Роль обміну речовин і енергії в житті живих істот

1. Хімічний склад плодів і овочів

Плоди та овочі цінують за вміст крохмалю і невеликої кількості цукру - джерело вітамінів і мінералів. Жиру практично немає (0,5%) крім горіхів, білок до 1% і багато води, енергетична цінність невисока за рахунок води.

Бобові культури містять білків у зерні значно більше, ніж зернові, але поступаються їм за кількістю крохмалю.

Білки - це органічні високомолекулярні сполуки, що складаються з амінокислот. У молекулі білка амінокислоти з'єднані між собою пептидними зв'язками. Різноманітність білків визначається послідовністю розміщення залишків амінокислот у поліпептидному ланцюзі (первинна структура білка). Крім того, існують вторинна структура білка, що характеризує тип укладання поліпептидних ланцюгів (права α-спіраль, α-структура і β-вигин), третинна структура білка, що характеризує розташування його поліпептидного ланцюга у просторі, і четвертинна структура, що характеризує білки, до складу яких входить кілька поліпептидних ланцюгів, пов'язаних між собою нековалентними зв'язками.

Олійні культури (соняшник і льон) оцінюються за змістом жирів у насінні. Слід зазначити, що якість рослинних жирів (масел) визначається співвідношенням в, них насичених і ненасичених жирних кислот.

Жири є складними ефірами гліцерину та вищих жирних кислот. До складу жирів входять головним чином рідкі ненасичені кислоти (олеїнова, лінолева і ліноленова).

У залежності від того, який саме фрукт або овоч, кількість води коливається від 40% до 95%.

2. Роль обміну речовин і енергії в житті живих істот. Біологічне значення циклу Кребса

Обов'язковою умовою існування будь-якого організму є постійний приплив поживних речовин і постійне виділення кінцевих продуктів хімічних реакцій, що відбуваються в клітинах організму.

Надійшли в організм у ході харчування органічні речовини (або синтезовані в ході фотосинтезу) розщеплюються ферментами на будівельні блоки - мономери і направляються в усі клітини організму. Частина молекул цих; речовин витрачається на синтез специфічних органічних речовин, властивих даному організму. У клітинах синтезуються білки, ліпіди, вуглеводи, нуклеїнові кислоти та інші речовини, які виконують різні функції (будівельну, каталітичну, регуляторну, захисну і т.д.).

Інша частина низькомолекулярних органічних сполук, що надійшли в клітини, йде на утворення АТФ, в молекулах якій укладена енергія, доступна безпосередньо для виконання роботи.

У ході перетворення речовин у клітинах організму утворюються кінцеві продукти обміну, які можуть бути токсичними для організму і тому виводяться з нього (наприклад, аміак). Таким чином, всі живі організми постійно споживають з навколишнього середовища певні речовини, перетворюють їх і виділяють в середу кінцеві продукти.

Катаболізм (дисиміляція) - сукупність реакцій, що призводять до утворення простих сполук з більш складних. До катаболічним відносять, наприклад, реакції гідролізу складних полімерів до простих мономерів і розщеплення останніх до вуглекислого газу, води, аміаку. До катаболічеекім відносять реакції енергетичного обміну, в ході якого відбувається окислення органічних речовин і синтез АТФ.

Анаболізм (асиміляція) - сукупність реакцій синтезу складних органічних речовин з простіших. Наприклад, фіксація азоту і біосинтез білка, синтез вуглеводів з вуглекислого газу та води в ході фотосинтезу, синтез полісахаридів, ліпідів, нуклеотидів, ДНК, РНК та інших речовин. Синтез речовин у клітинах живих організмів часто позначають поняттям пластичний обмін, а розщеплення речовин та їх окислення з метою синтезу АТФ - енергетичний обмін. Пластичний та енергетичний обміни складають основу життєдіяльності будь-якої клітини, а, отже, і будь-якого організму, і тісно пов'язані між собою ^1.

Енергетичний обмін - невід'ємна і складова частина обміну речовин і енергії в живому організмі, що включає процеси поглинання, запасання, передачі, трансформації, використання і виділення енергії. Будь-яка жива клітина являє собою активну, динамічну систему. Енергія необхідна для здійснення будь-яких проявів життєдіяльності. Вона потрібна для процесів хімічного синтезу, для всіх видів руху (у тому числі і м'язового), для передачі нервових імпульсів. Енергія витрачається і на процес активного переносу речовин через плазматичну мембрану (в клітину і з клітини), причому на це витрачається дуже значна частина енергетичних ресурсів клітини. Енергія потрібна також для утворення тепла і підтримки постійної температури тіла у птахів і ссавців і т.д. В організм енергія надходить з навколишнього середовища. Первинним джерелом її для всього живого є та частина сонячної радіації, яка називається видимим світлом, вловлюється зеленими рослинами і в процесі фотосинтезу перетворюється спочатку в електрохімічну, а потім в хімічну енергію, що запасається в органічних продуктах фотосинтезу. Тваринні організми, гриби, більшість бактерій і найпростіших не здатні до фотосинтезу і тому цілком залежать (в сенсі постачання енергією) від речовин, синтезованих рослинами. Ця залежність може бути прямою, як у травоїдних, або непрямий, як у м'ясоїдних, які харчуються іншими тваринами, в тому числі травоїдними. Далі запасена енергія перетворюється на форму, в якій вона може використовуватися рослинними і тваринними клітинами, клітинами інших організмів для виконання будь-якої роботи, наприклад для синтезу необхідних клітині речовин, для забезпечення механічних, електричних, осмотичних та інших процесів. У кінцевому рахунку, сутність енергетичного обміну в клітині (і організмі в цілому) зводиться до покриття її енергетичних потреб за рахунок здійснення в ній широкого спектру хімічних, фізичних і фізико-хімічних реакцій і перетворень речовин.

Єдиний процес енергетичного обміну можна умовно розділити на три послідовні етапи. Перший з них - підготовчий. На цьому етапі високомолекулярні органічні речовини в цитоплазмі під дією відповідних ферментів розщеплюються на дрібні молекули: білки - на амінокислоти, полісахариди (крохмаль, глікоген) - на моносахариди (глюкозу), жири - на гліцерин і жирні кислоти, нуклеїнові кислоти - на нуклеотиди і т . д. На цьому етапі виділяється невелика кількість енергії, яка розсіюється у вигляді тепла.

Другий етап - безкисневий, або неповний. Утворилися на підготовчому етапі речовини піддаються подальшому ферментативному розщепленню без участі кисню. Прикладом може служити гліколіз.

Продукт гліколізу - піровиноградна кислота - містить у собі значну частину енергії, і подальше її вивільнення здійснюється в мітохондріях. Цей процес також можна розділити на три основні стадії: 1) окислювальне декарбоксилювання піровиноградної кислоти, 2) цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса - далі); 3) заключна стадам окислення - електронтранспортний ланцюг.

На першому етапі спочатку високомолекулярні органічні речовини (полісахариди, ліпіди, білки, нуклеїнові кислоти та ін) під дією ферментів розщеплюються на більш прості сполуки (глюкозу, вищі карбонові кислоти, гліцерин, амінокислоти, нуклеотиди тощо). Цей процес відбувається в цитоплазмі клітин і супроводжується виділенням невеликої кількості енергії, яка розсіюється у вигляді тепла. Далі відбувається ферментативне розщеплення простих органічних сполук.

Кисневий етап, таким чином, дає енергії в 18 більше, ніж її запасається в результаті гліколізу ^2.

На першій стадії піровиноградна кислота взаємодіє з речовиною, яку називають коферментом А (скорочено його позначають КоА), в результаті чого утворюється; ацетилкофермент А з високоенергетичної зв'язком. При цьому від молекули піровиноградної кислоти відщеплюється молекула СО ₂ (перша) і атоми водню, які запасаються у формі НАД • Н + Н ^+.

Друга стадія - цикл Кребса (названий так на честь відкрив його англійського вченого Ганса Кребса).

У цикл Кребса вступає ацетил-КоА, утворений на попередній стадії. Ацетил-КоА взаємодіє зі щавлево-оцтовою кислотою (четирехуглеродное з'єднання), в результаті утворюється шестіуглеродная лимонна кислота. Для цієї реакції потрібно енергія; її постачає високоенергетична зв'язок ацетил-КоА. Далі перетворення йде через утворення ряду органічних кислот, в результаті чого ацетільние групи, що надходять в цикл при гідролізі ацетил-КоА, дегидрирующей з вивільненням чотирьох пар атомів водню і декарбоксилуєтся з утворенням двох молекул СО _2. При декарбоксилюванні для окислення атомів вуглецю до СО ₂ використовується кисень, відщеплюється від молекул води. В кінці циклу щавлево-оцтова кислота регенерується в колишньому вигляді. Тепер вона здатна вступити в реакцію з новою молекулою ацетил-КоА, і цикл повторюється. У процесі циклу використовуються три молекули води, виділяються дві молекули СО ₂ і чотири пари атомів водню, які відновлюють відповідні коферменти (ФАД - флавінаденіндінуклеотіда і НАД). Сумарно реакція циклу може бути виражена таким рівнянням:

ацетил-КоА + ДТ ₂ О + знадо + + ФАД + АДФ + Н ₃ РО ₄ → КоА + 2СО ₂ + знадо • Н + Н * + ФАД • Н ₂ + АТФ.

Таким чином, в результаті розпаду однієї молекули піровиноградної кислоти в аеробній фазі (декарбоксилювання ПВК і циклу Кребса) виділяється ЗСО _2, 4НАД • Н + Н ^+, ФАД • Н _2.

Сумарно реакцію гліколізу, окисного декарбоксилювання та циклу Кребса можна записати в наступному вигляді:

З ₆ Н, ₂ О _б + 6Н ₂ 0 + 10НАД + 2ФАД → 6СО ₂ + 4АТФ + 10НАД • Н + Н ^{+ +} 2ФАД • Н _2.

Третя стадія - електронтранспортний ланцюг.

Пари водневих атомів, відщеплюється від проміжних продуктів у реакціях дегідрування при гліколізі і в циклі Кребса, врешті-решт, окислюються молекулярним киснем до Н ₂ О з одночасним, фосфорилюванням АДФ в АТФ. Відбувається це тоді, коли водень, який відділився від НАД • Н ₂ і ФАД • Н _2, передається по ланцюгу переносників, вбудованих у внутрішню мембрану мітохондрій. Пари атомів водню 2Н можна розглядати як 2Н ^{+ +} 2е ^- Саме в такому вигляді вони і передаються по ланцюгу переносників. Шлях перенесення водню і електронів від однієї молекули переносника до іншої являє собою окислювально-відновний процес. При цьому молекула, що віддає електрон або атом водню, окислюється, а молекула, що сприймає електрон або атом водню, відновлюється. Рушійною силою транспорту атомів водню у дихальному ланцюзі є різниця потенціалів.

За допомогою переносників іони водню Н ⁺ переносяться з боку мембрани на її зовнішній бік, інакше кажучи, з матриксу мітохондрії в межмембранное простір ^3.

При перенесенні пари електронів від НАД на кисень вони перетинають мембрану три рази, і цей процес супроводжується виділенням на зовнішню сторону мембрани шести протонів. На заключному етапі електрони переносяться на внутрішню сторону мембрани і акцептуються киснем.

Процес утворення АТФ в результаті переносу іонів Н * через мембрану мітохондрії отримав назву окислювального фосфорилювання. Він здійснюється за участю ферменту АТФ-синтетази. Молекули АТФ-синтетази розташовуються у вигляді сферичних гранул на внутрішній стороні внутрішньої мембрани мітохондрій.

У результаті розщеплення двох молекул піровиноградної кислоти і перенесення іонів водню через мембрану по спеціальних каналах синтезується в цілому 36 молекул АТФ (2 молекули в циклі Кребса і 34 молекули в результаті переносу іонів Н ⁺ через мембрану) ^4.

3. Вчення про мікроеволюції і видоутворенні. Визначення макро-і мікроеволюції, їх співвідношення

Мікроеволюція - еволюційні перетворення, що відбуваються в межах популяцій в порівняно короткі проміжки часу (наприклад, зміна частоти генів ^5, гомо-і гетерозигот в популяції за кілька поколінь). Іншими словами, мікроеволюція - це сукупність елементарних еволюційних явищ, направлено поточних в популяціях під впливом різних еволюційних факторів.

Елементарне еволюційне явище - стійке зміна генотипического складу популяції, тобто сукупність необоротних генетичних змін, які змінюють еволюційні можливості популяції ^6.

Такі генетичні зміни можуть виникнути в результаті дії різних еволюційних факторів і, врешті-решт, зведуться або до виникнення і розповсюдження нових (раніше не існували в популяції) спадкових особливостей, або до виникнення таких поєднань генів, які в сумі дадуть зовсім новий результат у вигляді виникнення нової ознаки.

Мікроеволюція, таким чином, - це процес еволюційного перетворення популяцій, що призводить до утворення внутрішньовидових форм і нових видів як кінцевого її результату.

Макроеволюція - це процес еволюційного перетворення і розвитку різних груп живих організмів протягом десятків і сотень мільйонів років. Іншими словами, мікроеволюція - це еволюційні перетворення живої природи на рівні вище видового (освіта вищих таксонів, нових органів і систем, вимирання окремих груп і т.д.). У загальному значенні макроеволюцією можна назвати розвиток життя на Землі в цілому, включаючи і її походження. Макроеволюціонним подією вважається також виникнення людини, за багатьма ознаками відрізняється від інших біологічних видів. Між мікро-і макроеволюцією не можна провести різку межу, тому що процес мікроеволюції, первинно викликає зміна популяцій (аж до видоутворення), триває без будь-якого перерви і на макроеволюціонном рівні всередині новопосталих форм.

Відсутність принципових відмінностей у протіканні мікро-і макроеволюціонного процесу дозволяє розглядати їх як дві сторони єдиного еволюційного процесу, і застосовувати для аналізу процесу всієї еволюції поняття, розроблені в теорії мікроеволюції, оскільки макроеволюціонние явища (виникнення нових сімейств, загонів та інших груп) охоплюють десятки мільйонів років і виключають можливість їх безпосереднього експериментального дослідження.

Макроеволюція може здійснюватися кількома способами. Основний спосіб здійснення макроеволюції - дивергенція - розбіжність ознак у споріднених організмів. В основі дивергенції лежить екологічна диференціація виду (або групи видів) на самостійні гілки. Відмінності між видами однієї трупи в процесі еволюції, в силу зміни напрямку відбору, все більш і більш поглиблюються. Але разом з тим зберігається і певна спільність ознак морфофізіологічної організації. Це свідчить про походження цієї групи від загального родоначального предка. При дивергенції схожість між організмами пояснюється спільністю їх походження, а відмінності - пристосуванням до різних умов середовища.

Прикладом дивергенції форм є виникнення різноманітних за морфофізіологічні особливості в'юрків від одного або небагатьох предкової видів на Галапагоських островах. Розбіжність внутрішньовидових форм і видів з різних середовищ існування визначається конкуренцією за однакові умови, вихід з яких і полягає в розселенні їх по різних екологічних нішах. Механізм дивергентной еволюції заснований на дії елементарних еволюційних факторів, наприклад зовнішніх факторів.

4. Фактори захисту організму.

Важливу роль у захисті від проникли в організм людини чужорідних речовин грають лейкоцити або білі кров'яні тільця. Вони забезпечують імунітет - розпізнавання і нейтралізацію (руйнування, знезараження, видалення) генетично чужорідних речовин інфекційної і неінфекційної природи. Речовини, при попаданні яких в організм людини або тварин викликається імунна реакція, називаються антигенами (бактерії, віруси, чужорідні клітини, тканинні екстракти, біологічні рідини та ін.)

В 1 мм ³ крові дорослої людини міститься 6-8 тис. лейкоцитів. Їх поділяють на дві групи: зернисті (гранулоцити) і незерністие (Агранулоціти). Зернисті лейкоцити представлені нейтрофілами (50-79% всіх лейкоцитів), еозинофілами (1-5%), базофілами (0-0,5%). До групи незерністие лейкоцитів входять лімфоцити (20-40%) і моноцити (2-10%). У здорових людей співвідношення між типами лейкоцитів постійно, його зміна є ознакою захворювання.

Однією з форм захисту організму є клітинний імунітет. Він здійснюється шляхом фагоцитозу - поглинання лейкоцитами чужорідних частинок і їх внутрішньоклітинного перетравлювання. Явище фагоцитозу було відкрито І.І. Мечниковим. Найбільшою фагоцитарною активністю володіють нейтрофіли, моноцити, еозинофіли. Інший шлях клітинного імунітету - руйнування чужорідних, злоякісних і клітин організму людини, інфікованих вірусом, здійснюють деякі види лімфоцитів (Т-хелпери).

Іншою формою імунітету є гуморальний, здійснюваний виробленими деякими видами лімфоцитів захисними білками - антитілами. Лімфоцити утворюються зі стовбурових клітин червоного кісткового мозку і деякі з них живуть 20 і більше років.

Залежно від походження виділяють спадковий і набутий імунітети.

Спадковий (генотипический) імунітет передається у спадок в ряді багатьох поколінь. Він стійкий, однотипний для кожного виду, різниться лише ступенем індивідуальної виразності. У людини він забезпечує абсолютну несприйнятливість до багатьох хвороб тварин, а у тварин - до хвороб людини.

Придбаний (індивідуальний) імунітет виробляється в процесі природного життя або викликається штучним шляхом. Пасивною формою природного набутого імунітету є плацентарний і материнський. Він забезпечується пасивно переданими антитілами від матері плоду через плаценту або немовляті з молоком при грудному вигодовуванні. Після народження і припинення вигодовування грудним молоком ця форма імунітету через 1-1,5 місяця згасає. Активною формою придбаного в природних умовах життя є постінфекційний, що виникає у людини в результаті перенесення захворювання. Цей вид імунітету здійснюється, антитілами, що виробляються В-лімфоцитами. Він зберігається протягом багатьох років, а нерідко і все життя.

Набутий штучний імунітет поділяють також на активний і пасивний. Активний (поствакцинальний) імунітет створюється введенням в організм людини вакцин, що містять ослаблені або вбиті збудники хвороби. Він виробляється приблизно через два тижні після вакцинації і зберігається тривалий час. Пасивний штучний імунітет створюється через кілька годин після введення сироваток з містяться в ній антитілами проти збудника якого-небудь захворювання (наприклад, протиправцева сироватка, проти отрути змій та ін.) Ця форма імунітету зберігається не більше місяця. Нею користуються головним чином в лікувальних цілях ^7.

Список літератури

1. Березів Т.Т., Коровкін Б.Ф. Біологічна хімія. - М.: Медицина, 1993.

2. Біологія. / Н.П. Соколова, І.І. Андрєєва та ін - М.: Вища школа, 1987.

3. Лемеза Н.А., Камлюк Л.В., Лисов Н.Д. Біологія. - М.: Айрис-пресс, 2005.

4. Суворов А.В. Окислювально-відновні реакції. - М.: Школа-Пресс, 2003.

5. Хімія в побуті та у виробництві. / Под ред. Селіванова М.І. - М.: Хімія, 2000.