Нуклеїнові кислоти Обмін речовин і енергії в клітині

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

Реферат

Нуклеїнові кислоти. Обмін речовин і енергії в клітині

Нуклеїнові кислоти. АТФ

Назва «нуклеїнові кислоти» походить від латинського слова «Нуклеус», тобто ядро: вони вперше були виявлені і виділені з ядер клітин. Існує два типи нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїнові кислоти (скорочено - ДНК) і РНК (РНК). ДНК міститься майже виключно в ядрі клітини, а РНК і в ядрі, і в цитоплазмі. Зміст ДНК в ядрах клітин суворо постійно, вміст РНК сильно коливається.

Біологічне значення нуклеїнових кислот дуже велике. Вони грають центральну роль у синтезі білків клітини. Будь-яка клітина виникає в результаті поділу материнської клітини. При цьому дочірні клітини успадковують властивості і ознаки материнської. Властивості ж і ознаки клітини визначаються головним чином її білками. ДНК і РНК, як це буде показано далі, забезпечують синтез білків тієї ж структури і того ж складу, які є у материнської клітини.

ДНК. За своєю структурою ДНК представляє своєрідне, не схоже ні на одне відоме в хімії з'єднання. На малюнку 69 видно, що молекула ДНК складається з двох спірально закручених навколо одна одної ланцюгів. Ширина такої подвійної спіралі ДНК усього близько 20 А, зате довжина її виключно велика. Вона може досягти декількох десятків і навіть сотень мікрометрів. Для того щоб оцінити цю величину, врахуємо, що довжина найбільшої білкової молекули (у розгорнутому стані) не перевищує 0,1 мкм. Таким чином, довжина молекули ДНК в сотні і тисячі разів більше найбільшої білкової молекули. Молекулярний вага ДНК гігантськи великий: він складає десятки і навіть сотні мільйонів. Ці цифри відносяться до подвійної спіралі. На кожну ланцюг припадає половина ваги.

З хімічної боку кожна ланцюг ДНК - полімер, мономерами якого є так звані нуклеотиди. Для того щоб уявити собі, що таке нуклеотид, з якої видно, що нуклеотид є продуктом хімічної сполуки трьох різних речовин: азотистого підстави, простого вуглеводу (пентози) і фосфорної кислоти.

До складу ДНК входять чотири різних типи нуклеотидів. Вони різняться між собою тільки за структурою азотистого підстави, інша частина їх молекул у всіх нуклеотидів однакова. Нуклеотиди тому й називають по міститься в них азотистій основи. Вуглевод, що міститься у всіх нуклеотидах ДНК, називається дезоксирибози.

Авотістое підставу

Назва нуклеотиду

Позначення

Аденін

Аденінових

А

Гуанін

Гуанінових

Г

Тимін

Тимінових

Т

Цитозин

Цитозинових

Ц

Зчеплення нуклеотидів між собою, коли вони з'єднуються в ланцюг ДНК, відбувається через фосфорну кислоту і дезоксирибозу. За счетгідроксіла фосфорної кислоти одного нуклеотиду і гідроксилу дезоксирибози сусіднього нуклеотиду виділяється молекула води і залишки нуклеотидів з'єднуються міцної ковалентним зв'язком. З двох нуклеотидів виходить дінуклеотід, з трьох нуклеотидів - трінуклеотід, з багатьох - полинуклеотид. Кожен ланцюг ДНК і являє собою полинуклеотид, тобто довгий ланцюг, в якій в строго визначеному і для кожної ДНК завжди постійному порядку йдуть нуклеотиди. Досить переставити хоча б один нуклеотид - і виникне нова структура, з новими властивостями. Зробимо нескладний підрахунок. Молекулярна маса одного нуклеотиду в середньому дорівнює 330. Молекулярну масу одного ланцюга ДНК приймемо рівної 10 "млн. Звідси випливає, що такий ланцюг складається з 30 000 нуклеотидів. Хоча в будові ДНК беруть участь всього 4 нуклеотиду, але при такому величезному їх числі, що входить в кожну ланцюг ДНК, неважко уявити собі, яке гігантське число ізомерів ДНК може існувати.

Познайомимося тепер, як розташовуються один щодо одного ланцюга ДНК, коли утворюється спіраль, і які сили утримують ланцюга між собою.

На малюнку 72 зображено невелику ділянку подвійної спіралі ДНК. Азотисті основи одного ланцюга розташовуються точно проти азотистих основ інший. Зверніть увагу: у розташуванні протилежних нуклеотидів немає нічого випадкового: проти А одного ланцюга виявляється завжди Т на іншого кола, а проти Г тільки Ц на інший. Ніяких інших варіантів не буває. Пояснюється це тим, що в А і Т, так само як в Г і Ц, краю молекул азотистих основ відповідають один одному геометрично (як дві половинки розбитого скла), тому вони можуть тісно зблизитися один з одним і утворити між собою водневі зв'язки. При цьому між Г і Ц утворюються 3 водневі зв'язки, а між А і Т тільки 2. Зв'язок Г-Ц, таким чином, більш міцна, ніж А-Т. Зрозуміло тепер, чому говорить, що в парі А-Т, а також у парі Г-Ц один нуклеотид доповнює інший. Слово «додаток» латинською мовою - «комплемент». Прийнято тому говорити, що Г є комплементарним нуклеотидом до Ц, а Ц - комплементарним до Г; А - комплементарний до Т, і навпаки, Т комплементарний до А. Якщо на якому-небудь ділянці ланцюга ДНК слідують один за іншим нуклеотиди: А, Г , Г, Ц, Т, А, Ц, Ц, то на протилежній ділянці іншого ланцюга виявляться комплементарні до них нуклеотиди: Т, Ц, Ц, Г, А, Т, Г, Г. Таким чином, якщо відомий порядок проходження нуклеотидів в одного ланцюга, то за принципом комплементарності відразу ж з'ясовується порядок проходження нуклеотидів в іншому ланцюжку.

Слабкі зв'язку, повторені багато разів, дають міцне з'єднання. Подвійна спіраль ДНК, «прошита» численними «слабкими» водневими зв'язками, утворює структуру, з одного боку, досить стійку, а з іншого боку, рухливу: вона легко розкручується і легко відновлює свою двутяжевую структуру. Майже вся ДНК міститься в ядрі клітини. Зміст ДНК в ядрах відрізняється постійністю. 10 -12 г ДНК, в ядрах половых клеток ДНК ровно вдвое меньше – 3.3 x 10 -12 г. У ядрі будь-якої клітини людини (крім статевих) міститься 6,6 X 10 -12 г ДНК, в ядрах статевих клітин ДНК рівно вдвічі менше - 3.3 x 10 -12 р.

Редуплікація ДНК

Принцип комплементарності, що лежить в основі структури ДНК, дозволяє зрозуміти, як синтезуються нові молекули ДНК при поділі клітини.

Цей синтез заснований на чудовій здатності молекули ДНК до подвоєння і лежить в основі передачі спадкових властивостей від материнської клітини до дочірнім. Процес подвоєння молекул ДНК відбувається в клітці незадовго перед її поділом.

Спіральна двутяжевая ланцюг ДНК починає з одного кінця розходитися, і на кожному ланцюзі з знаходяться в навколишньому середовищі вільних нуклеотидів збирається нова ланцюг. Збірка нового ланцюга йде в точній відповідності з принципом комплементарності. Проти кожного А встає Т, проти Г - Ц і т. д. У результаті замість однієї молекули ДНК виникають дві молекули такого ж точно нуклеотидного складу, як і початкова. Цей процес називається редуплікації, тобто подвоєнням. Одна ланцюг в кожній знову утворилася молекулі ДНК відбувається з первісної молекули, а інша синтезується знову.

Синтез ДНК є ферментативний процес. Він здійснюється в результаті діяльності ферменту ДНК - полімерази. ДНК лише задає порядок розташування нуклеотидів, а процес редуплікації здійснює білок-Передбачається, що фермент як би повзе вздовж довгої двутяжевой молекули ДНК від одного кінця до іншого і позаду себе залишає роздвоєний «хвіст».

РНК. Існує кілька різних РНК-Вони носять назву залежно від виконуваної в клітині функції. Один вид РНК називається транспортні РНК (т-РНК), так як вони транспортують амінокислоти до місця синтезу білка. Інші РНК називаються інформаційними (і-РНК): ці РНК переносять інформацію про структуру білка, що має синтезуватися.

Структура РНК дуже схожа із структурою ДНК, проте є й відмінності. У структурі РНК немає подвійної спіралі, за своєю будовою вона схожа з одним із ланцюжків ДНК-РНК, як і ДНК, - полімер. Її мономерами, так само як і у ДНК, служать нуклеотиди. Нуклеотиди РНК близькі, хоча і не тотожні, нуклеотидам ДНК. Так само як і нуклеотиди ДНК, нуклеотиди РНК складаються із залишків азотистого підстави, пентози і фосфорної кислоти. Азотисті основи в трьох нуклеотидах РНК такі ж, як у ДНК (аденін, гуанін і цитозин). У четвертому нуклеотиді замість тиміна є дуже близький до нього за будовою урацил, і нуклеотид називається ураціловим (У). Нуклеотиди РНК відрізняються від нуклеотидів ДНК і за характером вуглеводу: у нуклеотидах ДНК вуглеводом є дезок-сірібоза, а в РНК - рибоза. Характер з'єднання нуклеотидів при утворенні ланцюгів РНК такий же, як при утворенні ланцюгів ДНК: нуклеотиди зчіплюються один з одним ковалентними зв'язками між рибоза одного нуклеотиду і фосфорною кислотою сусіднього.

Як вже сказано, існує кілька типів РНК. Т-РНК мають самі короткі молекули, їх молекулярна маса всього 25-30 тис. І-РНК за розмірами набагато більше, ніж т-РНК. Їх молекулярна маса коливається від 100 000 до 1000 000. Зміст РНК в клітині непостійно. Воно сильно збільшується, коли в клітинах відбувається інтенсивний синтез білка.

АТФ. Це скорочена назва аденозинтрифосфорної кислоти. АТФ міститься в кожній клітині тварин і рослин. Кількість АТФ коливається і в середньому становить 0,04% (на сиру масу клітини). Найбільша кількість АТФ міститься в скелетних м'язах - 0,2-0,5%. По хімічній структурі АТФ є нуклеотидів, і, як у кожного нуклеотиду, в ній є азотна основа (аденін), пентози (рибоза) і фосфорна кислота. Однак у частині, що містить фосфорну кислоту, молекула АТФ має суттєві відмінності від звичайних нуклеотидів. У неї в цій частині сконденсовані три молекули фосфорної кислоти (рис. 74). Це дуже нестійка структура. освободившимся связям присоединяется одна или две молекулы воды, причем отщепляется одна или две молекулы фосфорной кислоты. Спонтанно, а особливо легко під впливом ферменту в АТФ розривається зв'язок між Р і О, і до f звільнилися зв'язків приєднується одна або дві молекули води, причому відщеплюється одна або дві молекули фосфорної кислоти. Якщо відщеплюється одна молекула фосфорної кислоти, то АТФ переходить в АДФ, тобто в аденозіндіфосфорной кислоту, коли ж відщеплюються дві молекули фосфорної кислоти, то АТФ переходить на АМФ, тобто в аденозинмонофосфорной кислоту. Реакція відщеплення кожної молекули фосфорної кислоти від АТФ супроводжується великим енергетичним ефектом, а саме відщеплення однієї грам-молекули фосфорної кислоти супроводжується звільненням майже 40 кДж (10 000 кал). Це дуже велика величина. Всі інші екзотермічні реакції клітини супроводжуються значно меншим виходом Енергії. Найефективніші з них дають не більше 8-10 кДж (2000-2500 кал). Щоб під черкнути таку особливо високу енергетичну ефективність фосфорнокіслородной зв'язку в АТФ, її називають зв'язком, багатою енергією, або макроергічних зв'язків, і наявність такого зв'язку позначають не рискою, як зазвичай, а знаком. У АТФ є дві макроергічні зв'язку.

Значення АТФ в житті клітини дуже велике. Як ми побачимо далі, вона грає центральну роль в клітинних перетвореннях енергії. АТФ в реакціях, як правило, втрачає одну молекулу фосфорної кислоти і переходить в АДФ. З АДФ же шляхом приєднання фосфорної кислоти знову синтезується АТФ. Зрозуміло, що ця реакція йде з поглинанням енергії (40 кДж, або 10 000 кал) на грам-моль.

  1. Обмін речовин і енергії в клітині

Для хімічних реакцій, що протікають в клітині, характерні найбільша організованість і впорядкованість: кожна реакція протікає в строго визначеному місці. Молекули ферментів розташовані в один шар на внутрішніх структурах - мембранах мітохондрій та ендоплазматичної мережі, вистилаючи їх, як кахель стінку. При цьому місце розташування ферментів не випадково: вони розташовані в тому порядку, в якому йдуть реакції. Мембрани клітини, що вистилають молекулами ферментів, уявляють свого роду «каталітичний конвеєр», на якому з винятковою точністю здійснюються хімічні реакції.

Пластичний та енергетичний обмін (асиміляція і дисиміляція). У клітці виявлено приблизно тисяча ферментів. З допомогою цього потужного каталітичного апарату здійснюється складна і різноманітна хімічна діяльність. З величезної кількості хімічних реакцій клітини виділяються два протилежних за характером типи реакцій. Перший з них представляє реакції синтезу. У клітці постійно йдуть процеси творення. З простих речовин утворюються більш складні, з низькомолекулярних - високомолекулярні. Синтезуються білки, складні вуглеводи, жири, нуклеїнові кислоти. Синтезовані речовини використовуються для побудови різних частин клітини, її органоїдів, секретів, ферментів, запасних речовин. Синтетичні реакції особливо інтенсивно йдуть в зростаючій клітці, а й у цілком дорослою, тобто закінчила ріст і розвиток, клітини постійно відбувається синтез речовин для заміни молекул, витрачених і зношених у процесі функціонування або зруйнованих при пошкодженні. На місце кожної зруйнованої молекули білка або якого-небудь іншої речовини постає нова молекула. Таким шляхом клітина зберігає постійної свою форму і хімічний склад, незважаючи на безперервне їх зміна в процесі життєдіяльності.

Синтез речовин, що йде в клітці, називається біологічним синтезом або скорочено біосинтезом.

Всі реакції біосинтезу йдуть з поглинанням енергії.

Сукупність реакцій біосинтезу називається пластичним обміном або асиміляцією. Перше слово походить від грецького «пластікос», що означає скульптурний. Так само як скульптор з глини чи мармуру ліпить (висікає) статуя, так з речовин, синтезованих у процесі біосинтезу, клітина створює своє тіло. Друге слово (асиміляція) походить від латинського «сіміліс» (подібний, подібний). Сенс цього терміна полягає в тому, що надходять у клітину із зовнішнього середовища харчові речовини, що різко відрізняються від речовин клітини, в результаті хімічних перетворень стають подібними речовин клітини.

Другий тип хімічних реакцій клітини - реакції розщеплення. Складні речовини розпадаються на більш прості, високомолекулярні - на низькомолекулярні. Білки розпадаються на амінокислоти, крохмаль - на глюкозу. Ці речовини розщеплюються на ще більш низькомолекулярні з'єднання, і врешті-решт утворюються зовсім прості, бідні енергією речовини: СО 2 і Н 2 О. Реакції розщеплення в більшості випадків супроводжуються виділенням енергії. Біологічне значення цих реакцій полягає у забезпеченні клітини енергією, необхідної для її діяльності. Будь-яка форма активності - рух, секреція, біосинтез і ін - потребує витраті енергії, яка черпається з енергії, що звільняється в результаті хімічних реакцій розщеплення.

Сукупність реакцій розщеплення називається енергетичним обміном клітини або дисиміляції. Дисиміляція прямо протилежна асиміляції: в результаті розщеплення речовини втрачають схожість з речовинами клітини.

Пластичний та енергетичний обміни (асиміляція і дисиміляція) знаходяться між собою в нерозривному зв'язку. Зв'язок цей полягає в тому, що, з одного боку, реакції біосинтезу потребують затрати енергії, яка черпається з реакцій розщеплення. З іншого боку, для здійснення реакцій енергетичного обміну необхідний постійний біосинтез обслуговують ці реакції ферментів, так як в процесі своєї роботи вони зношуються і руйнуються.

Обмін речовин і енергії

Складні системи реакцій, що становлять процес пластичного й енергетичного обміну, тісно пов'язані не тільки між собою, але і з зовнішнім середовищем. З зовнішнього середовища в клітину надходять харчові речовини, які служать матеріалом для реакцій пластичного обміну, а в реакціях розщеплення з них звільняється енергія, необхідна для функціонування клітки. У зовнішнє ж середу, виділяються продукти, які клітиною більше не можуть бути використані.

Сукупність усіх ферментативних реакцій клітини, тобто сукупність пластичного та енергетичного обмінів (асиміляції і дисиміляції), пов'язаних між собою та з зовнішнім середовищем, називається обміном речовин і енергії. Цей процес є основною умовою підтримки життя клітини, джерелом її зростання, розвитку та функціонування.

АТФ як єдине і універсальне енергетичне речовина. Будь-який прояв життєдіяльності, будь-яка функція клітини вимагають витрати енергії. Енергія потрібна для руху, для біосинтетичних реакцій і різних інших форм клітинної активності.

Яким же чином енергія реакцій розщеплення використовується клітиною для різних її функцій?

Будь-яка діяльність клітини завжди точно збігається в часі з розпадом АТФ.

При посиленою, але короткочасною роботі, наприклад при бігу на коротку дистанцію, м'яз працює майже виключно за рахунок міститься в ній АТФ. При посиленій секреції в секреторних клітинах також йде інтенсивне розщеплення АТФ. При синтезі складних речовин, наприклад при синтезі складних вуглеводів або білка, одночасно з синтетичною реакцією йде розпад АТФ. Звідси випливає, що безпосереднім джерелом енергії і для скорочення м'язів, і для секреції, і для синтезу складних сполук у клітині є енергія, що звільняється при розщепленні АТФ. Так як запас АТФ у клітині обмежений, то ясно, що після розпаду АТФ 'має відбутися її відновлення. Так воно насправді і відбувається. У цьому і полягає біологічний сенс інших реакцій енергетичного обміну. Функція цих реакцій одна: їх енергія використовується для поповнення убутку АТФ. Зрозуміло тому, що при тривалій роботі вміст АТФ у клітині істотно не змінюється. Це пояснюється тим, що реакції розщеплення вуглеводів та інших речовин забезпечують швидке і повне відновлення витраченої АТФ. Таким чином, АТФ - єдиний і універсальний джерело енергії для функціональної діяльності клітини. Звідси зрозуміло, що можлива передача енергії з одних частин клітини в інші. Синтез АТФ може відбуватися в одному місці клітини і в один час, а використовуватися вона може в іншому місці і в інший час. Синтез АТФ в основному відбувається в мітохондріях клітини. Новоутворена тут АТФ по каналах ендоплазматичної мережі направляється в ті місця клітини, де виникає потреба в енергії.

Три етапи енергетичного обміну. Для вивчення енергетичного обміну клітини його зручно розділити на 3 послідовні етапи. Розглянемо ці етапи на прикладі тваринної клітини.

Перший етап підготовчий. На цьому етапі великі молекули вуглеводів, жирів, білків, нуклеїнових кислот розпадаються на невеликі молекули: з крохмалю утворюється глюкоза, з жирів - гліцерин і жирні кислоти, з білків - амінокислоти, з нуклеїнових кислот - нуклеотиди. Розпад речовин на цьому етапі супроводжується незначним енергетичним ефектом. Вся звільняється при цьому енергія розсіюється у вигляді тепла.

Другий етап енергетичного обміну називається без кисневим або неповним. Речовини, що утворилися в підготовчому етапі, - глюкоза, гліцерин, органічні кислоти, амінокислоти та ін - вступають на шлях подальшого розпаду. Це складний, багатоступінчастий процес. Він складається з ряду наступних одна за одною ферментативних реакцій. Ферменти, що обслуговують цей процес, розташовані на внутрішньоклітинних мембранах правильними рядами. Речовина, потрапивши на перший фермент цього ряду, пересувається, як на конвеєрі, на другий фермент, далі на третій і т. Д. Це забезпечує швидке і ефективне перебіг процесу. Розберемо його на прикладі без кисневого розщеплення глюкози, яка має спеціальну назву - гліколізу. Гліколіз являє собою сукупність більше десятка послідовних ферментативних реакцій. У ньому беруть участь 13 ферментів і утворюються 12 проміжних речовин. Не зупиняючись на окремих реакціях гліколізу, зазначимо, що на першу сходинку ферментного конвеєра вступає глюкоза, а з останньою сходять дві молекули молочної кислоти. Сумарне рівняння гліколізу повинно бути записано так:

6 H 12 O 6 = 2 C 3 H 6 O 3 C 6 H 12 O 6 = 2 C 3 H 6 O 3

Глюкоза Молочна кислота

Процес гліколізу відбувається у всіх тварин клітин і у деяких мікроорганізмів. Всім відоме молочнокисле бродіння (при скисанні молока) викликається молочнокислими грибками і бактеріями. По механізму воно цілком тотожне гліколізу. Спиртове бродіння теж схоже з гликолизом. Більша частина реакцій гліколізу і бродіння збігаються повністю. Різниця полягає лише в завершальній стадії: при гліколізі процес закінчується утворенням молочної кислоти, а при бродінні додається ще одна ланка. З молочної кислоти під впливом ферменту, що міститься в дріжджах, виділяється СО 2 і утворюється етиловий спирт:

3 H 6 O 3 = CO 2 + C 2 H 5 OH C 3 H 6 O 3 = CO 2 + C 2 H 5 OH

Таким чином, сумарне рівняння спиртового бродіння має бути записано так:

6 H 12 O 6 = 2 CO 2 + 2 C 2 H 5 OH C 6 H 12 O 6 = 2 CO 2 + 2 C 2 H 5 OH

Глюкоза Етиловий спирт

Як видно з рівнянь гліколізу і бродіння, в цих процесах кисень не бере участь, тому вони й називаються без кисневими процесами. Цілком зрозуміло також, чому ці процеси називаються неповними: повним розщепленням глюкози буде руйнування її до кінця, тобто перетворення її в найпростіші сполуки (СО 2 і Н 2 О), що відповідає рівнянню:

6 H 12 O 6 + 6 O 2 = 6 CO 2 + 6 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 = 6 CO 2 + 6 H 2 O

Майже всі проміжні реакції при без кисневому розщепленні глюкози йдуть із звільненням енергії. Кожна окрема реакція дає невеликий вихід енергії, а в сумі виходить чимала величина: розщеплення однієї грам-молекули глюкози (180 г) на дві грам-молекули молочної кислоти дає майже 200 кДж (50 000 кал). Якби енергія, що звільняється при перетворенні глюкози в молочну кислоту, звільнилася відразу, в результаті однієї реакції, то це призвело б до небезпечного перегріву і пошкодження клітини. Поділ ж процесу на ряд проміжних ланок обумовлює поступове виділення енергії, що охороняє клітину від теплового ушкодження.

Процес гліколізу йде тільки в присутності АТФ і АДФ, так як обидва ці нуклеотиду є обов'язковими учасниками відбуваються реакцій. АТФ необхідна на початку гліколізу, АДФ - в кінці. АТФ фосфорилирует глюкозу: передаючи глюкози залишок фосфорної кислоти, АТФ при цьому переходить в АДФ. АДФ забезпечує зворотний процес: дефосфорілірованіе проміжних продуктів гліколізу. Приєднуючи залишок фосфорної кислоти, АДФ перетворюється в АТФ. В кінці гліколізу АТФ завжди утворюється більше, ніж її витрачається на початку. У ході розщеплення однієї молекули глюкози відбувається утворення двох нових молекул АТФ. Таким чином, у результаті процесу гліколізу АТФ завжди накопичується.

Так як синтез АТФ представляє ендотермічний процес, то очевидно, що енергія для синтезу АТФ черпається за рахунок енергії реакцій без кисневого розщеплення глюкози. Отже, енергія, що звільняється в ході реакцій гліколізу, не вся переходить в тепло. Частина її йде на синтез двох багатих енергією фосфатних зв'язків.

Зробимо нескладний розрахунок: всього в ході без кисневого розщеплення грам-молекули глюкози звільняється 200 кДж (50 000 кал). На освіту однією зв'язку, багатою енергією, при перетворенні грам-молекули АДФ в АТФ витрачається 40 кДж (10 000 кал). Вході без кисневого розщеплення утворюються дві такі зв'язки. Таким чином, в енергію двох грам-молекул АТФ переходить 2x40 = 80кдж (2X10 000 = 20 000 кал). Отже, з 200 кДж (50 000 кал) тільки 80 (20 000) зберігаються у вигляді АТФ, а 120 (30 000) розсіюються у вигляді тепла. Отже, в ході без кисневого розщеплення глюкози 40% енергії зберігається клітиною.

Третій етап енергетичного обміну - стадія кисневого, або повного, розщеплення, або дихання. Продукти, що виникли в попередній стадії, окислюються до кінця, тобто до СО 2 і Н 2 О.

Основна умова здійснення цього процесу - наявність у навколишньому середовищі кисню і поглинання його клітиною. Стадія кисневого розщеплення, як і попередня стадія без кисневого розщеплення, являє собою ряд послідовних ферментативних реакцій. Кожна реакція каталізується особливим ферментом.

Весь ферментативний ряд кисневого розщеплення зосереджений в мітохондріях, де ферменти розташовані на мембранах правильними рядами. Сутність кожної з реакцій полягає в окисленні органічної молекули, яка з кожною сходинкою поступово руйнується і перетворюється в кінцеві продукти окислення: СО 2 і Н 2 О.

Всі проміжні реакції кисневого розщеплення, як і проміжні реакції без кисневого процесу, йдуть із звільненням енергії. Кількість енергії, що звільняється на кожному ступені при кисневому процесі, проте, багато більше, ніж на кожній ступені без кисневого процесу. У сумі кисневе розщеплення дає величезну величину - 2600 кДж (650 000 г-кал) (на дві грам-молекули молочної кислоти). Якби при розщепленні міститься в клітині молочної кислоти вся енергія звільнилася в результаті однієї реакції, клітина зазнала б тепловому пошкодження. При розосередженні ж процесу на ряд проміжних ланок такої небезпеки немає.

Докладне дослідження стадії кисневого розщеплення показало, що в ній, як і в без кисневому процесі, відбувається утворення АТФ з АДФ. У ході кисневого розщеплення двох молекул молочної кислоти синтезуються 36 молекул АТФ, тобто 36 багатих енергією фосфатних зв'язків.

Тепер має бути ясним значення третьої стадії енергетичного обміну - кисневого розщеплення молочної кислоти. Якщо в ході без кисневого розщеплення звільняється 200 кДж (50 000 кал) (на моль глюкози), то в стадії кисневого розщеплення звільняється ще 2600 кДж (650 000 кал) Якщо в ході без кисневого процесу синтезуються дві молекули АТФ, то в процесі кисневого розщеплення синтезується ще 36 молекул АТФ. Іншими словами, на стадії кисневого розщеплення утворюється понад 90% енергії, одержуваної клітиною в процесі розщеплення глюкози.

Займемося знову розрахунком. Всього в процесі розщеплення глюкози до СО 2 і Н 2 О, тобто в ході процесів без кисневого та кисневого розщеплення, синтезується 2 + 36 = 38 молекул; АТФ. Таким чином, в потенційну енергію АТФ переходить 38X40 = 1520 кДж (38x10 000 = 380 000 кал). Всього ж при розщепленні глюкози (у без кисневу і кисневу стадії), звільняється 200 + 2600 = 2800 кДж (50 000 + 650 000 = 700 000 кал). Отже, майже 55% всієї енергії, що звільняється при розщепленні глюкози, зберігається клітиною у формі АТФ. Інша частина (45%) розсіюється у вигляді тепла. Щоб оцінити значення цих цифр, згадаємо, що в парових машинах з енергії, що звільняється при згорянні вугілля, у корисну форму перетвориться не більше 12-15%. У кращих турбінах цей відсоток підвищується до 20-25. У двигунах внутрішнього згоряння / він сягає приблизно 35%. Таким чином, по ефективності: перетворення енергії жива клітина перевершує всі відомі перетворювачі енергії в техніці.

При зіставленні кількості енергії, що звільняється під час без кисневого та кисневого розщеплення глюкози, а також числа молекул АТФ, які синтезуються в обидві стадії, що кисневий процес незрівнянно більш ефективний, ніж без кисневий. У стадії без кисневого розщеплення звільняється приблизно 1 / 20 частина енергії, що звільняється при кисневому процесі. Цілком зрозуміло тому, що в нормальних умовах для мобілізації енергії в клітці завжди використовується як без кисневий, так і кисневий шлях розщеплення. Якщо здійснення кисневого процесу утруднено або зовсім неможливо, наприклад при нестачі кисню, тоді для підтримки життя залишається тільки без кисневий процес. Але при цьому для отримання АТФ у кількості, необхідній для життєдіяльності, клітці доводиться розщеплювати дуже велику кількість глюкози.

Дихання і горіння

Розщеплення органічних речовин, що відбувається в клітці, часто порівнюють з горінням: в обох випадках відбувається поглинання кисню і виділення продуктів окислення - СО 2 і Н 2 О. Однак склад продуктів горіння невизначений і непостійний, він змінюється в залежності від співвідношення окислюваного речовини і кисню, залежить від температури та інших умов. Дихання ж відбувається в результаті високоупорядоченного процесу, ряду послідовних ферментативних реакцій. 2 при горении происходит в результате прямого присоединения кислорода к углероду, а при биологическом окислении CO 2 возникает путем расщепления органических кислот под влиянием ферментов. Освіта CO 2 при горінні відбувається в результаті прямого приєднання кисню до вуглецю, а при біологічному окисленні CO 2 виникає шляхом розщеплення органічних кислот під впливом ферментів.

Таким чином, цілком ясно, що між процесами горіння і біологічного окислення існує глибоке, принципова відмінність. Дихання ж відбувається в результаті високоупорядоченного процесу, ряду послідовних ферментативних реакцій. Освіта СОГ при горінні відбувається в результаті прямого приєднання кисню до вуглецю, а при біологічному окисленні СО 2 виникає шляхом розщеплення органічних кислот під впливом ферментів.

Таким чином, цілком ясно, що між процесами горіння і біологічного окислення існує глибоке, принципова відмінність.

Список літератури

  1. Азімов А. Коротка історія біології. М., 1997.

  2. Кемп П., Армс К. Введення в біологію. М., 2000.

  3. Лібберт Е. Загальна біологія. М., 1978 Льоцці М. Історія фізики. М., 2001.

  4. Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства. Навчальний посібник. М., 1999.

  5. Небел Б. Наука про навколишнє середовище. Як влаштований світ. М., 1993.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Біологія | Реферат
69.8кб. | скачати


Схожі роботи:
Єдність організму і навколишньогосередовища Обмін мінеральних речовин Обмін речовин і енергії 2
Єдність організму і навколишньогосередовища Обмін мінеральних речовин Обмін речовин і енергії
Обмін речовин і енергії
Обмін речовин і енергії
Обмін речовин та енергії
Обмін речовин і енергії Терморегуляція
Обмін речовин і енергії 2 лютого
Обмін речовин і енергії Харчування
Обмін речовин і енергії у організмі людини Вітаміни
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru