Метаболизм клетки. энергетический обмен и фотосинтез. реакции матричного синтеза

Формы поступления энергии в живые организмы

Для всех живых организмов Земли Солнце является основным источником энергии. Именно благодаря ему организмы удовлетворяют свои энергетические потребности.

Организмы, которые могут синтезировать органические соединения из неорганических, называются автотрофами. Они разделяются на две группы. Одни способны использовать энергию солнечного света. Это – фотосинтетики или фототрофы. В основном это — зеленые растения, цианобактерии (сине-зеленые водоросли).

Другая группа автотрофов использует энергию, которая освобождается во время химических реакций. Такие организмы называются хемотрофами или хемосинтетиками.

Грибы, большая часть животных и бактерий не могут сами синтезировать органические вещества. Такие организмы называются гетеротрофами. Для них источником энергии служат органические соединения, синтезированные автотрофами.
Энергия используется живыми организмами для химических, механических, тепловых и электрических процессов.

Гомеостаз

Постоянство условий внутренней среды называется гомеостазом. Его нарушение приводит к повреждению клеток, а значит и всего многоклеточного организма. Реакции, направленные на поддержание гомеостаза, требуют достаточного количества веществ и энергии. Каждая клетка организма синтезирует необходимые вещества, участвует в распаде ненужных веществ, а также осуществляет реакции превращения энергии.

Для синтеза веществ и формирования новых структур клетки используют получаемые извне белки, жиры, углеводы, витамины и микроэлементы. Такие процессы требуют больших энергозатрат.

Набор реакций, направленных на биологический синтез необходимых веществ и формирование из них более крупных структур, называется ассимиляцией. Можно встретить и другие термины – анаболизм или пластический обмен. Процессы ассимиляции усилены в молодом и растущем организме, в котором происходит развитие клеток.

Бескислородный этап энергетического обмена

Бескислородный (анаэробный) этап энергетического обмена происходит в клетках. Мономеры, которые образовались на предыдущем этапе (глюкоза, глицерин и т.п.), подвергаются дальнейшему многоступенчатому расщеплению без доступа кислорода. Главным на этом этапе является процесс расщепления молекулы глюкозы на молекулы пировиноградной или молочной кислоты с образованием двух молекул АТФ.

$C_6H_{12}O_6 + 2H_3PO_4 + 2АДФ → 2C_3H_6O_3 + 2АТФ + 2H_2O$

В ходе этой реакции (реакция гликолиза) выделяется около $200$ кДж энергии. Однако она не вся превращается в тепло. Часть ее используется для синтеза двух, богатых на энергию (макроэргических), фосфатных связей в молекулах АТФ. Глюкоза также расщепляется в ходе спиртового брожения.

$C_6H_{12}O_6 + 2H_3PO_4 + 2АДФ → 2C_2H_5OH + 2CO_2 + 2АТФ + 2H_2O$

Кроме спиртового существуют еще такие виды бескислородного брожения, как маслянокислое и молочнокислое.

Метаболизм

Процессы ассимиляции и диссимиляции противоположны друг другу. В ходе ассимиляции на образование необходимых веществ клетками тратится энергия. При диссимиляции вещества, наоборот, распадаются, в результате чего образуется энергия.

Эти два процесса не могут происходить друг без друга. Это значит, что без образования и запасания веществ не будет их распада, а без распада веществ не будет выделяться АТФ, которая так необходима для образования веществ.

Ассимиляция и диссимиляция, их зависимость друг от друга объединены в один процесс, называемый метаболизмом. Оба процесса должны иметь устойчивый баланс, поскольку нарушение одного из процессов может провоцировать появление заболевания клеток и всего организма.

Для метаболизма в живых клетках необходимы условия – нормальная температура, стабильное давление и кислотность. Именно поэтому в живых организмах процессы ассимиляции и диссимиляции протекают быстро. Вне живых клеток метаболизм не происходит либо протекает очень медленно.

В процессе метаболизма задействованы молекулы ферментов. Поскольку они имеют очень высокую активность, то для метаболизма их требуется небольшое количество. Важную роль здесь играет не количество ферментов, а их разнообразие, поскольку ферменты очень избирательны, т. е. для разных участков в организме требуется определённый вид ферментов.

Например, в ротовой полости амилаза является катализатором распада крахмала, без этого фермента распад не произойдёт. Уреаза является катализатором, при наличии которого мочевина расщепляется до аммиака и угольной кислоты, но при этом, уреаза не действует на другие соединения, сходные с мочевиной.

Принцип действия определённого фермента заключается в возможности его взаимодействия только с определённым соединением, т. е. фермент имеет определённую форму и химическое строение. Соединение, с которым связывается фермент, называется субстратом этого фермента.

Так, форма фермента лизоцима, который содержится в слюне, слезах, слизистых носа и рта, похожа на щель. Размеры и форма лизоцима идентичны фрагменту муреина, содержащегося в оболочке бактерий. Таким образом, лизоцим разрушает оболочки бактерий и убивает их, т. е. представляет собой защитный барьер человеческого организма от патогенов.

Кроме этого, применение ферментов широко распространено в промышленных отраслях. Так, добытая из плесневых грибов амилаза применяется в производстве пива. Различные виды ферментов, полученных из бактерий, грибов и растений, используют в кожевенном производстве для размягчения шкур животных. В производстве хлебобулочных изделий также используются препараты на основе ферментов.

Получение энергии для ассимиляции

Организм получает органические вещества с пищей. Кроме этого, в организме существует постоянный запас органических веществ. Распад этих веществ происходит в клетках. В ходе распада выделяется энергия. Часть выделенной энергии рассеивается с теплом, другая часть энергии остаётся и запасается в организме в виде молекул АТФ.

Молекулы АТФ используется клетками для процессов с большим расходом энергии, в том числе для ассимиляции. Набор реакций, направленных на распад органических веществ с последующим выделением и запасанием энергии, называется диссимиляцией, или катаболизмом, энергетическим обменом.

Кислородный этап энергетического обмена

На этом этапе соединения, образованные на бескислородном этапе, окисляются до конечных продуктов реакции – углекислого газа и воды.
Английский биохимик Адольф Кребс в $1937$ году открыл последовательность превращений органических кислот в матриксе митохондрий. В его честь совокупность этих реакций назвали циклом Кребса.

Замечание 1

Полное окисление молекул молочной или пировиноградной кислоты, образованных в ходе анаэробного процесса, до углекислого газа и воды сопровождается выделением $2800$ кДЖ энергии. Этого количества хватит на синтез $36$ молекул АТФ (в $18$ раз больше, чем на предыдущем этапе).

Суммарное уравнение кислородного этапа энергетического обмена выглядит так:

$2C_3H_6O_3 + 6O_2 + 36АДФ + 36H_3PO_4 → 6CO_2 + 42H_2O + 36АТФ$

Подводя общий итог, можно записать суммарное уравнение энергетического обмена:

$C_6H_{12}O_6 + 6O_2 + 38АДФ + 38H_3PO_4 → 6CO_2 + 44H_2O + 38АТФ$

На завершающей стадии происходит выведение продуктов метаболизма из организма.

Обмен веществ и его типы

Определение 1

Обмен веществ и энергии в живых организмах называется метаболизмом.

Он обеспечивает постоянство внутренней среды организма в изменяющихся условиях существования – гомеостаз. Обмен веществ слагается из двух взаимосвязанных и взаимопротивоположных процессов. Это процессы диссимиляции, в которых происходит расщепление органических веществ и выделенная энергия используется для синтеза молекул АТФ, и процессы ассимиляции, в которых энергия АТФ используется для синтеза собственных, необходимых организму соединений.

Процессы диссимиляции называют, также, катаболизмом и энергетическим обменом. А процессы ассимиляции носят еще названия анаболизма и пластического обмена. Такое обилие синонимов одного и того же понятия возникло потому, что реакции обмена веществ изучали ученые различных специальностей:

• биохимики,
• физиологи,
• цитологии,
• генетики,
• молекулярные биологи.

Но все названия и термины прижились и активно используются учеными.