затем высвобождают ее и переводят в форму, доступную главным образом в процессе дыхания. По способу питания все организмы подразделяются на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофы способны к самостоятельному синтезу органических веществ из неорганических, а гетеротрофные организмы поглощают уже готовые органические вещества.
Ассимиляция — биосинтез макромолекул, свойственных клеткам организма. Растения и многие бактерии могут создавать молекулы глюкозы из углекислого газа и воды. На этот процесс расходуется и запасается энергия. Животным необходимы готовые молекулы белков, жиров и углеводов (БЖУ). Это важнейший строительный и энергетический материал для клеток.
Ассимиляция — это совокупность процессов создания структур организма с накоплением энергии.
Чтобы организм мог усвоить вещества из пищи, они должны быть сначала разобраны на «кирпичики» или мономеры. Из них в организме «собираются» собственные макромолекулы.
Диссимиляция — распад веществ, противоположный ассимиляции (биосинтезу). Белки гидролизуются до аминокислот. При распаде жиров выделяются жирные кислоты и глицерин. Сложные углеводы разлагаются на простые сахара.
Ассимиляция и диссимиляция происходят согласованно. Распад и окисление веществ с выделением энергии возможны лишь тогда, когда есть субстрат — макромолекулы. Они разлагаются на мономеры, которые участвуют в биосинтезе. Выделяющаяся при диссимиляции энергия затрачивается на образование свойственных организму веществ.
Стадии энергетического обмена
Несмотря на сложность реакций обмена энергии, он разделяется на три фазы:
На подготовительном этапе происходит разложение молекул гликанов, липидов, белков, нуклеиновых кислот на более простые, к примеру, на глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты, нуклеотиды. Эта фаза может осуществляться непосредственно в клетках или в кишечнике, откуда эти вещества переносятся кровотоком.
В анаэробной фазе энергетического катаболизма в дальнейшем происходит расщепление мономеров органических соединений до более простых промежуточных соединений, к примеру, пировиноградной кислоты или пирувата. Он не нуждается в присутствии кислорода, и для организмов, живущих в болотном иле, это единственный способ получить энергию. Анаэробная фаза энергетического обмена проходит в цитоплазме.
Некоторые вещества подвергаются бескислородному расщеплению, при этом глюкоза, чаще всего, остается основным субстратом реакций. Процесс его свободного от кислорода распада принято называть гликолизом. Вследствие гликолиза, молекула глюкозы теряет четыре атома водорода, то есть она окисляется, и образуются две молекулы пировиноградной кислоты, две молекулы АТФ и две молекулы переносчика водорода, восстановленного НАДH + H + :
Образование АТФ из АДФ осуществляется за счет прямого переноса фосфат-аниона из предварительно фосфорилированного сахара и называется субстратным фосфорилированием.
Аэробная фаза энергетического катаболизма может происходить только в присутствии кислорода, тогда как промежуточные продукты, образующиеся при бескислородном разложении, окисляются до конечных продуктов (углекислого газа и воды), и большая часть энергии, хранящейся в химических связях органических соединений, высвобождается. В молекулу АТФ входит 36 макроэргических связей. Эта стадия имеет такое название, как тканевое дыхание. Когда кислород отсутствует, происходит преобразование промежуточных продуктов обмена веществ в определённые органические вещества, данный процесс принято называть ферментацией или брожением.
Брожение и дыхание
Брожение и дыхание это две различные формы диссимиляции — разложения веществ в организме для получения энергии.
Брожение
Примеры процессов брожения известны из повседневной жизни, производственной деятельности.
Во всех случаях брожения микроорганизмы изменяют углеводы и производят макроэнергетическое вещество — АТФ. Для этого процесса не требуется кислород, что является важнейшим отличием от дыхания. Общий признак — химическая энергия связей в молекуле глюкозы преобразуется в энергию в форме АТФ, которая используется для жизненных процессов.
Брожение — древнейший и не самый совершенный способ выработки энергии. Из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ. Кислородный процесс более эффективен в плане получения энергии.
Организмы, которым необходим кислород для дыхания, являются аэробами (в переводе с греческого «аэр» — воздух). Внешняя сторона процесса заключается в поглощении кислорода из воздуха и выделении диоксида углерода.
Молекулы О2 попадают в организм насекомых через трахеи. Для рыб характерно жаберное дыхание, для млекопитающих — легочное. Переносят кислород к органам и транспортируют диоксид углерода красные кровяные клетки, содержащие гемоглобин.
При отсутствии кислорода начинает происходить ферментация. Ферментация является эволюционно более ранним способом генерирования энергии, чем дыхание, но она менее энергетически выгодна, потому что ферментация производит органическое вещество, которое все еще богато энергией. Различают несколько основных видов брожения: уксусно – кислое, спиртовое, маслянокислое, молочнокислое, метановое и др.
Стало быть, в скелетных мышцах в отсутствие кислорода во время ферментации пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты, тогда как ранее образованные восстановительные эквиваленты расходуются, и остаются только две молекулы АТФ:
При ферментации с дрожжами пировиноградная кислота в присутствии кислорода преобразуется в этиловый спирт и окись углерода (IV):
Во время ферментации с использованием микроорганизмов пируват также может образовывать уксусную, масляную, муравьиную кислоты и так далее.
Энергия АТФ, которая образуется вследствие энергетического обмена, используется клеткой на различные виды работ:
Дыхание
Кислородное дыхание производится в митохондриях, где пировиноградная кислота вначале теряет один атом углерода, что сопровождается синтезом одного восстанавливающего эквивалента молекул НАДН + Н + и ацетилкофермента A (ацетил-КоА):
Ацетил-КоА в митохондриальном матриксе участвует в цепочке химических превращений, которые в совокупности называются циклом Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты). Во время этих превращений образуются две молекулы АТФ, ацетил-КоА полностью окисляется до диоксида углерода, а его ионы водорода и электроны присоединяются к водородным векторам НАДН + Н + и НАДH2. Носители переносят протоны и электроны водорода во внутренние митохондриальные мембраны, которые образуют гребни. При помощи белков-носителей протоны водорода вводятся в межмембранное пространство, а электроны переносятся через, так называемую, дыхательную цепь энзимов, которые расположены во внутренней митохондриальной мембране, и разряжаются в атомы кислорода:
Важно то, что в дыхательной цепи имеются белки, содержащие железо и серу.
Протоны водорода переносятся из межмембранного пространства в митохондриальный матрикс благодаря специальным ферментам, АТФ-синтетаз, а энергия, выделенная в результате этого процесса, используется для синтеза 34 молекул АТФ из каждой молекулы глюкозы. Этот процесс называется окислительным фосфорилированием. В митохондриальной матрице протоны водорода, прореагировавшие с радикалами кислорода с образованием воды:
Набор кислородных дыхательных реакций можно выразить таким уравнением:
Общее уравнение дыхания выглядит следующим образом:
Таким образом, клеточное дыхание в организме человека происходит поэтапно. Гликолиз сопровождается образованием 8 молекул АТФ (2 из них расходуются). Окислительное декарбоксилирование «дает» 6 АТФ, цикл Кребса — 24 АТФ. Итого, разложение молекулы глюкозы приводит к созданию 38 молекул АТФ. Аэробное дыхание — более совершенный способ получения и накопления энергии.
Вещества живого организма и их превращения
Молекулы: простые и сложные
Наименьшая частичка любого вещества называется молекулой. Она, в свою очередь, состоит из атомов химических элементов.
Все молекулы определенного вещества имеют одинаковое строение. Наиболее сложное — у молекул органических веществ. Они могут состоять из десятков тысяч атомов.
Основные органические вещества, участвующие в жизни любого организма, — это белки, жиры и углеводы. Белки служат строительным материалом, играют защитную роль, ускоряют химические реакции в организме, переносят кислород. Углеводы являются источником энергии. Жиры хранят ее запасы. Имеются в нашем теле и другие органические соединения. Из них состоит почти третья часть нашего организма.
Основой живой материи являются биологические молекулы — нуклеиновые кислоты и белки. Последние представляют собой молекулы-цепочки, состоящие из множества аминокислот (эти кислоты названы так потому, что в них содержатся аминогруппы, состоящие из одного атома азота и двух атомов водорода). Порядок, в котором располагаются аминокислоты в белке, зашифрован в нуклеиновых кислотах. А участок ДНК, кодирующий один белок, носит название ген. Нуклеиновые кислоты реплицируются, то есть копируются. Благодаря этому наследственная информация передается от клетки к клетке при делении и от родителей детям.
Нуклеиновые кислоты бывают двух основных типов — дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Полимерная молекула ДНК состоит из отдельных звеньев — мономеров, или нуклеотидов. Каждый нуклеотид — это сахар (дезоксирибоза), остаток фосфорной кислоты и одно из четырех азотистых оснований — аденин, гуанин, цитозин, тимин. Азотистые основания связываются друг с другом по принципу тимином, а гуанин — с цитозином. Так образуется двойная спираль ДНК. Молекула РНК обычно состоит из одной цепочки; вместо дезоксирибозы в ней имеется рибоза, а вместо тимина — урацил.
Хромосомы — структуры в ядре клетки, состоящие из ДНК и белка. Именно в хромосомах сосредоточена большая часть наследственной информации. Набор всех хромосом клетки называется кариотипом. У каждого вида свое определенное количество хромосом. У гориллы их 48, у лошади — 64, у одного из видов муравьев — 2, а у простейшего животного радиолярии — 1600. Так что уровень развития не зависит от числа хромосом.
У человека 46 хромосом (23 пары). 22 пары называются аутосомами, а одна пара — половыми хромосомами. У женщин половые хромосомы, или Х-хромосомы, одинаковы. У мужчин есть одна Х-хромосома и одна У-хромосома. Поэтому правильный кариотип женщины обозначается формулой 46ХХ, а кариотип мужчины — 46ХУ.
Синтез белка и генетический код
Синтез белка состоит из трех этапов — транскрипции, процессинга и трансляции. Во время транскрипции, или считывания, на одной из цепочек ДНК синтезируется молекула РНК. Созревая во время процессинга, она выходит из ядра в цитоплазму, где на особых структурах — рибосомах — синтезируется полипетидная цепь, то есть цепочка связанных между собой аминокислот. Их последовательность определяется последовательностью нуклеотидов, составляющих ДНК и РНК, то есть генетическим кодом.
Генетический код — система записи генетической информации, согласно которой каждому кодону, представляющему собой последовательность из трех нуклеотидов, соответствует аминокислота. Причем у одной аминокислоты бывает несколько кодонов. Существуют также стартовый и стоп-кодоны, которые определяют начало и окончание синтеза. Если происходит мутация, то есть один нуклеотид заменяется на другой либо один или несколько нуклеотидов добавляются в цепочку или удаляются, кодоны меняются. И вместо одной аминокислоты кодируется другая. А значит, меняется состав белка и, скорее всего, его свойства. Такие изменения называются мутациями.
Генетический код един для всей живой природы нашей планеты. Совокупность генов конкретного организма — это генотип. А геном — совокупность генетического материала в гаплоидном наборе хромосом конкретного вида. Поэтому следует говорить: геном человека или собаки, генотип Ивана Ивановича или овчарки Рекса, генетический код всего живого. А вот фенотип — это совокупность всех признаков организма, гены при этом проявляются далеко не все.
Из 22 аминокислот синтезируются самые разные белки. Например, у цепочки из 100 аминокислотных остатков может существовать более 10 130 вариантов белков с разной последовательностью. При этом белки имеют первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры. Все зависит от того, как скручивается первоначальная цепочка.
Удивительно, но в живой природе для построения всего многообразия белков используется лишь 22 аминокислоты. Одни аминокислоты могут создаваться в самом организме, другие поступают в него с пищей, они называются незаменимыми.
Особой группой белков являются ферменты. Эти вещества ускоряют превращение веществ, поступающих в организм с пищей, в молекулы, нужные для организма. Ферменты присутствуют во всех живых клетках и принимают активное участие в обмене веществ и энергии. Без ферментов живой организм существовать просто не может. А у каждого фермента, состоящего из сложных молекул, есть так называемый активный центр — углубление особой формы, которое должно соответствовать определенному веществу наподобие ключа в замке. Это соответствие должно быть абсолютным. Поэтому каждый фермент взаимодействует только с определенным веществом. На сегодня известно более 2000 ферментов, но ни один из них нельзя заменить другим. Множество ферментов участвует и в обмене веществ внутри клетки.
Благодаря ферментам скорость расщепления веществ, полученных с пищей, увеличивается в миллионы раз.
Как увидеть ДНК и хромосомы?
Молекула ДНК, если ее специально выделить из клеток крови или другой ткани, видна невооруженным глазом как белая нить, иногда спутанная и скрученная, или белое полупрозрачное вещество, похожее на медузу. Но для того чтобы различить ее структуру, нужны специальные приборы. А хромосомы можно разглядеть в обычный микроскоп. Изучение структуры ДНК раскроет историю развития всей живой природы и поможет победить многие болезни.
Что умеют делать белки?
Белки выполняют множество самых разнообразных задач. Одни из них являются источниками питания для потомства. Например, белок яйца или белок молока. Защиту организма от бактерий и вирусов выполняют антитела крови, которые также состоят из белков. Связываясь с чужеродными веществами, антитела нейтрализуют их и таким образом охраняют организм. Белки участвуют в переносе нужных веществ к органам и обеспечивают тончайшие процессы жизнедеятельности самих клеток.
Что такое жиры?
Жиры — это органические вещества, возникающие в результате изменения (этерификации) карбоновых кислот и трехатомного спирта глицерина. Они присутствуют в каждом живом организме, входя в состав клеточной мембраны. При их окислении образуется большое количество необходимой телу энергии. Жиры могут получаться из углеводов и белков и накапливаться в организме. Затем, при недостатке пищи, они расходуются.
Высокое содержание жиров в семенах растений обеспечивает развитие зародышей до их перехода к самостоятельному питанию.
Жировой слой в подкожной клетчатке животных защищает организм от механических повреждений. Он помогает телу сохранить тепло, что позволяет многим животным жить в условиях холодного климата. А у китов жир способствует их плавучести.
Тонким слоем жира покрыты кожа, шерсть и перья многих животных. Он делает их более эластичными и предохраняет от влаги. Жировой пленкой покрыты листья и плоды многих растений. В нервных клетках жиры являются изоляторами при проведении нервных импульсов. Жиры используются пчелами для изготовления воска при строительстве сот.
Что такое углеводы?
Углеводы — общее название обширной группы органических веществ. Свое название они получили от слов «углерод» и «вода», поскольку первые известные углеводы представлялись как химическое соединение углерода и воды. В живой природе углеводы «изготавливаются» растениями, а животные и человек получают их с пищей. Большую группу углеводов называют сахарами. Известный нам сахар — это тоже углевод, научное название которого — сахароза.
Углеводы являются основным источником энергии, получаемой организмом. Они используются и для построения многих сложных молекул, важных для живых существ. У растений из углеводов построены прочные стенки клеток.
Углеводы также могут превращаться в жиры и накапливаться как запасы питательных веществ.
Для чего нужны пища, вода и кислород?
Все живые организмы не могут жить без пищи, которая необходима им для получения энергии и строительства своего тела. Все необходимое они берут из окружающей среды. При этом каждый организм является пищей для какого-либо другого.
Основными материалами, которые организм получает с пищей, являются белки, жиры, углеводы, вода, кислород и углекислый газ. В клетках организма эти вещества перерабатываются и превращаются в материалы, нужные для жизни. Лишние детали они отдают во внешнюю среду. Таким образом, в любом живом организме одновременно происходят и строительство (анаболизм), и распад (катаболизм) веществ, что сопровождается поглощением или выделением энергии. Этот процесс называется обменом веществ.
Вода в живом организме
Тело человека на две трети состоит из воды, а во многих растениях ее содержится более 80%. Каждый день организм человека теряет большое количество воды с выводимой мочой, потом и выдыхаемым воздухом. Поэтому человек должен восполнять потери воды, например, в процессе питья или получая ее с пищей. Некоторое количество воды образуется при расщеплении жиров. Суточная потребность человека в воде составляет около 3 л.
Больше всего живым организмам необходима вода. Без нее жизнь на нашей планете была бы невозможной. Она является важнейшим веществом всех видов клеток, межклеточной жидкости и крови. Вода — растворитель многих солей и органических соединений. А водные растворы лучше всего усваиваются всеми органами.
Практически вся жизнь на Земле зависит от кислорода. Он все время нужен каждой клеточке животного или растения. Ведь с его помощью внутри клетки различные органические вещества разлагаются на более простые. Этот процесс называют окислением. При этом выделяется энергия, необходимая для роста и жизнедеятельности клеток. Наверняка каждый человек хоть однажды наблюдал, как горят дрова в костре. Горение — это тоже окисление. То же самое происходит в организме, только гораздо медленнее.
Кислород
Не будет кислорода — не будет энергии в клетке, и ее жизнь прекратится. Это приведет к гибели всего организма. Без пищи живые существа могут существовать в течение 1-2 недель, без воды — 5-6 дней. Но без достаточного количества кислорода они не смогут прожить и нескольких минут.
Обмен веществ организма
Обмен веществ как основная функция жизни
Значение питательных веществ. У всех организмов, от самых примитивных до самого сложного — человеческого организма, обмен веществ и энергии — основа жизни.
В организме человека, в его органах, тканях, клетках идет непрерывный процесс созидания, образования сложных веществ из более простых. Одновременно с этим происходит распад, окисление сложных органических веществ, входящих в состав клеток организма.
Работа органов сопровождается непрерывным их обновлением: одни клетки погибают, другие их заменяют. У взрослого человека в течение суток гибнет и заменяется 1 / 20 клеток кожного эпителия, половина всех клеток эпителия пищеварительного тракта, около 25 г крови и т. д.
Рост, обновление клеток организма возможны только в том случае, если в организм непрерывно поступают кислород и питательные вещества. Питательные вещества — тот строительный пластический материал, из которого строится организм.
Для построения новых клеток организма, их непрерывного обновления, для работы таких органов, как сердце, желудочно-кишечный тракт, дыхательный аппарат, почки и т. д., а также для совершения человеком работы нужна энергия. Эту энергию организм получает при распаде и окислении в процессе обмена веществ.
Таким образом, питательные вещества, поступающие в организм, служат не только пластическим, строительным материалом, но и источником энергии, так необходимой для жизни.
Под обменом веществ понимают совокупность изменений, которые претерпевают вещества от момента их поступления в пищеварительный тракт до образования конечных продуктов распада, выделяемых из организма.
Ассимиляция и диссимиляция
Обмен веществ представляет собой единство двух процессов — ассимиляции и диссимиляции.
В результате процессов ассимиляции сравнительно простые вещества, поступая в клетки, подвергаются химическим превращениям с участием ферментов и превращаются в вещества самого организма. Диссимиляция — распад сложных органических веществ, входящих в состав клеток организма. Часть продуктов распада вновь используется организмом либо выводится наружу.
Процесс диссимиляции также идет при участии ферментов. В результате процессов диссимиляции высвобождается энергия. Именно за счет этой энергии строятся новые клетки, обновляются старые, работает сердце человека, совершается умственная и физическая работа.
Процессы ассимиляции и диссимиляции неотделимы друг от друга. При усилении процессов ассимиляции, особенно при росте молодого организма, значительно усиливаются и процессы диссимиляции.
Превращение веществ в организме
Химические превращения пищевых веществ начинаются в пищеварительном тракте. Здесь сложные белки, жиры и углеводы расщепляются до более простых, способных всосаться через слизистую оболочку кишечника. В пищеварительном тракте при переваривании высвобождается незначительное количество энергии. Вещества, поступившие в результате всасывания в кровь и лимфу, приносятся в клетки, где и претерпевают основные изменения. Образовавшиеся сложные органические вещества входят в состав клеток и принимают участие в осуществлении их функций. Энергия, освободившаяся при распаде веществ клеток, используется для синтеза органических веществ и жизнедеятельности организма. Не использованные организмом продукты обмена различных органов и тканей выделяются из организма.
Роль ферментов во внутриклеточном обмене
Основные процессы превращения веществ совершаются внутри клеток нашего тела. Эти процессы лежат в основе внутриклеточного обмена. Решающая роль во внутриклеточном обмене принадлежит многочисленным ферментам клетки. Благодаря их деятельности с веществами клетки происходят сложные превращения, разрываются внутримолекулярные химические связи в них, что приводит к высвобождению энергии.
Здесь особое значение приобретают реакции окисления и воcстановления. Конечные продукты процессов окисления в клетке— углекислый газ и вода.
При участии специальных ферментов осуществляются и другие типы химических реакций в клетке, таковы реакции переноса остатка фосфорной кислоты (фосфорилирование), аминогруппы NH2 (переаминирование), группы метила СН3 (трансметилирование) и др. Освобождающаяся при этих реакциях энергия используется для построения новых веществ в клетке, на поддержание процессов жизнедеятельности организма. Основным аккумулятором и переносчиком энергии, используемой при многих Синтетических процессах, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).
Статья на тему Обмен веществ организма
Похожие страницы:
Понравилась статья поделись ей