В какие формы превращается энергия в живых организмах?

20 ответов на вопрос “В какие формы превращается энергия в живых организмах?”

  1. Nalmezel Ответить

    Обмен веществ, или метаболизм, — строго упорядоченная совокупность химических превращений, которые обеспечивают все проявления жизнедеятельности организма и его вещественное и энергетическое взаимодействие с окружающей средой.
    В процессе метаболизма клетки и организм получают из окружающей среды определенные вещества и энергию, преобразуют (и при необходимости накапливают) их и выделяют в среду конечные продукты и энергию в других формах.
    Значение обмена веществ: он позволяет
    ¦ сохранять состав клеток организма постоянным,
    ¦ обновлять, по мере необходимости, клеточные структуры,
    ¦ поддерживать энергетический баланс клеток и организма.
    Важнейшие особенности обмена веществ: высокая упорядоченность и строгая последовательность всех биохимических реакций в организме, участие в них всех клеточных структур и очень большого числа различных биологических катализаторов — ферментов.
    ? Виды обмена веществ в зависимости от направленности процессов: анаболизм и катаболизм.
    Анаболизм (или ассимиляция, пластический обмен) — совокупность реакций биохимического синтеза, при котором из поступивших в клетку более простых веществ образуются (с затратами энергии) сложные органические соединения, специфические для данной клетки и используемые для построения и обновления клеток и тканей или, в дальнейшем, для высвобождения энергии (примеры: фотосинтез, хемосинтез, биосинтез белка, липидов, углеводов и др.).
    Катаболизм (или диссимиляция, энергетический обмен) — совокупность ферментативных реакций расщепления сложных органических соединений (в том числе пищевых веществ) на более простые вещества, сопровождающееся высвобождением энергии и запасанием ее в молекулах АТФ {пример: гидролиз полимеров до мономеров и последующее их расщепление до воды, аммиака и углекислого газа).
    Взаимосвязь анаболизма и катаболизма:
    ¦ они являются противоположными сторонами единого процесса обмена веществ;
    ¦ в реакциях анаболизма (пластического обмена) потребляется энергия, выделяемая в реакциях катаболизма (энергетического обмена);
    ¦ для осуществления реакций катаболизма необходим постоянный биосинтез ферментов и структур органоидов, которые в процессе жизнедеятельности постепенно разрушаются.

    Фотосинтез

    Фотосинтез — это процесс синтеза органических веществ из молекул углекислого газа и воды, происходящий с использованием энергии света (обычно солнечной энергии) в зеленых растениях, некоторых бактериях и протистах и сопровождающийся выделением кислорода.
    ¦ Осуществляется с помощью хлорофиллов и каротиноидов, локализованных на мембранах тилакоидов хлоропластов.
    ¦ Коэффициент полезного действия фотосинтеза ~60%.
    ¦ Уравнение фотосинтеза:
    6СO2 + 6Н2O + свет > С6Н12O6 + 6O2^.
    Стадии фотосинтеза: световая (осуществляется в тилакоидах гран) и темновая (осуществляется в строме хлоропластов).
    Процессы световой фазы
    Видимый свет частично поглощается хлорофиллом, в результате чего некоторые его молекулы возбуждаются и теряют электроны е—, превращаясь в положительно заряженные ионы. Одновременно под действием света происходит фотолиз (фоторазложение) воды с образованием ионов ОН— и Н+ : Н2O > ОН— + Н+ . Ионы Н— накапливаются преимущественно на внутренней стороне мембраны, заряжая ее положительно. Некоторые гидроксильные группы ОН— теряют электроны, восстанавливаясь до радикалов ОН, которые объединяются, образуя воду и свободный кислород, выделяемый в атмосферу:
    ОН— > ОН + е—, 4OН > 2Н2О +O2^.
    Часть электронов, потерянных возбужденным хлорофиллом и гидроксилом, пройдя по электронно-транспортной цепи мембраны, накапливается преимущественно на ее внешней стороне, заряжая ее отрицательно. Оставшиеся электроны рекомбинируют с частью образовавшихся положительно заряженных ионов хлорофилла.
    В результате разделения заряженных частиц е— и Н+ между внешней и внутренней сторонами мембраны образуется электрическое поле. Когда оно достигает некоторой критической величины, ионы Н+ (протоны) устремляются по протонному каналу в ферменте АТФ-синтетаза, встроенному в мембрану тилакоида, к внешней поверхности мембраны. Достигнув ее, они соединяются с электронами, образуя атомарный водород:   Н+е—>Н. При этом выделяется энергия, которая идет на синтез молекул АТФ. Образовавшиеся молекулы АТФ переходят в строму хлоропласта. Нейтральные атомы водорода Н соединяются с молекулами кофермента, кратко называемого НАДФ (см. ниже), образуя комплексы НАДФ*Н+ Н+, которые также переходят в строму.
    Результаты процессов световой фазы: образование молекул АТФ, комплексов НАДФ*Н+ Н+ и свободного кислорода О2.
    Процессы темновой фазы происходят в строме хлоропласта, куда поступает АТФ, НАДФ*Н+ Н+ (от тилакоидов гран) и СО2 (через устьица из воздуха). В присутствии ферментов молекулы СО2 присоединяются к молекулам присутствующего в строме сахара-пентозы рибупозодифосфата (С5). При этом образуется нестойкое шестиуглеродное соединение (С6), которое ферментативным путем распадается на две триозы (С3) — трехуглеродные молекулы фосфоглицериновой кислоты и фосфоглицеринового альдегида (которые для краткости обозначим ФГ). Превращения молекул ФГ происходят при участии продуктов световой фазы (АТФ и комплексов НАДФ*Н+ Н+). Каждая из молекул ФГ отнимает по одной фосфатной группе у молекулы АТФ, обогащаясь при этом энергией, а затем отщепляет атомы водорода от НАДФ*Н+ Н+ , окисляя его до НАДФ. Дальнейшие превращения молекул ФГ осуществляются по одному из трех вариантов. Одна часть этих молекул объединяется, образуя углеводы (глюкозу) и воду; полученные углеводы затем могут полимеризоваться, образуя крахмал, целлюлозу и т.п. Другая часть участвует в синтезе аминокислот, карбоновых кислот, спиртов и др. Третья часть молекул ФГ участвует в цепочке реакций, в результате которых триозы превращаются в пятиуглеродные молекулы исходного вещества — рибулозодифосфата, тем самым замыкая цикл химических превращений — C3-цикл, или цикл Кальвина.
    ¦ Итоговое уравнение химической реакции темновой фазы: 
    6СО2 + 24Н > С6Н12О6 + 6Н2О.
    В дальнейшем могут образовываться полисахариды и другие органические соединения.
    ¦Схематически световая и темновая фазы процесса фотосинтеза изображены на рисунке.

    ? С4-фотосинтез. У некоторых растений жарких засушливых мест (кукурузы, сахарного тростника) фотосинтез осуществляется при низких концентрациях СО2. С помощью особого фермента молекула СО2 присоединяется к трехуглеродной фос-фофенолпировиноградной кислоте, в результате чего образуется четырехуглеродная щавелевоуксусная кислота (ЩУК). Эта кислота затем переходит в другие клетки листа, где от нее СО2 отщепляется и накапливается в количествах, необходимых для нормального протекания фотосинтеза с образованием глюкозы.
    ? Кислотный метаболизм толстянковых (САМ) — способ фиксации двуокиси углерода суккулентами, живущими в условиях пустынь (кактусы, молочаи и др.). Они запасают СО2 в виде органических кислот ночью когда открыты устьица, а днем осуществляют фотосинтез, отщепляя СО2 от этих кислот.
    ?Бактериальный фотосинтез — примитивная, древнейшая форма фотосинтеза, осуществляемая фотосинтезирующими бактериями (зелеными серными, пурпурными серными и пурпурными несерными) с помощью бактериохлорофиллов без использования воды и без выделения кислорода; источник Н+ и е— — H2S.
    НАД и НАДФ — коферменты, участвующие в обмене веществ, служащие акцепторами атомов водорода и электронов в клетке и обеспечивающие перенос протонов и электронов в химических реакциях, причем сами они в этих реакциях не участвуют.
    Коферменты — органические соединения небелковой природы, входящие в состав активного центра некоторых ферментов. Соединяясь с белковым компонентом сложных ферментов, ко-фермент образует каталитически активный комплекс. Коферменты легко отделяются от белковой молекулы и служат переносчиками электронов, отдельных атомов или групп атомов, отщепляемых ферментами от субстратов.
    ? Значение фотосинтеза: он основной источник первичного органического вещества, единственный источник свободного кислорода на Земле и регулятор содержания СО2 в атмосфере; энергия, полученная от Солнца и запасенная в химических связях органических соединений, используется всеми гетеротрофными организмами.

    Хемосинтез

    Хемосинтез — процесс синтеза органических веществ, происходящий за счет энергии, выделяющейся при окислении ряда неорганических соединений (сероводорода, аммиака, водорода и др.).
    ¦ Хемосинтез характерен для некоторых автотрофных аэробных и анаэробных бактерий-хемосинтетиков.
    Роль бактерий-хемосинтетиков: азотфиксирующие бактерии повышают урожайность почвы, серобактерии способствуют постепенному разрушению и выветриванию горных пород, участвуют в очищении от соединений серы промышленных сточных вод, железобактерии вырабатывают Fe(OH)3, образующий болотную железную руду, водородные бактерии используются для получения пищевого и кормового белка.

    Биосинтез белка. Генетический код

    Биосинтез — процесс синтеза сложных органических веществ (полисахаридов, белков, нуклеотидов и т.д.) из более простых, происходящий в живых организмах при участии ферментов.
    Биосинтез белка — это процесс образования белков из аминокислот, осуществляющийся во всех клетках и происходящий на рибосомах, расположенных в основном в цитоплазме.
    Каждая клетка имеет специфический набор белков, характерных только для этой клетки. Информация о том, какие белки должны синтезироваться в клетках данного организма, записана в виде последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК.
    Ген — участок молекулы ДНК, характеризующийся определенной последовательностью нуклеотидов, в котором закодирована информация о первичной структуре полипептидной цепи (последовательности аминокислот в конкретном белке) или нуклеотидов в РНК. В одной молекуле ДНК содержится от сотен до десятков тысяч генов.
    Генетический код — это единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот ДНК и и-РНК и виде последовательности нуклеотидов.
    ? Свойства генетического кода:
    ¦триплетность: каждая аминокислота кодируется определенным триплетом (или кодоном) — сочетанием трех последовательно расположенных нуклеотидов;
    ¦ множественность (или избыточность): одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими различными триплетами (от 2 до 6);
    ¦ однозначность: каждый триплет кодирует только одну аминокислоту;
    ¦ неперекрываемость: один нуклеотид не может входить в состав соседних триплетов;
    ¦ непрерывность: гены в цепи нуклеотидов имеют строго фиксированные стартовые (или инициирующие) кодоны и терминирующие кодоны, сигнализирующие об окончании синтеза полипептидной цепи; внутри последовательности нуклеотидов гена «знаки препинания» отсутствуют;
    ¦ универсальность: одинаковые триплеты кодируют одну и ту же аминокислоту у всех живых организмов.
    Матричный синтез — синтез молекул сложных органических веществ (белка, РНК, ДНК) из более простых на основе генетической информации, закодированной на матрице.
    Матрица — это готовая структура (молекула ДНК или и-РНК), содержащая закодированную генетическую информацию, в соответствии с которой осуществляется синтез новой структуры.
    Кодон — три рядом расположенных нуклеотида в молекулах ДНК или и-РНК, кодирующие одну аминокислоту.
    Реакции матричного синтеза: редупликация молекулы ДНК, синтез и-РНК (транскрипция), сборка молекулы белка (трансляция):
    ? Этапы процесса биосинтеза белка:
    транскрипция (1-й этап),
    трансляция (2-й этап).
    При этом параллельно должен проходить процесс рекогниции. Информация о последовательности аминокислот в молекуле белка содержится в гене молекулы ДНК, которая непосредственного участия в синтезе белковых молекул не принимает, а лишь передает нужную информацию молекуле-посреднику и-РНК.
    ? Транскрипция — процесс «считывания» генетической информации с молекулы ДНК и копирование ее на молекулу и-РНК.
    Механизм транскрипции: фермент РНК-полимераза раскручивает двойную спираль молекулы ДНК на участке, соответствующем определенному гену, и обнажает одну из цепей спирали. Двигаясь вдоль этой цепи и встретив инициирующий кодон, РНК-полимераза начинает подбирать в кариоплазме нуклеотиды, комплементарные нуклеотидам гена ДНК, и соединяет их в цепочку и-РНК (молекулы информационной РНК). Процесс завершается после того как РНК-полимераза встретит в цепочке нуклеотидов ДНК терминирующий кодон. Таким образом, в результате транскрипции последовательность нуклеотидов, расположенных на участке от инициирующего до терминирующего кодона, «переписывается» в последовательность нуклеотидов и-РНК.
    ¦ Каждый триплет нуклеотидов и-РНК является кодоном, по которому в процессе сборки молекулы белка будет подбираться соответствующая аминокислота.
    Синтезированная в ядре и-РНК отделяется от ДНК и через поры ядерной оболочки поступает в цитоплазму, где присоединяется к одной или нескольким рибосомам.
    ?Рекогниция — это процесс «узнавания» молекулой т-РНК (транспортной РНК) свойственной ей аминокислоты и образование комплекса т-РНК + активированная аминокислота.
    Строение молекулы т-РНК.

    Благодаря определенному расположению комплементарных нуклеотидов и образованию между некоторыми из них водородных связей молекула т-РНК напоминает по форме лист клевера. На ее верхушке расположен антикодон -триплет свободных нуклеотидов, ответственный за узнавание соответствующего (комплементарного ему) кодона молекулы и-РНК.
    Основание молекулы т-РНК является акцептором, т.е. служит местом прикрепления именно той и только той аминокислоты, которой соответствует антикодон данной молекулы т-РНК.
    Механизм рекогниции: для того чтобы молекула т-РНК могла присоединить к своему акцепторному концу аминокислоту, необходимо, чтобы аминокислота была активирована, т.е. имела определенную избыточную энергию. Активация аминокислот происходит в цитоплазме с помощью специального фермента (ами-ноацил-т-РНК-синтетазы), который расщепляет молекулы АТФ и передают выделившуюся при этом энергию молекулам аминокислот. Молекула т-РНК выбирает из цитоплазмы соответствующую ее антикодону активированную аминокислоту и переносит ее в рибосому. Одна молекула т-РНК может транспортировать только одну аминокислоту.
    Трансляция — это второй этап синтеза белка, выполняемый рибосомами по принципу комплементарное™ кодона и-РНК и антикодона т-РНК. В процессе трансляции осуществляется расшифровка генетической информации, переносимой молекулами и-РНК, и «перевод» ее с нуклеотидного кода на аминокислотный.
    Механизм трансляции. Для трансляции необходимо, чтобы цепь и-РНК оказалась в канале, образующемся между меньшей и большей субъединицами рибосомы. В процессе трансляции эта цепь движется по каналу, так что в нем в каждый момент времени находится всего два кодона молекулы и-РНК. Трансляция начинается с инициации, когда через канал рибосомы пройдет стартовая аминокислота {метионин). В большую субъединицу рибосомы непрерывно поступают комплексы т-РНК + аминокислота, которые сменяют друг друга, причем в любой момент времени там находятся два комплекса, расположенные рядом. Если антикодон т-РНК оказывается комплементарным кодону и-РНК, то комплекс т-РНК + аминокислота временно присоединяется к цепочке и-РНК. Ко второму кодону и-РНК присоединяется второй комплекс т-РНК + аминокислота. С помощью ферментов между аминокислотами этих комплексов устанавливается пептидная связь и одновременно разрушаются связи между первой аминокислотой и т-РНК и между первой т-РНК и цепочкой и-РНК. т-РНК уходит из рибосомы за следующей аминокислотой, а цепочка и-РНК сдвигается на один триплет, и процесс повторяется.

    В результате каждого такого шага молекула будущего белка увеличивается на одну аминокислоту в строгом соответствии с порядком, указанным молекулой и-РНК. Синтез полипептидной белковой цепи завершается тогда, когда в рибосому попадут терминирующие кодоны и-РНК. После этого полипептидная белковая молекула отделяется от рибосомы и поступает в канальцы ЭПС, где приобретает свойственную ей пространственную структуру.
    ¦ Одна молекула и-РНК позволяет считывать с себя информацию сразу нескольким рибосомам.
    Полисома — это комплекс, состоящий из и-РНК и нескольких (от 5-6 до нескольких десятков) рибосом.
    ¦ Полисомы позволяют одновременно осуществлять синтез нескольких полипептидных цепей
    ¦Синтез белковых молекул происходит непрерывно; за 1 мин образуется 50-60 тыс пептидных связей. Одна молекула белка синтезируется за 3-4 с.

    Катаболизм (энергетический обмен)

    Катаболизм (или энергетический обмен, диссимиляция) — это совокупность ферментативных реакций расщепления сложных органических соединений (в том числе пищевых веществ) на более простые вещества, сопровождающихся выделением энергии.
    ¦ При этом часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть аккумулируется в макроэргических связях АТФ и используется для обеспечения процессов жизнедеятельности клетки. Основное вещество, используемое клетками для получения энергии, -глюкоза.
    ? Этапы (стадии) катаболизма:
    ¦ подготовительный,
    ¦ бескислородный,
    ¦ кислородный (отсутствует у анаэробных организмов).
    ?Подготовительный этап (или пищеварение): биополимеры расщепляются до мономеров, белки — до аминокислот, жиры -до глицерина и жирных кислот, углеводы — до глюкозы, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. Протекает в цитоплазме клеток и пищеварительном тракте животных и человека. Сопровождается наибольшим выделением энергии в виде тепла. Бескислородный и (у аэробных организмов) кислородный этапы катаболизма составляют процесс клеточного дыхания.

    Аэробное клеточное дыхание

    Клеточное дыхание — совокупность процессов окисления органических веществ в клетках организмов, сопровождающихся выделением энергии, и накопление этой энергии в молекулах АТФ в форме, доступной клетке для ее последующего использования.
    ¦ В зависимости от участия или неучастия кислорода в процессе дыхания различают аэробное и анаэробное дыхание.
    ¦При любом способе дыхания в конечном итоге происходит перенос водорода, отщепляемого от окисляемых соединений, на неорганическое вещество (воду и др.).
    Аэробное дыхание — дыхание, при котором потребляется свободный атмосферный кислород.
    Аэробы — организмы, обитающие в среде свободного кислорода (большинство растений, животных, грибов и микроорганизмов).
    ? Бескислородный (или анаэробный) этап: мономеры, образовавшиеся на первом этапе, претерпевают дальнейшее расщепление без участия кислорода. (Пример: гликолиз — ферментативное анаэробное расщепление глюкозы до пировиноградной кислоты.) Выделяющаяся при этом энергия частично запасается в микроэргических связях АТФ. Протекает в цитоплазме клеток при участии ферментов; с мембранами не связан. У анаэробных организмов этот этап — конечный.
    ¦ В животных клетках в результате гликолиза из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты и две молекулы АТФ:
    С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 — 2С3Н4О3 + 2 АТФ + 2Н2О + Q1;
    при этом 60% энергии выделяется в форме теплоты, 40% идет на синтез двух молекул АТФ.
    ? Кислородный (или аэробный) этап: образовавшиеся на предыдущем этапе вещества окисляются (при доступе кислорода и при участии ферментов) до конечных продуктов -Н2О и СО2, с выделением большого количества энергии и аккумуляцией ее в молекулах АТФ. Осуществляется в митохондриях.
    ¦ Этот этап включает цикл Кребса и процессы окислительного фосфорилирования.
    ? Цикл Кребса (или цикл лимонной кислоты)- процесс ферментативного окисления три- и дикарбоновых кислот (в частности, пировиноградной и молочной кислот) с образованием диоксида углерода и атомарного водорода.

    ¦ Сначала пировиноградная (или молочная) кислота, соединяясь с коферментом А (Ко-A) и выделяя молекулу СО2, превращается в ацетил-КоА. Ацетил-КоА реагирует с щавелевоуксусной кислотой, образуя при этом лимонную кислоту, которая затем вступает в цикл ферментативных реакций. В результате она теряет атомы водорода и электроны и вновь образует щавелевоуксусную кислоту и СО2 (цикл замыкается). В цикле Кребса также происходит восстановление некоторых ферментов, участвующих в обеспечении процесса дыхания. За счет энергии, высвобождающейся в некоторых реакциях цикла, по его ходу синтезируются две молекулы АТФ.
    ¦ Итоговые уравнения расщепления (окисления) пировиноградной и молочной кислот:
    С3Н4О3 + ЗН2О -> ЗСО2 + 10Н;  С3Н6О3 + ЗН20 -> 3СО2 + 12Н.
    Углекислый газ выделяется из митохондрии в окружающую среду, а атомы водорода оказываются связанными с молекулами, кратко называемыми НАД, в комплексы НАД*Н.
    Окислительное фосфорилирование.
    При сближении комплексов НАД*Н с внутренней мембраной митохондрии атомы водорода отщепляются от НАД и присоединяются к встроенным в эту мембрану молекулам особого транспортного железосодержащего белка — переносчика катионов, диссоциируя при этом на протоны Н+ и электроны е—: Н > Н+ + е—.
    С помощью белка-переносчика катионы водорода Н+ проникают через внутреннюю мембрану митохондрии в межмембранное пространство (механизм активного транспорта) и накапливаются там, образуя протонный резервуар.
    Электроны, образовавшиеся при диссоциации атомов водорода, последовательно передаются от одного переносчика к другому к внутренней стороне мембраны (обращенной к матриксу) и с помощью фермента оксидазы присоединяются к кислороду, образуя анион кислорода:
    О2 + 2е— > О22-.
    ¦ В результате разделения положительно и отрицательно заряженных частиц между внешней и внутренней сторонами мембраны образуется электрическое поле. Когда оно достигает некоторой критической величины, в молекулах фермента АТФ-синтетазы, встроенного во внутреннюю мембрану, открываются протонные каналы, по которым протоны Н+ устремляются в матрикс митохондрии. При этом выделяется энергия, большая часть которой (55%) идет на синтез молекул АТФ из АДФ и фосфорной кислоты.
    ¦ Протоны Н+ соединяются с анионами кислорода, образуя воду и молекулярный кислород О2:
    4Н+ + 2О22- > 2Н2О + О2.
    В этой реакции два из каждых четырех атомов кислорода связываются в молекулах воды, поэтому в процессе дыхания в целом кислород расходуется.
    ¦  Итоговое уравнение кислородного этапа:
    2С3Н4О3 + 6О2 + 36АДФ + З6Н3РО4 >6СО2 + 36АТФ + 42Н2О.
    ? Замечания
    ¦ В результате расщепления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. на бескислородном этапе — 2АТФ и на кислородном этапе — 36АТФ. Эти молекулы выходят за пределы митохондрии и участвуют во всех внутриклеточных процессах, в которых необходима энергия. Расщепляясь, АТФ отдает энергию и в виде АДФ и фосфата возвращается в митохондрии.
    ¦ Свободный кислород О2, поступающий в митохондрии в процессе дыхания организма, необходим для присоединения протонов водорода Н+. В его отсутствие концентрация Н+ возросла бы до некоторого предельного значения, после чего аэробный процесс в митохондриях прекратился бы.
    ¦ При недостатке в клетке глюкозы в процесс дыхания могут включаться жиры и белки.

    Анаэробное дыхание. Брожение

    Анаэробное дыхание не требует потребления кислорода. Анаэробы — организмы, способные обитать в бескислородной среде.
    Примеры анаэробов: многие виды бактерий, микроскопические грибы; анаэробное дыхание возможно также у мышечных клеток и клеток растений при недостатке кислорода.
    Облигатные анаэробы (бактерия ботулизма и др.) существуют только при полном отсутствии О2 (кислород для них губителен).
    Факультативные анаэробы (дрожжи, черви-паразиты и др.) могут существовать как без О2, так и в его присутствии.
    Брожение — анаэробный окислительно-восстановительный процесс расщепления в лизосомах клетки органических соединений до молочной кислоты и воды, этилового спирта и углекислого газа (или некоторых других простых продуктов), посредством которого организмы получают энергию, необходимую для жизнедеятельности.
    ¦ При брожении происходит перенос водорода, отщепляемого от окисляемых соединений, на органическое вещество (молочную кислоту, этиловый спирт и др.).
    ?Виды брожения в зависимости от образующихся продуктов: молочнокислое (молочнокислые бактерии, мышечные клетки при недостатке О2), маслянокислое, уксуснокислое, спиртовое (дрожжи) и др.
    ¦Молочнокислое брожение: в результате гликолиза из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноград-ной кислоты (которая затем превращается в молочную) и две молекулы АТФ:
    С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 >2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О + Q1,.
    ¦ Спиртовое брожение: продуктами гликолиза являются этиловый спирт, АТФ, вода и углекислый газ:
    С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 >2С2Н5ОН + 2АТФ + 2СО2 + Q2.
    Метки: бражение, дыхание, клетка, окисление

  2. Magar Ответить

    n Положительный баланс Е– количество поступившей Е больше выделившейся Е.
    n Отрицательный баланс Е– количество поступившей энергии меньше выделившейся Е.
    n Поскольку Е, затрачиваемая животными в покое, эквивалентна его теплопродукции, энергетические расходы организма можно определить по количеству выделяемого им тепла – метод калориметрии.
    n 1. Прямая калориметрия основана на учете всего количества тепла, выделяемого животным за определенное время (обычно за сутки), в специальном приборе — калориметре – камера, термически изолированная от внешней среды, через радиаторы которой течет вода с постоянной скоростью. Потери тепла животным регистрируются по нагреванию воды и воздуха, проходящих через камеру.
    n Непрямая (косвенная) калориметрия технически более проста и основана на определении энергетических затрат организма по его газообмену.
    n В основе лежат предпосылки:
    n а) животные получают Е в основном путем окисления питательных веществ; отсюда мерой энергетического обмена может служить потребление О2;
    n б) продукция тепла на 1 л потребленного О2 зависит от того, какие вещества окисляются — белки, жиры или углеводы;
    n в) количество О2, необходимого для окисления 1 г жира, более чем вдвое превышает то количество, которое необходимо для окисления углеводов или белков; в сочетании с высокой калорийностью жира это объясняет близкий энергетический эквивалент 1 л О2 при окислении разных питательных веществ;
    n г) для определения интенсивности метаболизма по потреблению О2 необходимо знать, какие именно субстраты окисляются; об этом можно судить по величине дыхательного коэффициента (ДК), т.е. по отношению количества образующегося в процессе обмена СО2 к количеству поглощенного О2.


    n При расчете затрат Е животными по газообмену необходимо определить показатели:
    n 1. Объем выдыхаемого воздуха за 1 мин;
    n 2. Количество потребленного О2 и выделенного СО2;
    n 3. Величину дыхательного коэффициента: VСО2/VО2.
    n С6Н12О6 + 6О2 > 6СО2 + 6Н2О
    n ДК у. = 6СО2/6О2 = 1,0
    n С3Н5(С15Н31СОО)3 + 145О2 > 102 СО2 + 98 Н2О
    n ДК ж. = 102СО2/145О2 = 0,703
    n Калорическая ценность белков рассчитывается по поглощенному и выделенному азоту. На 1 г окисленного белка образуется 0,77 л СО2 и затрачивается 0,96 л О2.
    n ДК б. = 0,77/0,96 = 0,8.
    n Дыхательный коэффициент эквивалентен энергетическим затратам в организме .

    n Основной обмен Е – минимальное количество Е, необходимое для поддержания нормальной жизнедеятельности организма в состоянии покоя и при пустом желудке.
    n Его изучают утром натощак: у моногастричных животных – через 12-14 ч. после кормления, у жвачных – через 72 часа; в покое, в комфортных температурных условия. При голодании необходимо в сутки 70 ккал на 1 кг живой массы.
    n Общий обмен Е – количество Е, необходимое организму для жизнедеятельности в нормальных условиях.
    n Количество энергии (тепловой) в организме зависит от многих внешних факторов: потребления и вида корма, температуры окружающей среды. После дачи корма (особенно белкового) увеличивается теплопродукция (10-30%),– это специфически динамическое действие (СДД) корма.
    n 3. Теплообмен
    n У теплокровных животных (гомойотермных) температура тела постоянна.
    n Лошадь – 37,5-38,5?С; КРС – 37,6-39,5; МРС – 38,5-40,0; свинья – 38,5-40,0; птица – 40,0-42,0; утка – 41,0-43,0; собака – 37,5-39,0; кошка – 38,0-39,5; кролик – 38,5-39,5; норка – 39,0-41,0; северный олень 37,5-38,6.
    n Это постоянство температуры тела называется изотермией, или тепловым гомеостазом.
    n У хладнокровных животных (пойкилотермных)температура тела зависит от температуры окружающей среды (рыбы, земноводные, пресмыкающиеся). У лягушки зимой 0?С, летом +25.
    n Повышение температуры тела выше нормы – гипертермия, понижение – гипотермия.
    n Падение температуры тела теплокровных ниже 25°С и подъем выше 43°С вызывает гибель организма вследствие нарушения ферментативных процессов и необратимого изменения коллоидного состояния белков.
    n В теплообмене 2 энергетических процесса: теплопродукция и теплоотдача.
    n Постоянство температуры тела может поддерживаться лишь при условии равновесия (баланса) между процессами образования тепла и его отдачи во внешнюю среду.
    n Определяют температуру тела у животных ректально (в прямой кишке) термометром, фиксируя на хвосте жомом-нахвостником
    n Теплопродукция.
    n Образование тепла происходит постоянно, его важнейшим источником являются окислительные процессы. Относительно небольшое количество тепла может поступать в организм из внешней среды с солнечной радиацией, подогретым кормом или водой. Поскольку теплопродукция тесно связана с уровнем метаболической активности, ее называют еще химической терморегуляцией.
    n Продуцируют тепло все ткани организма, однако больше его образуется там, где идут интенсивные химические реакции. В покое органы вносят в образование тепла следующий вклад: мышцы — 25 %, печень — 20, головной мозг — 13, сердце — 11, почки — 7, кожа — 5, остальные органы — 19 %. Во время интенсивной работы вклад мышц в общую теплопродукцию достигает 70—75 %.
    n Температура разных участков тела у животных неодинакова. В нем условно различают как бы две части: наружную — оболочку и внутреннюю — ядро. В ядро входят органы грудной и брюшной полостей, таза, головной мозг. Их температура практически строго постоянна и не зависит от температуры внешней среды. Оболочка включает органы и ткани, расположенные по периферии тела (кожа и скелетная мускулатура). Она составляет 25—30 % массы тела и зависит от температуры среды: при ее понижении объем оболочки возрастает, при повышении — уменьшается. Это играет роль буфера, смягчающего резкие температурные колебания.
    n Температура поверхности кожи животного неодинакова на разных участках. Разница температур на туловище и конечностях может достигать 10°С и более. Наиболее высокая температура тела у животных в области паха, брюха, за ушами.
    n Температура внешней среды, при которой животное не испытывает ни тепла, ни холода (не дрожит и не потеет), называется термонейтральной зоной, или зоной температурного комфорта. Для разных видов животных она различна. В среднем колебания находятся в диапазоне 14—25 °С.
    n Для молодняка (особенно поросят и цыплят) термонейтральная зона до 30—35 °С, у телят и коров 5—16 °С.
    n Выше и ниже указанных границ теплообразование соответственно уменьшается или увеличивается за счет усиления метаболических процессов. Это происходит в результате повышения произвольной мышечной активности, появления так называемой холодной мышечной дрожи (дрожательный термогенез), повышения активности желез внутренней секреции. Повышается температура также за счет усиленного потребления корма, как результат его специфически динамического действия.
    n Теплоотдача.
    n Теплоотдачу называют еще физической терморегуляцией. Отдача тепла во внешнюю среду осуществляется физическими процессами:
    n 1. Проведение — это прямой обмен (передача) тепла между двумя объектами с разной температурой, находящимися в прямом контакте друг с другом (например, между курицей и гнездом). У сельскохозяйственных животных существенного значения не имеет.
    n 2. Конвекция — это переход тепла в поток воздуха, который непрерывно движется вдоль поверхности тела, и, нагреваясь, заменяется новым, более холодным слоем. Конвекция тесно связана с теплопроведением. Чем быстрее движение воздуха или самого животного, тем большее количество тепла отдается теплопроведением благодаря усилению конвекции.
    n 3. Излучение (радиация) — это отдача тепла телом в виде лучистой энергии инфракрасных лучей. Скорость излучения (энергия фотонов) увеличивается с повышением температуры тела.
    n 4. Испарение — это превращение жидкости (пота) в газообразное состояние, т. е. в частицы пара, и их удаление с поверхности тела. Тепло берется с поверхности тела, что приводит к его охлаждению.
    n Удельный вес каждого из путей в теплоотдаче зависит от вида животного (наличие шерсти, скорость передвижения, размеры тела, степень развития потовых желез) и условий окружающей среды.
    n Высокая влажность воздуха ограничивает теплоотдачу испарением, но увеличивает теплоотдачу проведением. При интенсивной физической работе или повышении внешней температуры резко повышается отдача испарением и снижается излучением, которое при температурном оптимуме является основным путем теплоотдачи
    n У птиц основным путем теплоотдачи является контактное теплопроведение и теплоизлучение, в связи с отсутствием потовых желез испарение идет через легкие и воздухоносные мешки.
    n
    n 4. Регуляция температуры тела
    n Температура крови воспринимается температурными рецепторами сосудов или непосредственно центральными рецепторами гипоталамической области. Клетки переднего отдела гипоталамуса, воспринимающие повышение температуры крови, образуют центр теплоотдачи, клетки заднего отдела гипоталамуса, воспринимающие снижение температуры крови,— центр теплопродукции. Гипоталамус поэтому называют термостатом организма.
    n Кожная температурная чувствительность обеспечивается температурными рецепторами, расположенными непосредственно в коже, а также в кожных и подкожных сосудах. Афферентная сигнализация от холодовых кожных температурных рецепторов усиливает тонус центра теплопродукции, тогда как возбуждение тепловых рецепторов активирует центр теплоотдачи.
    n Регуляция теплопродукции и теплоотдачи обеспечивается гипоталамическими центрами непосредственно или через железы внутренней секреции. Гормоны адреналин и тироксин стимулируют теплопродукцию. В регуляции теплообмена участвуют и другие нервные центры — сосудодвигательный, дыхательный, двигательные спинного мозга.
    n Эффективным органом теплоотдачи является кожа благодаря обилию в ней артериоловенулярных анастомозов, резко меняющих капиллярный кровоток, и большой секреторной поверхности потовых желез. Нейрогенное расширение сосудов (адреналин) обусловлено открытием прекапиллярных сфинктеров и увеличением площади поверхности капилляров.
    n Определяющую роль в теплоотдаче играет и поведенческая терморегуляция животных: смена временного режима пастьбы, изменения двигательной активности, уход в укрытия и т. д.
    n Крупный рогатый скот при адекватном питании хорошо переносит низкую температуру, но реагирует падением продуктивности и изменением состава молока на температуру ?30-35 °С. Степные овцы хорошо переносят сухое лето и зиму, но крайне чувствительны к повышенной влажности.

  3. XeNoLit_Play Ответить

    Метаболизм складывается из двух одновременно протекающих в клетке процессов: пластического и энергетического обменов.

    Энергетический обмен и пластический обмен

    Пластический обмен (анаболизм, ассимиляция) представляет собой совокупность реакций синтеза, которые идут с затратой энергии АТФ. В процессе пластического обмена синтезируются органические вещества, необходимые клетке. Примерами реакций пластического обмена являются фотосинтез, биосинтез белка и репликация (самоудвоение) ДНК.
    Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — это совокупность реакций расщепления сложных веществ до более простых. В результате энергетического обмена выделяется энергия, запасаемая в виде АТФ. Наиболее важными процессами энергетического обмена являются дыхание и брожение.
    Пластический и энергетический обмены неразрывно связаны, поскольку в процессе пластического обмена синтезируются органические вещества и для этого необходима энергия АТФ, а в процессе энергетического обмена органические вещества расщепляются и высвобождается энергия, которая затем будет израсходована на процессы синтеза.
    Энергию организмы получают в процессе питания, а высвобождают ее и переводят в доступную форму в основном в процессе дыхания.

    Схема общего обмена веществ

    Ферменты

    Протекание химических реакций в живых организмах обеспечивается благодаря биологическим катализаторам белковой природы — ферментам, или энзимам. Как и другие катализаторы, ферменты ускоряют протекание химических реакций в клетке в десятки и сотни тысяч раз, а иногда и вообще делают их возможными, но не изменяют при этом ни природы, ни свойств конечного продукта (продуктов) реакции и не изменяются сами. Ферменты могут быть как простыми, так и сложными белками, в состав которых, кроме белковой части, входит и небелковая — кофактор (кофермент). Примерами ферментов являются амилаза слюны, расщепляющая полисахариды при длительном пережевывании, и пепсин, обеспечивающий переваривание белков в желудке.
    Ферменты отличаются от катализаторов небелковой природы высокой специфичностью действия, а также возможностью регуляции действия за счет изменения условий протекания реакции либо взаимодействия с ними различных веществ. К тому же и условия, в которых протекает ферментный катализ, существенно отличаются от тех, при которых идет неферментный: оптимальной для функционирования ферментов в организме человека является температура 37° С, а давление должно быть близким к атмосферному.
    Механизм действия ферментов заключается в снижении энергии активации веществ (субстратов), вступающих в реакцию, за счет образования промежуточных фермент-субстратных комплексов.
    Это конспект для 10-11 классов по теме «Обмен веществ и превращения энергии. Ферменты».
    Читайте также другие конспекты, относящиеся к разделу ЕГЭ 2.5:
    Стадии энергетического обмена. Брожение и дыхание.
    Фотосинтез, его значение, космическая роль. Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь. Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий на Земле

  4. Shalinadar Ответить

    Работа A – мера превращения энергии из одной формы в другую. Численно работа равна энергии, превращенной из одной формы в другую в процессе совершения работы.
    Свободная и связанная энергия.
    Внутренняя энергия любой системы состоит из двух разных частей:
    1. Свободная энергия G – это та часть внутренней энергии, которую в принципе можно полностью использовать для совершения работы.
    2. Связанная энергия WСВЯЗ, которую в данных условиях вообще нельзя превратить в работу.
    U = G + WСВЯЗ
    В живых организмах свободная энергия, получаемая при усвоении пищи, почти целиком выделяется в ходе биологического окисления, происходящего на внутренних мембранах митохондрий.
    Примерно 50%этой энергии выделяется в виде тепла, которое целиком уходит в окружающую среду.
    Остальные 50% тратятся на синтезтак называемых макроэргов (важнейщий АТФ) – веществ, обеспечивающих энергией все клетки организма.
    АТФ-аза
    А-Ф-Ф~Ф + Н2О > А-Ф-Ф + Н3 РО4 + энергия
    (АТФ) (АДФ) (около30 кДж/моль)
    Работа в живом организме производится за счёт энергии, выделяющейся
    при отщеплении от АТФ     концевой фосфатной группы НРО3 и переносе этой группы на какое-то другое вещество, чаще всего – на воду:
    На совершение работы используется около 40% энергии АТФ, или 20% от исходной энергии пищи.
    Остальная энергия опять-таки превращается в теплои уходит из организма.
    Таким образом, КПД организма составляет около 20%.
    Синтез макроэргов происходит, и основном, за счёт окисления мономеров, на которые расщепляются в кишечнике пищевые продукты.
    Важнейшим из этих мономеров является глюкоза.
    За счёт энергии, выделяющейся при окислении 1 моля глюкозы, может синтезироваться 36 молей АТФ. Это так называемый аэробный синтез; он требует расхода кислорода.
    Кроме того, 2 моля АТФ могут синтезироваться без участия кислорода при других реакциях (анаэробный синтез).
    Таким образом, за счёт энергии 1 моля глюкозы всего может синтезироваться 38 молей АТФ.
    Основные виды работы, совершаемой в живых организмах:
    1. Механическая работа;
    2. Химический синтез (особенно сложных биомолекул);
    3. Поддержание физико-химических градиентов на мембранах;
    4. Перенос электрических зарядов.
    Теплоотдача человека. Виды обмена тепла с окружающей средой и их доля в теплообмене.
    Количество теплоты Q – мера передачи энергии в процессе теплообмена.

  5. Dark Leo Ответить

    В табл. 2 приведены энергетические характеристики гидролиза некоторых биофосфатов. Следует отметить, что АТФ находится лишь в середине энергетической
    шкалы, однако сравнительно высокая термодинамическая неустойчивость позволяет этой молекуле выполнять функции ключевого энергетического посредника в
    обмене веществ. Большая энергоемкость и термодинамическая неустойчивость фосфоангидридных связей в АТФ по сравнению с другими биофосфатами объясняются
    особенностями ее химического строения.
    Существует несколько вариантов освобождения энергии при гидролизе фосфоангидридных связей АТФ (выделенные жирным шрифтом соединения являются
    “высокоэнергетическими”, остальные – “низкоэнергетическими”):
    АТФ + Н2О –> АДФ + Н3РО4;
    АТФ + Н2О –> АМФ + Н4Р2О7;
    Н4Р2О7 + Н2О –> 2Н3РО4;
    АДФ + Н2О –> АМФ + Н3РО4.
    Наиболее часто встречается вариант 1 – отщепление от АТФ концевого фосфата, который затем гидратируется полярными молекулами воды или участвует в
    фосфорилировании другого соединения. Другой путь (вариант 2) – дифосфатное расщепление АТФ – используется в биохимических процессах реже.
    Также редко встречаются процессы, протекающие за счет гидролиза дифосфата (вариант 3), так как при этом освобождается только тепловая энергия. Пока
    еще не известны биохимические реакции, в которых используется энергия гидролиза АДФ (вариант 4), хотя данный процесс по количеству высвобождаемой энергии
    соизмерим с реакцией 1. Известно лишь, что гидролиз АДФ до АМФ и фосфата сопровождается выделением тепловой энергии. Обращает на себя внимание тот факт,
    что изменение свободной энергии в процессе гидролиза фосфатной связи АТФ, АДФ и дифосфата в физиологических условиях превышает значения ΔG0
    для аналогичных процессов в стандартных условиях. Для других соединений наблюдаются меньшие различия и не обязательно в сторону увеличения изменения свободной энергии.
    Таким образом, аккумуляторами и источниками энергии в биосистемах являются ангидриды фосфорной кислоты, в результате сопряжения реакций гидролиза
    которых с эндергоническими процессами обеспечивается протекание анаболических процессов в живой природе.

    Использование энергии живыми организмами

    Энергия, получаемая организмом в процессе метаболизма, идет на совершение им биологической работы. Это может быть световая, электрическая, механическая,
    химическая и другие формы энергии. При этом значительное количество полученной энергии расходуется организмом в форме тепла.
    Механическая энергия – форма энергии, характеризующая движение макротел и способность совершать механическую работу по перемещению макротел.
    Механическая энергия разделяется на кинетическую, определяемую скорость движения тел, и потенциальную, определяемую расположением макротел друг
    относительно друга.
    Электрическая энергия – энергия взаимодействия электрически заряженных частиц, вызывающая движение этих частиц в электрическом поле.
    Осмотическая энергия – энергия для передвижении молекул против градиента концентраций.
    Регуляторная энергия –
    Химическая энергия – энергия взаимодействия атомов в молекуле. По существу, всякая химическая энергия – это энергия электронов, движущихся по
    внешним орбитам атомов и молекул.
    При преобразовании энергии и осуществлении биологических функций энергия в конце концов рассеивается в окружающую среду в бесполезной
    для организма форме – в форме тепла.
    Тепловая энергия – энергия хаотического теплового движения всех атомов и молекул вещества. Показателем теплового
    движения частиц является температура. Средняя кинетическая энергия Еh одноатомной частицы вещества связана с абсолютной температурой Т
    следующим образом: Еh=3/2rT, (1) где r = 1,380 · 10-16 эрг/град – постоянная Больцмана.
    Тепловая энергия, образно говоря, является самым обесцененным видом энергии, так как определяется хаотическим движением частиц. Все остальные виды
    энергии определяются более упорядоченным видом движения частиц.

    Фазы освобождения энергии из питательных веществ

    В ходе извлечения энергии из различных субстратов можно условно выделить три фазы.
    Первая фаза – подготовительная. Она необходима для перевода биополимеров, поступающих с пищей или находящихся внутри клетки, в удобную для извлечения
    энергии форму – мономеры. Осуществляется эта фаза с помощью гидролаз в кишечнике или внутри клетки. Внутри клетки гидролиз происхоит с участием ферментов
    цитоплазмы и лизосом. Энергетической ценности эта фаза не представляет, так как освобождается лишь до 1 % энергии субстратов, но и она рассеивается в форме
    теплоты.
    Вторая фаза – частичный распад мономеров до ключевых промежуточных продуктов, главным образом до ацетил-КоА и нескольких кислот цикла Кребса – оксалоацетата,
    2-оксоглутарата. Во второй фазе большое число исходных субстратов сокращается до трех. Для нее характерно частичное (до 20%) освобождение энергии, заключенной
    в исходных субстратах, происходящее в анаэробных (бескислородных) условиях. Часть этой энергии аккумулируется в фосфатных связях АТФ, а часть рассеивается
    в виде теплоты. Превращение мономеров протекает в гиалоплазме, а заключительные реакции – в митохондриях.
    Третья фаза – окончательный распад веществ до СO2 и Н2O с участием кислорода. Эта фаза – аэробного биологического окисления веществ
    протекает с полным освобождением энергии. Особенность превращения веществ на этом этапе состоит в том, что из трех метаболитов предыдущей фазы, после так
    называемого цикла Кребса, остается только водород, связанный с переносчиками (НАД или ФАД). Водород – универсальное энергетическое топливо, которое используется
    в дыхательной цепи для образования АТФ и воды. Примерно 80% всей энергии химических связей веществ освобождается в данной фазе. Эта энергия окисления
    субстратов сосредоточивается в фосфатных связях АТФ и часть ее выделяется в виде теплоты. Все реакции этой фазы локализуются в митохондриях.
    Освобождение энергии в живой клетке осуществляется постепенно, благодаря этому на различных этапах ее выделения она может аккумулироваться в удобной для
    клетки химической форме, в виде АТФ. Весь энергетический аппарат клетки устроен как бы из трех блоков, имеющих разное функциональное назначение (т. е.
    осуществляющих три группы процессов):
    блок I-процессы образования субстратов окисления –>S·H2–>блок Н-процессы генерации водорода–>КН2
    Здесь SH2 – субстрат окисления; КН2 – водород, связанный с коферментом. Задача ферментативных процессов первого блока – образование
    необходимых субстратов окисления, соответствующих имеющемуся в клетке окислительному ферменту. Одновременно происходит частичная аккумуляция энергии расщепляемых
    субстратов в фосфатных связях АТФ. Дальнейшие превращения субстратов связаны с процессами биологического окисления.

    Биологическое окисление

    Реакции биологического окисления катализируются ферментами. Окисление может быть связано:
    с отщеплением водорода от окисляемого субстрата (дегидрирование);
    с потерей электрона;
    с присоединением кислорода.
    Все три типа реакций равнозначны и имеют место в живой клетке.
    Процесс окисления не протекает изолированно, он сопряжен с реакцией восстановления, т. е. с присоединением водорода или электрона. Оба вещества – окисляемое
    и восстанавливаемое, образуют окислительно-восстановительную пару, или редокс-пару.
    Окислительную или восстановительную способность разных соединений характеризует их сродство к электрону. Чем легче субстрат отдает электроны, тем сильнее
    его восстанавливающая способность. Наоборот, высокое сродство к электрону характеризует их окисляющую способность. Способность любой окислительно-восстановительной
    пары к реакциям восстановления характеризуется стандартным окислительно-восстановительным потенциалом, или редокс-потенциалом. Он выражается значением
    электродвижущей силы (в вольтах), возникающей в полуэлементе, в котором окислитель и восстановитель присутствуют в концентрации 1,0 моль/л при 25°С и pH 7,0 и
    находятся в равновесии с электродом, который может обратимо принимать электроны от восстановителя. Стандартный редокс-потенциал отражает восстанавливающую
    активность редокс-пары и обозначается знаком Е0. В качестве нулевого стандарта принят редокс-потенциал газообразного водорода при давления
    101,3 кПа (1 атм), концентрации ионов Н+ в растворе 1,0 моль/л, т. е. при рН0, температуре 25°С. Стандартный редокс-потенциал этой
    окислительно-восстановительной пары согласно уравнению Н2 ↔ 2Н+ + 2е- условно принят за нуль. При физиологическом значении pH 7,0,
    при котором измеряются стандартные редокс-потенциалы всех окислительно-восстановительных пар, редокс-потенциал системы Н2/2Н+ + 2е-
    равен -0,42 В. Отрицательное значение его указывает на выраженные восстановительные свойства. Чем более отрицателен редокс-потенциал, (тем сильнее
    выражена способность данной редокс-пары отдавать электроны, т. е. играть роль восстановителя. Напротив, чем более положителен редокс-потенциал, тем более
    выражена способность данной редокс-пары принимать электроны, т. е. играть роль окислителя. Например, редокс-потенциал пары
    НАД • Н + Н+/НАД+ равен – 0,32 В, что говорит о высокой способности ее отдавать электроны, а редокс-потенциал пары
    1/2O2/H2O имеет большую положительную величину +0,81 В, поэтому у кислорода наивысшая способность принимать электроны.
    Значения редокс-потенциалов позволяют предсказать направление потока электронов при биологическом окислении и рассчитать изменение энергии при переносе
    электронов от одной редокс-пары к другой.
    Субстраты окисления, как уже указывалось, образуются в ходе катаболизма белков, углеводов и липидов. Эти субстраты подвергаются дегидрированию как наиболее
    распространенному типу биологического окисления, происходящего с участием находящихся в клетке дегидрогеназ. Если акцептором водорода в реакциях дегидрирования
    служит не кислород, а другой субстрат, то такие реакции называют анаэробным окислением; если же акцептором водорода является кислород и образуется вода, то такие
    реакции биологического окисления называют тканевым дыханием.
    Анаэробное окисление есть не что иное, как процесс генерации водорода (второй блок в приведенной выше схеме энергетического аппарата клетки). В этих реакциях
    участвуют никотинамидзависимые дегидрогеназы, где акцептором отщепляемого от органического субстрата водорода служат НАД+ и НАДФ+, и
    флавинзависимые дегидрогеназы, где акцептором водорода служат ФМН и ФАД. Субстраты дегидрирования образуются вне митохондрий, но затем транспортируются
    внутрь митохондрий, где совершаются окислительные превращения веществ.

  6. y4uteJl_XuMuu Ответить

    Базовой основой процесса жизни является синтез собственных веществ из продуктов расщепления полученных. Рассматриваются две разновидности метаболитических процессов:
    пластический обмен – анаболизм или синтез, при котором происходит накопление потенциальной энергии в виде химических связей.
    энергетический обмен – катаболизм, представляющий собой разложение веществ, с выделением энергии при разрыве связей.
    Обе группы взаимосвязаны. Для синтеза нужна энергия, ее организм получает посредством катализа (расщепления).
    Получение энергии посредством катализа
    Жизнь возможна за счет использования химической и световой энергии. Автотрофные растения синтезируют глюкозу с помощью солнечного света из воды и углекислого газа. Многие бактерии живут за счет хемосинтеза – процесса окисления неорганических веществ, используя серные, азотные, углеродные соединения. Грибы и животные получают энергию и материю для синтеза, потребляя созданные растениями сахара и другие органические соединения. Некоторые организмы могут иметь смешанные виды питания и являться миксотрофами – эвглена, росянка.

    Очень важна роль ферментов – они ускоряют химические реакции до необходимых для поддержания жизнедеятельности скоростей, в сотни тысяч раз. Без них жизнь невозможна, из-за низких скоростей химических реакций. Ферменты имеют белковую структуру, каждый является катализатором одного вида реакций. Свойства ферментов определяются их структурой – в молекуле белка-фермента имеется активный центр, взаимодействующий с целевыми химическими веществами.
    Уровень активности ферментов определяется различными параметрами:
    Температурой. С ее ростом активность повышается.
    Кислотностью среды. Для работы большей части ферментов необходима нейтральная среда, кислая – предпочтительна для пищеварения млекопитающих, щелочная — для ферментов секрета поджелудочной железы.
    Количеством субстрата.
    Названия белков-ферментов оканчиваются на -аза.
    Особенностью энергетического обмена, характерной для аэробных организмов является его поэтапное прохождение. Выделяется три этапа:
    Подготовительный. Это пищеварение, происходящее в пищеварительных вакуолях лизосом простейших, в ЖКТ у многоклеточных. Функционально – это процесс разложения макромолекул на мономеры.
    Гликолиз. Происходит в цитоплазме. Это бескислородное превращение глюкозы с ее окислением. Происходит несколько каскадных химических реакций. В их результате из глюкозы получается 2 молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) и 2 молекулы АТФ. Частично выделяющаяся в ходе реакций энергия запасается обратно в АТФ, часть ее – в виде тепла рассеивается в пространство.
    Кислородный этап. Это – каскадный двуступенчатый процесс: цикл Кребса с последующим окислительным фосфорилированием (дыханием). Пируват на этом этапе превращается в углекислый газ и воду с образованием 34 молекул АТФ, а затем образованием еще 2 при дыхании. С химической точки зрения энергетический обмен выглядит как: С6Н12O6 + 6O2 = 6СO2 + 6Н2O + 38АТФ.
    Другие виды получения энергии
    Брожение. Один из основных способов получения энергии простейшими и некоторыми клетками высших животных. При этом, полученный из глюкозы пируват растительными клетками включается в спиртовое брожение, распадаясь на углекислый газ и спирт. У животных пируват вступает в молочнокислое брожение – он превращается в молочную кислоту. В условиях недостатка кислорода мышечные клетки прибегают к менее эффективному, но более быстрому способу синтеза АТФ. Излишки молочной кислоты, не успевающие включиться в метаболизм из-за недостатка кислорода вызывают боль в мышцах. Существуют еще такие виды брожения, как метановое (способ очистки сточных вод), маслянокислое, уксуснокислое.
    Фотосинтез. Был доказан в 1630 г голландцем ван Гельмонтом, который обнаружил самостоятельное создание растениями питательных веществ. Изменение состава воздуха растениями доказано в 1771 г Д.Пристли. Сейчас наука рассматривает фотосинтез, как процессы синтеза клетками зеленых растений глюкозы из воды и углекислого газа под воздействием солнечного света.

  7. TakaNaketu Ответить


    Всем привет! Эту статью я хотел посвятить клеточному ядру и ДНК. Но перед этим нужно затронуть то, как клетка хранит и использует энергию (спасибо spidgorny). Мы будем касаться вопросов связанных с энергией почти везде. Давайте заранее в них разберемся.
    Из чего можно получать энергию? Да из всего! Растения используют световую энергию. Некоторые бактерии тоже. То есть органические вещества синтезируются из неорганических за счет световой энергии. + Есть хемотрофы. Они синтезируют органические вещества из неорганических за счет энергии окисления аммиака, сероводорода и др. веществ. А есть мы с вами. Мы — гетеротрофы. Кто это такие? Это те, кто не умеет синтезировать органические вещества из неорганических. То есть хемосинтез и фотосинтез, это не для нас. Мы берем готовую органику (съедаем). Разбираем ее на кусочки и либо используем, как строительный материал, либо разрушаем для получения энергии.
    Что конкретно мы можем разбирать на энергию? Белки (сначала разбирая их на аминокислоты), жиры, углеводы и этиловый спирт (но это по желанию). То есть все эти вещества могут быть использованы, как источники энергии. Но для ее хранения мы используем жиры и углеводы. Обожаю углеводы! В нашем теле основным запасающим углеводом является гликоген.

    Он состоит из остатков глюкозы. То есть это длинная, разветвленная цепочка, состоящая из одинаковых звеньев (глюкозы). При необходимости в энергии мы отщепляем по одному кусочку с конца цепи и окисляя его получаем энергию. Такой способ получения энергии характерен для всех клеток тела, но особенно много гликогена в клетках печени и мышечной ткани.
    Теперь поговорим о жире. Он хранится в специальных клетках соединительной ткани. Имя им — адипоциты. По сути это клетки с огромной жировой каплей внутри.

    При необходимости, организм достает жир из этих клеток, частично расщепляет и транспортирует. По месту доставки происходит окончательное расщепление с выделением и преобразованием энергии.
    Довольно популярный вопрос: «Почему нельзя хранить всю энергию в виде жира, или гликогена?»
    У этих источников энергии разное назначение. Из гликогена энергию можно получить довольно быстро. Его расщепление начинается почти сразу после начала мышечной работы, достигая пика к 1-2 минуте. Расщепление жиров протекает на несколько порядков медленней. То есть если вы спите, или медленно куда-то идете — у вас постоянный расход энергии, и его можно обеспечить расщепляя жиры. Но как только вы решите ускориться (упали сервера, побежали поднимать), резко потребуются много энергии и быстро ее получить расщепляя жиры не получится. Тут нам и нужен гликоген.
    Есть еще одно важное различие. Гликоген связывает много воды. Примерно 3 г воды на 1 г гликогена. То есть, для 1 кг гликогена это уже 3 кг воды. Не оптимально… С жиром проще. Молекулы липидов (жиры=липиды), в которых запасается энергия не заряжены, в отличие от молекул воды и гликогена. Такие молекулы называется гидрофобными (дословно, боящимися воды). Молекулы воды же поляризованы. Примерно так это выглядит.

    По сути, положительно заряженные атомы водорода взаимодействуют с отрицательно заряженными атомами кислорода. Получается стабильное и энергетически выгодное состояние.
    Теперь представим молекулы липидов. Они не заряжены и не могут нормально взаимодействовать с поляризованными молекулами воды. Поэтому смесь липидов с водой энергетически невыгодна. Молекулы липидов не способны адсорбировать воду, как это делает гликоген. Они «кучкуются» в так называемые липидные капли, окружаются мембраной из фосфолипидов (одна их сторона заряжена и обращена к воде снаружи, вторая — не заряжена и смотрит на липиды капли). В итоге, у нас есть стабильная система, эффективно хранящая липиды и ничего лишнего.
    Окей, мы разобрались с тем, в каких формах хранится энергия. А что с ней происходит дальше? Вот отщепили мы молекулу глюкозы от гликогена. Превратили ее в энергию. Что это значит?
    Сделаем небольшое отступление.
    В клетке происходит порядка 1.000.000.000 реакций каждую секунду. При протекании реакции одно вещество трансформируется в другое. Что при этом происходит с его внутренней энергией? Она может уменьшаться, увеличиваться или не меняться. Если она уменьшается -> происходит выделение энергии. Если увеличивается -> нужно взять энергию из вне. Организм обычно совмещает такие реакции. То есть энергия, выделившаяся при протекании одной реакции идет на проведение второй.
    Так вот в организме есть специальные соединения, макроэрги, которые способны накапливать и передавать энергию в ходе реакции. В их составе есть одна, или несколько химических связей, в которых и накапливается эта энергия. Теперь можно вернуться к глюкозе. Энергия выделившаяся при ее распаде запасется в связях этих макроэргов.
    Разберем на примере.
    Самым распространенным макроэргом (энергетической валютой) клетки является АТФ (Аденозинтрифосфат).
    Выглядит примерно так.

    В его состав входит азотистое основание аденин (одно из 4, используемых для кодирования информации в ДНК), сахар рибоза и три остатка фосфорной кислоты (поэтому и АденозинТРИфосфат). Именно в связях между остатками фосфорной кислоты накапливается энергия. При отщеплении одного остатка фосфорной кислоты образуется АДФ (АденозинДИфосфат). АДФ может выделять энергию, отрывая еще один остаток и превращаясь в АМФ (АденозинМОНОфосфат). Но эффективность отщепленная второго остатка намного ниже. Поэтому, обычно, организм стремится из АДФ снова получить АТФ. Происходит это примерно так. При распаде глюкозы, выделяющаяся энергия тратится на образование связи между двумя остатками фосфорной кислоты и образование ATP. Процесс многостадийный и пока мы его опустим.

    Получившийся АТФ является универсальным источником энергии. Он используется везде, начиная от синтеза белка (для соединения аминокислот нужна энергия), заканчивая мышечной работой. Моторные белки, осуществляющие мышечное сокращение используют энергию, запасенную в АТФ, для изменения своей конформации. Изменение конформации это переориентация одной части большой молекулы относительно другой. Выглядит примерно так.

    То есть химическая энергия связи переходит в механическую энергию. Вот реальные примеры белков, использующих АТФ для осуществления работы.
    Знакомьтесь, это миозин. Моторный белок. Он осуществляет перемещение крупных внутриклеточных образований и участвует в сокращении мышц. Обратите внимание, у него имеется две «ножки». Используя энергию запасенную в 1 молекуле АТФ он осуществляет одно конформационное изменение, по сути один шаг. Самый наглядный пример перехода химической энергии АТФ в механическую.

    Второй пример — Na/K насос. На первом этапе он связывает три молекулы Na и одну АТФ. Используя энергию АТФ, он меняет конформацию, выбрасывая Na из клетки. Затем он связывает две молекулы калия и, возвращаясь к исходной конформации, переносит калий в клетку. Штука крайне важная, позволяет поддерживать уровень внутриклеточного Na в норме.

    А если серьезно, то:

    Пауза. Зачем нам АТФ? Почему мы не можем использовать запасенную в глюкозе энергию напрямую? Банально, если окислить глюкозу до CO2 за один раз, мгновенно выделится экстремально много энергии. И большая ее часть рассеется в виде тепла. Поэтому реакция разбивается на стадии. На каждой выделяется немного энергии, она запасается, и реакция продолжается пока вещество полностью не окислиться.
    Подитожу. Запасается энергия в жирах и углеводах. Из углеводов ее можно извлечь быстрее, но в жирах можно запасти больше. Для проведения реакций клетка использует высокоэнергетические соединения, в которых запасается энергия распада жиров, углеводов и тд… АТФ — основное такое соединение в клетке. По сути, бери и используй. Однако не единственное. Но об этом позже.
    P.S. Я попытался максимально упростить материал, поэтому появились некоторые неточности. Прошу ревностных биологов меня простить.

  8. Kirirad Ответить

    В неорганической природе смесь водорода и кислорода носит название «гремучей»: достаточно небольшой искры, чтобы произошел взрыв – мгновенное образование воды с огромным выделением энергии в виде тепла. Задача, которую выполняют ферменты дыхательной цепи: произвести «взрыв» так, чтобы освобождающаяся энергия была запасена в форме, пригодной для синтеза АТФ. Что они и делают: упорядоченно переносят электроны от одного компонента к другому (в конечном счете, на кислород), постепенно понижая потенциал водорода и запасая энергию.
    О масштабах этой работы говорят следующие цифры. Митохондрии взрослого человека среднего роста и веса перекачивают через свои мембраны около 500 г ионов водорода в день, образуя мембранный потенциал. За это же время Н+-АТФ-синтаза производит около 40 кг АТФ из АДФ и фосфата, а использующие АТФ процессы гидролизуют всю массу АТФ назад в АДФ и фосфат.

    Исследования показали, что митохондриальная мембрана действует как трансформатор напряжения. Если передавать электроны субстрата от НАДН прямо к кислороду сквозь мембрану, возникнет разность потенциалов около 1 В. Но биологические мембраны – двухслойные фосфолипидные пленки не выдерживают такую разность – возникает пробой. Кроме того, для производства АТФ из АДФ, фосфата и воды требуется всего 0,25 В, значит, нужен трансформатор напряжения. И задолго до появления человека клетки «изобрели» такой молекулярный прибор. Он позволяет в четыре раза увеличить ток и за счет энергии каждого передаваемого от субстрата к кислороду электрона перенести через мембрану четыре протона благодаря строго согласованной последовательности химических реакций между молекулярными компонентами дыхательной цепи.


    Итак, два главных пути генерации и регенерации АТФ в живых клетках: окислительное фосфорилирование (дыхание) и фотофосфорилирование (поглощение света), — хотя и поддерживаются разными внешними источниками энергии, но оба зависят от работы цепочек каталитических ферментов, погруженных в мембраны: внутренние мембраны митохондрий, тилакоидные мембраны хлоропластов или плазматические мембраны некоторых бактерий.

  9. Mirarad Ответить

    Пластический обмен включает
    биосинтез белков;
    биосинтез углеводов;
    биосинтез липидов;
    биосинтез нуклеиновых кислот (ДНК и РНК).
    Биосинтез белков состоит из этапов:
    Транскрипция – синтез предшественника информационной РНК (иРНК) – про-иРНК. Двойная цепь ДНК разъединяется в результате действия фермента РНК-полимеразы. На одной из цепей ДНК синтезируется про-иРНК по принципу комплиментарности, которая позже переходит в активную форму иРНК.
    Трансляция – перенос последовательности нуклеотидовв молекуле иРНК в последовательность аминокислотных остатков молекулы белка. Трансляция проходит в функциональном центре рибосомы.
    Обособление белковой молекулы и ее транспорт в клетке.
    Биосинтез углеводов в клетках гетеротрофных организмов происходит в небольшом количестве из других органических соединений.
    Биосинтез липидов. В организме запасной формой липидов являются жиры. 90% энергии, которая запасается в жирах, приходится на жирные кислоты.
    Биосинтез жирных кислот происходит в цитоплазме клеток при помощи ферментов, процесс может продолжаться в митохондриях.
    Жиры синтезируются в печени, клетках кишечного эпителия, подкожной клетчатке и др. органах.
    Биосинтез нуклеиновых кислот. При расщеплении нуклеиновых кислот большая часть азотистых оснований используется для синтеза нуклеотидов. Дезоксирибонуклеотиды, предшественники ДНК, образуются в результате отщепления кислорода от рибозы.
    В основе биосинтеза ДНК лежит репликация – способность молекул ДНК к самоудвоению.
    Все виды РНК синтезируются на молекуле ДНК по принципу комплиментарности при помощи РНК-полимеразы. Транскрипция – синтез молекулы РНК на молекуле ДНК.

  10. Dalalhala Ответить

    Иногда биоэнергетику называют биологической термодинамикой. В класси­ческой физике раздел, изучающий принципы и законы превращения энергии в материальных системах, называется термодинамикой, но в данное время термин «энергетика» лучше отражает сущность этой науки, чем прежний – «термодинамика».
    Каждое органическое соединение обладает запасом энергии, которую называют свободной энергией. В процессе реакции идёт преобразование энергии между веществами.
    Главным носителем свободной энергии в веществе являются химические связи между атомами. Если химическая связь имеет энергию 12,5 кДж/моль, то такая связь по энергетическому обеспечению называется нормальной. Если при разрыве химической связи выделяется энергия 25-50 кДж/моль, то такая связь называется макроэргической и обозначается символом ~ (знак «тильда») .
    Энергия – это способность производить работу. Различают потенциальную энергию, зависящую от положения или состояния тела, и кинетическую энергию, т. е. энергию движения.
    В живом организме потенциальная энергиипредставлена, глав­ным образом, в форме химической энергии связей между атомами в молекулах биоорганических соединений. Например, количество потенциальной энергии, заключенной в связях между атомами С, Н и О в молекуле глюкозы, составляет около 285000 Дж на 1 моль вещества.
    Потенциальная энергия химических связей обусловлена распо­ложением валентных электронов на орбитах с высоким энергети­ческим уровнем, куда они попадают при образовании молекул био­органических соединений в процессе химических реакций. При метаболических превращениях, совершающихся в живом организ­ме, электроны, образующие химические связи в молекулах первич­ных веществ, переходят с более высокого на более низкий энерге­тический уровень.
    Кинетическая энергия потока электронов, переходящих по энергетическим уровням, в дальнейшем может быть использована для образования новых химических связей или же с помощью специальных биологических преобразователей превратиться в другие виды кинетической энергии: тепловую, ме­ханическую, электрическую, электромагнитную и т. д.
    По­стоянное взаимодействие этих двух видов энергии обусловли­вает способность организма поддерживать разнообразные жиз­ненные функции.
    Первичпым источником энергии для всех биологических про­цессов на Земле служит солнечный свет, лучистая энергия которого возникает в недрах Солнца из ядерной энергии превращения атомов водорода в атомы гелия с выделением энергии в виде гамма-лучей:
    4Н Не4 + 2е + h?
    Здесь h – постоянная Планка, а ? – частота первичного гамма ­излучения. В результате взаимодействия гамма-лучей с электронами снова выделяется энергия в виде фотонов солнечного света.
    На Земле лучистая энергия солнечного света улавливается содер­жащимся в хлоропластах зеленых растений пигментом хлорофил­лом и превращается в ходе реакций фотосинтеза в химическую энергию, которая используется для синтеза из двуокиси углерода и воды углеводов и других сложных биоорганических соединений. Таким образом, энергия солнечного света, представляющая собой один из видов кинетической энергии, превращается в один из ви­дов потенциальной энергии.
    Энергия, накопленная в химических связях биоорганических молекул, может высвободиться только в процессе реакций обмена веществ. В организмах животных, питающихся растениями, хими­ческая энергия углеводов и других питательных веществ выделя­ется в процессе биологического окисленияв количестве, соответст­вующем энергии, израсходованной на синтез этих веществ при фотохимических реакциях в зеленых растениях. Одна часть энер­гии, выделяющейся при биологическом окислении, превращается в доступную для дальнейшего использования энергию макроэрги­ческих фосфатных связей АТФ, другая превращается в тепло и не может быть использована в дальнейшем. Процессы, связанные с образованием макроэргических фосфатных связей, осуществляются в митохондриях.
    Источники энергии.
    Энергия, ранее накопленная в химических связях биоорганических молекул, может высвобождаться только в ходе реакций обмена веществ. Таким образом, обмен веществ тесно связан с обменом энергии.
    В организме животных, питающихся растениями, химическая энергия углеводов и других питательных веществ выделяется в процессе биологического окисления, являющегося частью катаболизма, в количестве, эквивалентном энергии, израсходованной на синтез этих веществ в зеленых растениях.
    Одна часть энергии, выделяющейся при биологическим окислении, превращается в доступную для использования энергию макроэргических фосфатных связей аденозинтрифосфата (АТФ) (свободная энергия, характеризующая ту часть внутренней энергии системы, которая может быть использована для совершения различных видов работы), другая превращается в тепло (связанная энергия) и не может быть использована в дальнейшем (рис. 3).

    Рис. 3. Пути преобразования энергии в различных биологических объектах
    Живые организмы используют разные источники питательных веществ и энергии. По источникам питания живые организмы делятся на две большие группы – автотрофы, использующие СО2 в качестве исходного питательного материала для построения различных углеродсодержащих органических веществ, и гетеротрофы, которые используют углерод в виде готовых достаточно сложных органических соединений (например углеводов). По отношению к источникам энергии живые организмы делятся на
    фототрофы , для которых источником энергии служит солнечный свет, и хемотрофы, потребляющие энергию окислительно-восстановительных реакций.
    Как фототрофы, так и хемотрофы можно, в свою очередь, разделить на группы в зависимости от того, какие вещества являются донорами электронов в окислительно-восстановительных процессах: у литотрофов таковыми служат неорганические соединения, у органотрофов – органические. Таким образом, в зависимости от используемых источников энергии и доноров электронов можно выделить четыре основных типа организмов (таблица 1).
    Таблица 1.Классификация организмов на основе источников углерода, источников энергии и природы доноров электронов
    No
    п/п
    Тип организма
    Источник
    углерода
    Источник
    энергии
    Доноры
    электронов
    Примечание
    Фотолито-трофы
    СО2
    Свет
    Неорганичес-
    кие соедине
    ния (Н2О, Н2S, S)
    Зеленые клетки
    высших растений, сине-зеленые водо-росли, фотосинтези-рующие бактерии
    Фотооргано-трофы
    Органичес-кие соединения и СО2
    Свет
    Органические
    соединения
    Несерные пурпурные бактерии, галобак-терии
    Хемолито-трофы
    СО2
    Окислительно-
    восстанови-тельные реакции
    Неорганичес-кие соедине-
    ния (Н2, Н2S,
    S, Fe2+, NH3)
    Водородные, серные,
    железные и денитро-фицирующие бактерии
    Хемооргано-
    трофы
    Органичес-
    кие соединения
    Окислительно-
    восстанови-тельные реакции
    Органические
    соединения
    Человек, все высшие животные, большая
    часть микроорганиз-мов, нефотосинтези-рующие клетки растений
    Хемотрофные организмы группируют и по виду акцепторов электронов. В тех случаях, когда для окисления используется кислород, имеет место аэробный или дыхательный тип энергетики. При анаэробномтипе энергетического обмена (брожении) в роли окислителя выступает не кислород, а ряд других веществ (пируват, ацетальдегид и др.). Часто клетки высших организмов и бактерии имеют оба типа энергетики – анаэробный и аэробный, поэтому их называют факультативными анаэробами, хотя степень зависимости от кислорода у них различна. Например, высшие организмы, в частности человек, без него долго обходиться не могут. Существуют микроорганизмы, например возбудители газовой гангрены, для которых кислород вообще не нужен и даже ядовит. Их называют облигатными анаэробами.
    Вследствие многообразия форм питания и потребления энергии живые организмы в природе тесно связаны друг с другом. Эту взаимосвязь в питании и использовании разнообразных источников энергии можно представить в виде своеобразных энергетических циклов живой природы (рис. 4). Главные партнеры этого цикла – Солнце, как источник энергии, автотрофы, улавливающие энергию солнечного света и синтезирующие из СО2 и Н2О (при наличии источников атомов азота) углеводы и прочие органические вещества, и животные, потребляющие органические вещества и кислород, производимые фототрофами.

    Рис. 4. Энергетические циклы живой природы
    Для человека, относящегося к хемоорганотрофам, основным источником энергии является энергия, содержащаяся в химических связях пищевых продуктов. Поэтому питание служит центральным фактором окружающей среды, определяющим его здоровье и долголетие. У взрослого человека суточная потребность в энергии, в среднем, может быть удовлетворена 3000 ккал или 12570 кДж. Чем выше энергозатраты организма, тем, естественно, больше потребность в пищевых продуктах. Так, в состоянии относительного покоя организм человека в сутки использует только около 1900 ккал (8000 кДж). Большая часть энергии расходуется на биосинтез веществ: 400 ккал (1700 кДж) – на синтез белков, липидов, углеводов и 890 ккал (3700 кДж) – на синтез АТФ. Меньшая часть используется для поддержания работы сердца и дыхательных мышц (270 ккал или 1130 кДж), транспорт веществ (215 ккал или 900 кДж). Значительно увеличивается расход энергии при выполнении напряженной физической работы: энергозатраты спортсмена составляют примерно 5010 ккал или 21000 кДж в сутки. Суточная энергетическая потребность рационально удовлетворяется при соотношении в пище белков, жиров и углеводов – 1:1:4. При таком соотношении (в силу неоднозначности энергоемкости этих соединений) белки, жиры и углеводы могут обеспечить 15, 30 и 55% энергетических потребностей организма соответственно.
    Изучение скорости потребления О2 дает информацию об общей интенсивности обменных процессов, в частности об интенсивности метаболизма энергии. Энергетические потребности организма можно вычислить по величине дыхательного коэффициента (ДК), т. е. отношения количества кислорода, выделенного организмом в составе углекислого газа, к количеству потребляемого при этом кислорода: ДК = [СО2]/[О2]. По величине ДК можно установить какой субстрат преимущественно используется в организме в качестве источника энергии. ДК при окислении жиров составляет 0,7, белков – 0,8, углеводов – 1,0. В состоянии покоя в организме одновременно окисляются как углеводы, так и жиры и ДК составляет приблизительно 0,85. После приема пищи, богатой углеводами, они становятся преимущественно субстратами окисления и источником энергии. Соответственно повышается и значение ДК, которое приближается к 1,0. Через 10-12 часов голодания в качестве преимущественно утилизируемого субстрата используются жиры, поэтому ДК приближается к 0,7. Значение ДК позволяет судить и о некоторых типовых расстройствах промежуточного обмена. Так, лихорадка характеризуется повышением ДК до 1,0 в фазу подъема температуры, при снижении температуры ДК нормализуется. При сахарном диабете ДК может упасть до 0,7, отражая усиление катаболизма жиров и белков. При развитии алиментарного ожирения ДК может парадоксально повышаться больше 1,0, сигнализируя о массированном переходе углеводов в жиры.
    Законы термодинамики.В термодинамику вводится понятие системы, которая представляет собой совокупность веществ, находящихся во взаимодействии, но мысленно обособляемых от окружающей среды. Особенность систем, рассматриваемых в термодинамике, заключается в том, что они состоят из очень большого числа частиц – молекул или атомов. Все лежащие за пределами системы называется окружающей средой. Системы делятся на: 1) изолированные (замкнутые), не обменивающиеся с окружающей средой ни веществом, ни энергией; 2) закрытые обмениваются с внешней средой только энергией; 3) открытые, для которых возможен обмен веществом и энергией с окружающей средой. Энергия может переходить из системы в окружающую среду и в обратном направлении.
    Величины, определяющие состояние системы, называются ее параметрами. Параметры системы часто делят на интенсивные (независящие от общего количества вещества в системе – температура и давление) и экстенсивные (зависящие от количества вещества – объем, масса, энергия). Характеристику перехода системы из одного состояния в другое можно дать такими термодинамическими функциями, как внутренняя энергия (Е), энтальпия (Н- термодинамическая величина, характеризующая энергию системы.), энтропия (S- внутренняя энергия замкнутой системы) и свободная энергия (G). Поскольку для живых систем трудно определить абсолютные значения Е, Н, S и G, обычно говорят об изменениях функций состояния системы: .Е, .Н, .S и .G.
    Каждая термодинамическая функция имеет свой смысл и область применения.
    Процессы преобразования энергии в системе подчиняются законам термодинамики. Согласно первому закону термодинамики (закону сохранения энергии), энергия не создается заново и не исчезает, а может переходить из одной формы в другую. Первый закон термодинамики утверждает, что в любой изолированной системе общее количество энергии остается постоянным. Этот закон позволяет определить общий баланс энергетических превращений, но не дает возможности предсказать, будет ли тот или иной процесс происходить на самом деле. Установить это и определить направление изменения энергии реакции позволяет второй закон термодинамики, согласно которому на совершение полезной работы система может использовать только часть энергии системы. Второй закон термодинамики налагает определенные ограничения на возможные самопроизвольные превращения энергии и поэтому позволяет с большой вероятностью предсказать, в каком направлении пройдет реакция. Согласно этому закону, все процессы идут в направлении, соответствующем возрастанию общей энтропии системы и окружающей среды.
    В соответствии с первым и вторым законами термодинамики взаимосвязь между .G, .H и .S может быть описана уравнением:
    .H = .G + T.S.
    Исходя из приведенного уравнения, в живой клетке общая энергия системы, равная ее теплосодержанию, складывается из свободной энергии, необходимой для совершения работы, и связанной энергии (T.S), представляющей собой ту часть энергии, которая теряется системой и являющейся, как уже было ранее сказано мерой необратимости процесса. Изменение энтропии и свободной энергии связаны строгой зависимостью: повышение энтропии при необратимой реакции сопровождается снижением свободной энергии. Все химические процессы протекают самопроизвольно с уменьшением .G до тех пор, пока не будет достигнуто состояние равновесия, для которого характерно минимальное значение свободной энергии и максимальный уровень энтропии.
    Для живых организмов характерна высокая сложность биоорганических молекул и упорядоченность их внутренней структуры, поэтому их энтропия невелика. Создавать и поддерживать такую упорядоченность живые организмы могут только за счет увеличения энтропии окружающей среды. Они получают из окружающей среды энергию в том виде, в каком могут ее использовать, и затем возвращают в среду эквивалентное количество энергии в менее пригодном виде. Энергия, возвращаемая живыми организмами во внешнюю среду, обычно выделяется в форме тепла. Это ведет к уменьшению упорядоченности среды, т. е. к повышению ее энтропии.
    Из сказанного следует, что законы термодинамики в полной мере применимы только к изолированным системам, которые не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Живая клетка представляет собой открытую систему, поскольку она постоянно обменивается с внешней средой как веществом, так и энергией, преобразуя и то и другое. Открытые системы никогда не достигают состояния полного равновесия, находятся в стационарном состоянии (динамическом равновесии), при котором скорость притока вещества и энергии соответствует скорости оттока из системы. В состоянии равновесия система обладает минимальной свободной энергией при максимальной степени дезорганизации (энтропии) и не способна совершать работу. Живой организм способен совершать работу именно потому, что не находится в состоянии равновесия. Кроме того, контролировать и регулировать протекание биохимических реакций можно только в системе, далекой от равновесия.
    Стационарное состояние, в котором находится живой организм, характеризуется минимальной скоростью возрастания энтропии. Чтобы поддержать это состояние, необходим постоянный приток свободной энергии извне, а также наличие различных молекулярных механизмов, позволяющих поглощать и использовать эту энергию.
    Таким образом, в основе главных особенностей, определяющих принципиальное отличие живого от неживого, лежит постоянный обмен веществ с окружающей средой. Однако, следует заметить, что процессы, которые можно охарактеризовать как обмен веществ с внешней средой, происходят и в неживой природе (ржавление металла на воздухе, разрушение камня и др.). В результате этих процессов исходное вещество перестает существовать и видоизменяется: при взаимодействии металла с кислородом воздуха образуется новое вещество (оксид металла), при разрушении камня – песок. В отличие от этого в живых организмах обмен веществ обеспечивает постоянство состава и внутренних параметров организма (гомеостаз), его жизнедеятельность, рост, развитие, способность к движению, размножению и т. п.

  11. A_L_I_M_A_R_O_N Ответить

    Схему биосинтеза белка можно кратко представить в следующем виде: ГЕН (участок ДНК) – И-РНК – РИБОСОМЫ с участием Т-РНК – БЕЛОК.
    В ЦЕЛОМ ПРОЦЕССЫ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ КЛЕТКИ (в отличие от обычных химических реакций) ХАРАКТЕРИЗУЮТСЯ СВОЕЙ НАПРАВЛЕННОСТЬЮ, ЧЕТКОЙ ЛОКАЛИЗАЦИЕЙ В КЛЕТКЕ,РАЗГРАНИЧЕННОСТЬЮ В ПРОСТРАНСТВЕ КЛЕТКИ ОДНОВРЕМЕННО ПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ СИНТЕЗА И РАСЩЕПЛЕНИЯ, ОГРОМНОЙ СКОРОСТЬЮ, МАТРИЧНЫМ СИНТЕЗОМ БИОПОЛИМЕРОВ.
    Вопрос №2
    Человек относится к классу млекопитающих, отряду приматов. Ближайшими эволюционными родственниками человека являются шимпанзе, гориллы и орангутанги. Это обусловливает очень большое сходство скелета человека со скелетами других млекопитающих, и особенно приматов.
    Скелет человека, так же как скелеты других млекопитающих, состоит из позвоночника, черепа, грудной клетки, поясов конечностей и скелета собственно конечностей. Однако у человека лучше, чем у других млекопитающих, развит мозг, человек отличается способностью к труду и прямохождением. Эти особенности наложили отпечаток на строение скелета человека.

    Сравнительный ряд скелетов, свидетельствующий о различии и сходстве в их строении:
    1 – горилла; 2 – неандерталец; 3 – современный человек
    Так, объем черепной полости человека больше, чем у любого животного с такими же размерами тела. Размеры лицевой части черепа у человека меньше, чем мозговой, а у животных – наоборот. Это связано с тем, что животные питаются сырой пищей, которую трудно измельчать, и поэтому они имеют большие челюсти и зубы, которые являются еще и органами защиты. Объем же мозга у животных относительно размеров тела гораздо меньше, чем у человека. Позвоночник у животных не имеет значительных изгибов, а у человека имеет 4 изгиба: шейный, грудной, поясничный и крестцовый. Эти изгибы появились в связи с прямохождением и обеспечивают позвоночнику упругость при ходьбе, беге, прыжках.
    Грудная клетка у животных сжата спереди назад. У животных масса тела распределена между всеми четырьмя конечностями и таз не очень массивен. У человека вся масса тела опирается на нижние конечности, таз – широкий и прочный.
    Скелет передних и задних конечностей у животных не очень сильно различается между собой. У человека кости нижних конечностей толще и прочнее, чем верхних. Имеются также сильные различия в строении стопы и кисти человека. Строение пальцев рук дает возможность человеку выполнять сложные виды работ.
    Человек так же, как и другие млекопитающие, имеет зубы трех видов: клыки, резцы и коренные, однако число и форма этих зубов у человека и представителей других отрядов млекопитающих очень сильно различаются.
    Сходство скелета человека и человекообразных обезьян является одним из доказательств того, что у человека имеются общие с этими обезьянами предки
    Вопрос №3
    Роль голосеменных в природе. Голосеменные образуют хвойные и смешанные леса, занимающие огромные площади. Они обогащают воздух кислородом, поэтому их часто называют «легкими планеты». Леса регулируют таяние снега, уровень воды в реках, поглощают шумы, ослабляют силу ветров, закрепляют пески. Лес – место обитания многих видов животных, которые питаются побегами, семенами, шишками хвойных растений.
    Хвойные растения непрерывно выделяют в воздух большое количество фитонцидов (от греч. фитон и лат. цедо – убиваю) – веществ, угнетающих деятельность других организмов. Особенно интенсивно это происходит в еловых лесах. Так, по данным ученых, в 1 м3 воздуха хвойного леса содержится не более 500 клеток болезнетворных бактерий, тогда как городского – до 30–40 тыс. Поэтому в хвойных лесах размещают санатории и больницы для людей с заболеваниями дыхательной системы.
    Голосеменные играют огромную роль хотя бы потому, что большая часть суши, покрытой растительностью, покрыта именно голосеменными – тайга. Это основной поставщик кислорода в биосфере, корм и убежище для животных, строительные материалы, топливо, бумага, сырье
    .
    Билет №7 Вопрос №1
    Обмен веществ и энергии в клетке (Билет №6 Вопрос №1)
    Характеристика процесса дыхания:
    Клеточное или тканевое дыхание — совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов, в ходе которых происходит окисление углеводов, липидов и аминокислот до углекислого газа и воды.
    Итак, клеточное дыхание происходит в клетке. Но где именно? Какая органелла осуществляет этот процесс?
    Все этапы клеточного дыхания происходят в митохондриях. Как известно, основной продукт работы митохондрии — молекулы АТФ — синоним понятия «энергия» в биологии. Действительно, основным продуктом этого процесса является энергия, молекулы АТФ.

  12. Gizmo Ответить

    · энергетический обмен у аэробных и анаэробных организмов;
    · химические свойства АТР как универсального источника энергии в клетках живых организмов;
    · энтропию;
    · общую характеристику клеточного дыхания;
    · эволюцию наиболее распространенных белков.
    Студент должен уметь:
    · решать ситуационные задачи.
    Студент должен иметь представление:
    · о законах термодинамики.
    3. Место проведения:
    Кафедра медицинской биологии, генетики и экологии СамГМУ
    4. Время занятия: 135 минут
    5. Оснащение:
    · кодоскоп;
    · методические указания по данной теме;
    · слайды.
    Истоки:
    · общая биология;
    · бионеорганическая химия;
    · экология;
    · биохимия.
    Выход:
    В практической деятельности врача для понимания происхождения ряда наследственных заболеваний, вызванных нарушением обменных процессов у человека.
    Требования рабочей программы по изучаемому материалу:
    Поток информации, энергии и вещества в клетке. Энтропия, как мера необратимости природных процессов.
    6. Контрольно-учебная карта внеаудиторной подготовки к занятиям:
    Цель этапа: путем самостоятельной работы с учебной литературой освоить ключевые вопросы темы.
    Ключевые вопросы
    темы
    Цель
    Вопросы для самоподготовки
    1. Энергетический обмен у аэробных и анаэробных организмов
    Изучить значение энергетического обмена в клеточном метаболизме у аэробных и анаэробных организмов.
    Определение понятий: метаболизм, анаболизм, катаболизм.
    Их взаимосвязь.
    2. Химические свойства АТР как универсального источника энергии в клетках живых организмов
    Изучить химические состав строение и функции АТР в клетке.
    Строение АТР.
    3. Клеточный метаболизм и его сущность
    Изучить метаболические процессы в клетке.
    Определение клеточного метаболизма и его значения.
    4. Превращение энергии в клетке. Законы термодинамики.
    Изучить процессы превращения энергии. Сущность фундаментальных законы термодинамики.
    Первый закон термодинамики.
    Второй закон термодинамики.
    5. Энтропия как мера необратимости природных процессов
    Изучить понятие «энтропия».
    Определение и сущность процесса энтропии. Уравнение изменения свободной энергии, теплоты и энтропии химических реакций.
    6.Общая характеристика клеточного дыхания
    Изучить основные этапы клеточного дыхания.
    Определение понятие «дыхание».
    Суммарный энергетический выход процесса дыхания.
    7. Аэробное дыхание
    Изучить этапы аэробного дыхания:
    I. бескислородный
    II. кислородный
    Высвобождение потенциальной энергии химических связей. Этапы аэробного дыхания.
    Роль митохондрий в регуляции метаболизма
    8. Особенности анаэробного дыхания. Отдельные этапы гликолиза.
    Изучить особенности анаэробного дыхания.
    Изучить эффективность превращения энергии пи аэробном и анаэробном дыхании. Изучить этапы гликолиза.
    Сущность процесса гликолиза.
    Суммарная реакция гликолиза.
    9. Эволюция наиболее распространенных белков
    Изучить эволюцию наиболее распространенных белков.
    Удвоение и дивергенция генов в филогенезе.
    Полиморфизм белков. Виды гемоглобинов. Трансплантационная несовместимость. Концепция иммунологического надзора.
    7. План проведения занятия:
    Название этапа
    Описание этапа
    Цель этапа
    Время
    1.Организационный момент
    Отметка присутствующих.
    Мобилизация внимания студентов.
    2.Вводное слово преподавателя
    Определение:
    – темы занятия
    – актуальности темы
    – цели занятия.
    Создание мотивации значимости изучения вопросов энергетического обмена у аэробных и анаэробных организмов и эволюции наиболее распространенных белков.
    3. Контроль исходного уровня.
    Проведение вводного тестового контроля.
    Фронтальный вопрос по ключевым вопросам темы:
    1) Энергетический обмен у аэробных и анаэробных организ-мов
    2) Химические свойства АТР как универсального источника энергии в клетках живых организмов
    3) Клеточный метабо-лизм и его сущность
    4) Превращение энер-гии в клетке. Законы термодинамики.
    5) Энтропия как мера необратимости природных процессов
    6) Общая характерис-тика клеточного дыха-ния
    7) Аэробное дыхание.
    8) Особенности ана-эробного дыхания. Гликолиз.
    9) Эволюция наиболее распространенных белков.
    Оценка исходных знаний студентов по изучаемой теме.
    Рефлексия студен-тов в понимании вопросов энергети-ческого обмена у аэробных и ана-эробных организ-мов. Изучение наиболее распространенных белков.
    4.Педагогический показ.
    Научить студентов решать ситуационные задачи по изучаемой теме.
    Обучающая задача №1
    1. Если при гликолизе одна молекула глюкозы расщепляется с образованием 2-ух молекул пировиноградной кислоты (ПВК), следовательно, гликолизу подверглось: 42/2=21 молекула глюкозы.
    2. При полном окислении одной молекулы глюкозы (бескислородный и кислородный этапы) образуется 38 молекул АТФ.
    3. При окислении 21 молекулы образуется: 21*38=798 молекул АТФ.
    Изучение особен-ностей процесса гликолиза. Разбор основных ситуа-ционных обуча-ющих задач по данной теме.
    5. Практическая работа студентов.
    В ходе практической рабо­ты студенты оформляют решения обучающих и тренирующих, контролирующих задач в протокол занятия.
    Выработка навыков самостоятельной работы при решении различных ситуационных задач.
    6. Оформление протокола.
    В ходе практической работы оформить протокол по решению ситуационных задач.
    Документиро­вать результаты работы для дальнейшего использования.
    7. Решение ситуационных задач.
    Выдать каждому студенту индивидуальную задачу.
    Формирование профессионального мышления у студентов.
    8. Контроль конечного уровня знаний.
    1.Выполнение выходного тестового контроля.
    2.Проверка протокола
    Оценка знаний студентов.
    9. Заключение.
    Подведение итогов занятия.
    Ориентация студентов на самостоятельную домашнюю подготовку.
    Литература:
    1. Ярыгин В.Н., Васильев В.И., Волков И.Н., Синельников В.В. Биология В 2 кн. Учеб. для медиц. спец. вузов. –М.: Высш. шк., 2000
    2. Н.Грин. У. Стаут. Д. Тейлор. Биология в 3-х томах. Москва. Мир 1996.
    3. В. Альбертс, Д. Брей, Д. Льюис, М. Рэфф, К. Роберте, Д. Уотсон. Молекулярная биология в 3-х томах. Москва. Мир. 1994.
    4. Лекции по биологии.
    5. Пехов А.П. Биология основами экологии. – Спб.: Лань,2001.-198с.
    6. Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология. Изд. Медицинское информационное агентство. Москва, 2003.
    ПРИЛОЖЕНИЕ
    Блок информации:
    Обмен веществ и энергии в живых организмах.
    Обмен энергии у живых организмов подчиняется всем физическим законам. Процессы роста и поддержания жизни требуют затрат энергии, которые должны каким-то образом возмещены. Живые организмы поглощают из окружающей среды энергию в такой форме, чтобы ее можно было использовать в конкретных условиях их существования при данных значения температуры и давления. Живые организмы создают и поддерживают сложные, упорядоченные и целенаправленные элементы своей структуры за счет свободной энергии окружающей среды, эту энергию они затем возвращают в среду в менее пригодной для них форме. Для всех живых организмов в земной биосфере источником энергии служит в конечном счете солнечное излучение, которое возникает в результате реакции ядерного синтеза. Другие организмы не способные к фотосинтезу, получают необходимую энергию путем окисления богатых энергией растительных продуктов атмосферным кислородом. Образующийся в результате окисления углекислый газ попадает в окружающую среду и снова вовлекается растениями.
    Энергетические потребности всех живых организмов прямо или косвенно удовлетворяются за счет солнечной энергии АТР либо за счет солнечной энергии (в фотосинтезирующих клетках), либо за счет химической энергии (в животных клетках).
    Живые клетки представляют собой химические машины, работающие при постоянной температуре. Клетки используют химическую энергию для выполнения химической работы в процессе их роста и биосинтеза клеточных компонентов, а также осмотической работы, необходимой для переноса питательных веществ в клетку, и механической работы сократительного и двигательного аппаратов. Системы преобразования энергии в живых клетках целиком построены из сравнительно хрупких и неустойчивых органических молекул, не способных выдерживать высокие температуры, сильный электрический ток, действие сильных кислот и оснований. Все части живой клетки имеют примерно одну и ту же температуру. Отсюда можно заключить, что клетки не могут использовать тепло как источник энергии, поскольку тепло может совершать работу лишь тогда когда оно переходит от более нагретого тела к более холодному. Живые клетки улавливают, сохраняют и передают энергию в химической форме главным образом в виде энергии, заключенной в молекулах аденозинтрифосфата (АТР).

  13. КРУТОЙ-АДМИН Ответить

    Катаболизм (или энергетический обмен, или диссимиляция) – совокупность химических реакций, приводящих к образованию простых веществ из более сложных (гидролиз полимеров до мономеров и расщепление последних до низкомолекулярных соединений углекислого газа, воды, аммиака и др. веществ). Катаболические реакции идут обычно с высвобождением энергии.
    Анаболизм (или пластический обмен, или ассимиляция) – понятие, противоположное катаболизму – совокупность химических реакций синтеза сложных веществ из более простых (образование углеводов из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза, реакции матричного синтеза). Для протекания анаболических реакций требуются затраты энергии.
    Процессы пластического и энергетического обмена неразрывно связаны между собой. Все синтетические (анаболические) процессы нуждаются в энергии, поставляемой в ходе реакций диссимиляции. Сами же реакции расщепления (катаболизма) протекают лишь при участии ферментов, синтезируемых в процессе ассимиляции.
    АТФ и ее роль в метаболизме.
    Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме высокоэнергетических соединений, как правило, в форме аденозинтрифосфата (АТФ).
    АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) – мононуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэргическими связями. В этих связях запасена энергия, которая высвобождается при их разрыве:
    АТФ + Н2О > АДФ + Н3РО4 + Q1
    АДФ + Н2О > АМФ + Н3РО4 + Q2
    АМФ + Н2О > аденин + рибоза + Н3РО4 + Q3,
    где АТФ – аденозинтрифосфорная кислота; АДФ – аденозиндифосфорная кислота; АМФ – аденозинмонофосфорная кислота; Q1 = Q2 = 30,6 кДж; Q3 = 13,8 кДж.
    Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования. Фосфорилирование – присоединения остатка фосфорной кислоты к АДФ (АДФ + Ф > АТФ). Энергия, накопленная в молекулах АТФ, используется организмом в анаболических реакциях (реакциях биосинтеза). Молекула АТФ является универсальным хранителем и переносчиком энергии для всех живых существ.
    Энергетический обмен.Энергию, необходимую для жизнедеятельности, большинство организмов получают в результате процессов окисления органических веществ, то есть в результате катаболических реакций. Важнейшим соединением, выступающим в роли топлива, является глюкоза.
    По отношению к свободному кислороду организмы делятся на три группы.
    Аэробы (облигатные аэробы) – организмы, способные жить только в кислородной среде (животные, растения, некоторые бактерии и грибы).
    Анаэробы (облигатные анаэробы) – организмы, неспособные жить в кислородной среде (некоторые бактерии).
    Факультативные формы (факультативные анаэробы) – организмы, способные жить как в присутствии кислорода, так и без него (некоторые бактерии и грибы).
    У облигатных аэробов и факультативных анаэробов в присутствии кислорода катаболизм протекает в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный. В результате органические вещества распадаются до неорганических соединений. У облигатных анаэробов и факультативных анаэробов при недостатке кислорода катаболизм протекает в два первых этапа: подготовительный и бескислородный. В результате образуются промежуточные органические соединения еще богатые энергией.
    Этапы катаболизма.
    1. Первый этап – подготовительный – заключается в ферментативном расщеплении сложных органических соединений на более простые. Белки расщепляются до аминокислот, жиры до глицерина и жирных кислот, полисахариды до моносахаридов, нуклеиновые кислоты до нуклеотидов. У многоклеточных организмов это происходит в желудочно-кишечном тракте, у одноклеточных – в лизосомах под действием гидролитических ферментов. Высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде теплоты. Образовавшиеся органические соединения либо подвергаются дальнейшему окислению, либо используются клеткой для синтеза собственных органических соединений.
    2. Второй этап – неполное окисление (бескислородный) – заключается в дальнейшем расщеплении органических веществ, осуществляется в цитоплазме клетки без участия кислорода.
    Бескислородное, неполное окисление глюкозы называется гликолизом. В результате гликолиза одной молекулы глюкозы образуется по две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК, пируват) CH3СОСООН, АТФ и воды, а также атомы водорода, которые связываются молекулой-переносчиком НАД+ и запасаются в виде НАД•Н2. Суммарная формула гликолиза имеет следующий вид:
    С6Н12О6 + 2 Н3РО4 + 2 АДФ + 2 НАД+ > 2 С3Н4О3 + 2 Н2О + 2 АТФ + 2 НАД•Н2.
    При отсутствии в среде кислорода продукты гликолиза (ПВК и НАД•Н2) перерабатываются или в этиловый спирт – спиртовое брожение (в клетках дрожжей и растений при недостатке кислорода):
    СН3СОСООН > С02 + СН3СОН
    СН3СОН + 2 НАД•Н2 > С2Н5ОН + 2 НАД+,
    или в молочную кислоту – молочнокислое брожение (в клетках животных при недостатке кислорода):
    СН3СОСООН + 2 НАД•Н2 > С3Н6О3 + 2 НАД+.
    При наличии в среде кислорода продукты гликолиза претерпевают дальнейшее расщепление до конечных продуктов.
    3. Третий этап – полное окисление (дыхание) – заключается в окислении ПВК до углекислого газа и воды, осуществляется в митохондриях, при обязательном участии кислорода.
    Он состоит из трех стадий:
    А) образование ацетилкоэнзима А;
    Б) окисление ацетилкоэнзима А в цикле Кребса;
    В) окислительное фосфорилирование в электронотранспортной цепи.
    Рассмотрим их.
    А. На первой стадии ПВК переносится из цитоплазмы в митохондрии, где взаимодействует с ферментами матрикса и образует:
    1) диоксид углерода, который выводится из клетки;
    2) атомы водорода, которые молекулами-переносчиками доставляются к внутренней мембране митохондрии;
    3) ацетилкофермент А (ацетил-КоА).
    Б. На второй стадии происходит окисление ацетилкоэнзима А в цикле Кребса. Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты) – это цепь последовательных реакций, в ходе которых из одной молекулы ацетил-КоА образуются:
    1) две молекулы диоксид углерода,
    2) молекула АТФ,
    3) четыре пары атомов водорода, передаваемые на молекулы-переносчики – НАД и ФАД.
    Таким образом, в результате гликолиза и цикла Кребса молекула глюкозы расщепляется до СО2, а высвободившаяся при этом энергия расходуется на синтез 4АТФ и накапливается в 10НАД•Н2 и 2ФАД•Н2.
    В. На третьей стадии атомы водорода с НАД•Н2 и ФАД•Н2 окисляются молекулярным кислородом О2 с образованием воды. Один НАД•Н2 способен образовывать 3АТФ, а один ФАД•Н2 – 2АТФ. Таким образом, выделяющаяся при этом энергия запасается в виде еще 34АТФ. Образование АТФ в митохондриях при участии кислорода называется окислительное фосфорилирование.
    Таким образом, суммарное уравнение расщепления глюкозы в процессе клеточного дыхания имеет следующий вид:
    С6Н12О6 + 6О2 + 38Н3РО4 + 38АДФ > 6СО2 + 44Н2О + 38АТФ.
    Таким образом, в ходе гликолиза образуются 2 молекулы АТФ, в ходе клеточного дыхания – еще 36 АТФ, в целом при полном окислении глюкозы – 38 АТФ.

  14. Anayamath Ответить

    Энергия. Различают потенциальную энергию, зависящую от положения или состояния тела, и кинетическую энергию, т. е. энергию движения и внутреннюю энергию.
    В живом организме потенциальная энергия представлена главным образом в форме химической энергии связей между атомами и молекулах биоорганических соединений. Например, количество потенциальной энергии, заключенной в связях между атомами С, Н и О в молекуле глюкозы, составляет около 285 000 Дж на 1 моль вещества.
    Потенциальная энергия химических связей обусловлена расположением валентных электронов на орбиталях с высоким энергетическим уровнем, куда они попадают при образовании молекул биоорганических соединений в процессе химических реакций. При превращениях, совершающихся в живом организме, электроны, образующие химические связи в молекулах первичных веществ, переходят с более высокого на более низкий энергетический уровень. Высвобождающаяся энергия, может быть использована для образования новых химических связей или же с помощью специальных биологических преобразователей превратиться в другие виды энергии: электрическую, электромагнитную и т.д. Такое постоянное взаимопревращение различных видов энергии обусловливает способность организма поддерживать разнообразные жизненные функции.
    Первичным источником энергии для всех биологических процессов на Земле служит солнечный свет. Энергия солнечного света возникает из ядерной энергии. В недрах Солнца при очень высоких температурах атомы водорода превращаются в атомы гелия с выделением энергии в виде гамма-лучей. В результате взаимодействия гамма-лучей с электронами снова выделяется энергия в виде фотонов солнечного света. На Земле энергия солнечного света улавливается содержащимся в хлоропластах зеленых растений пигментом хлорофиллом и превращается в ходе реакций фотосинтеза в химическую энергию, которая используется для синтеза из двуокиси углерода и воды углеводов и других сложных биоорганических соединений.
    Некоторое количество энергии накапливается и в процессах за счёт окисления восстановленных неорганических соединений, но вклад этих процессов в энергетику невелик.
    Энергия, накопленная в химических связях биоорганических молекул, может высвободиться только в процессе реакций обмена веществ. Химическая энергия углеводов и других питательных веществ выделяется в процессе биологического окисления в количестве, соответствующем энергии, израсходованной на синтез этих веществ. Одна часть энергии, выделяющейся при биологическом окислении, превращается в доступную для дальнейшего использования энергию макроэргических связей АТФ, другая превращается в тепло и не может быть использована в дальнейшем.

  15. VideoAnswer Ответить

Добавить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *