Билет № 15 1.Клетка как открытая система

Анаболизм (ассимиляция) – эндотермический процесс уподобления поступающих в клетку веществ веществам самой клетки. Важным моментом служит синтез белков и нуклеиновых кислот. Частным случаем является фотосинтез.

Катаболизм ( диссимиляция) – экзотермический процесс, при котором происходит распад веществ с освобождением энергии. Этот распад осуществляется в результате приваривания и дыхания.

Организмы по способу питания делятся на автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы — живые организмы, которые способны синтезировать органическое вещество из неорганических составляющих с использованием внешних источников энергии. Эти экосистемы сами снабжают себя органическим веществом. Фотосинтез. Фотосинтетики - растения и сине-зеленые водоросли, которые используют энергию Солнца для создания первичного органического в-ва. Хемосинтез: хемосинтетики — бактерии, которые используют энергию хим реакций (процессы окисления) для синтеза первичного органического вещества (фруктозы): серобактерии S2àS0=>(SO4)2-, железобактерии Fe2+=> Fe3+, нитрифицирующие бактерии: NH3=>N2=>NO=> (NO3)-.

Листья растений осуществляют три важных процесса — фотосинтез, испарение воды и газообмен. В процессе Ф. из воды и CO2 под действием солнечных лучей синтезируются органические вещества. Днем, в р-те Ф. и дыхания, растение выделяет O2 и CO2, а ночью — только CO2, образующийся при дыхании. Больш. раст. способно синт. хлорофилл. Устойчивыми окончательными продуктами фотосинтеза являются углеводы (сахара, а затем крахмал), органические кислоты, аминокислоты, белки. Световая фаза:

1. Фотолиз воды — 2H2Oà4H++O2|;

2. Созд. разности пот. на мембране (e- и H+) à эл. поле à молекула АДФ проходит через канал фермента в мембране и синт. в АТФ; 3. Образование H из (e- и H+).

Темновая фаза:

1. Синтез глюкозы: 24H + 6CO2 à(Ф) C6H12O6 + 6H2O;

2. Синтез крахмала из глюкозы: nC6H12O6 à(Ф) [C6H10O5]n + nH2O — реакция поликонденсации.

Σ: 6CO2 + 6H2O + АТФ à(nv) C6O12O6 (фруктоза)+ 6O2 + АДФ

Дыхание — гетеротрофный процесс, приблизительно уравновешивающий автотрофное накопление органического вещества. Благодаря дыханию как бы «сгорает» накопленное при фотосинтезе органическое вещество. Различают следующие виды дыхания: 1 аэробное — процесс, обратный фотосинтезу, где окислитель, газообразный кислород присоединяет водород; 2 анаэробное — происходит обычно в бескислородной среде и в качестве окислителя служат другие неорганические вещества, нп сера; 3 брожение — такой анаэробный процесс, где окислителем становится само орг в-во.

Аэробное (кислородное) дыхание. Процесс аэробного дыхания можно условно разделить на несколько последовательных этапов. Первый этап —подготовительный, или этап пищеварения, включающий в себя расщепление полимеров до мономеров. Эти процессы происходят в пищеварительной системе животных или цитоплазме клеток. На данном этапе не происходит накопления энергии в молекулах АТФ.

Следующий этап — бескислородный, или неполный. Он протекает в цитоплазме клеток без участия кислорода.

На данном этапе дыхательный субстрат подвергается ферментативному расщеплению. Примером такого процесса является гликолиз — многоступенчатое бескислородное расщепление глюкозы.

В реакциях гликолиза шестиуглеродная молекула глюкозы (С6 расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты (С3). При этом от каждой молекулы глюкозы отщепляется четыре атома водорода и образуются две молекулы АТФ. Атомы водорода присоединяются к переносчику НАД (никотинамидаденинди-нуклеотид), который переходит в свою восстановленную форму НАД - Н + Н+ (НАД очень сходен с НАДФ, т. е. с переносчиком атомов водорода при фотосинтезе).

Суммарная реакция гликолиза имеет вид: C6H12O6+ 2 ADF + 2H3PO4 + 2 HAD+  2C3H4O3 +2ATF + 2NAD*H + H+ +H2O

Полезный выход энергии этого этапа — две молекулы АТФ, что составляет 40%; 60% рассеивается в виде тепла.

Наиболее важным является кислородный этап аэробного дыхания. Он протекает в митохондриях и требует присутствия кислорода.

Продукт гликолиза — пировиноградная кислота — заключает в себе значительную часть энергии, и дальнейшее ее высвобождение осуществляется в митохондриях. Здесь пировиноградная кислота подвергается ферментативному расщеплению 2C3H4O3 +6H2O+8HAD- +2 FAD+  6CO2 + 8NAD*H2 + 2FAD*H + 2 ATF : Углекислый газ выделяется из митохондрий в цитоплазму клетки, а затем в окружающую среду. Атомы водорода, акцептированные НАД и ФАД (кофермент флавинадениндинуклеотид), вступают в цепь реакций, конечный результат которых — синтез АТФ.

1. атомы водорода отщепляются от НАД и ФАД, захватываются переносчиками, встроенными во внутреннюю мембрану митохондрий, где происходит их окисление: H  H- + e-

2. Н+ выносятся переносчиками на наружную поверхность крист, накапливаются в межмембранном пространстве, образуя протонный резервуар;

3. электроны (е-) атомов водорода возвращаются по цепи дыхательных ферментов в матрикс и присоединяются к атомам кислорода, который постоянно поступает в митохондрию. Атомы кислорода при этом становятся отрицательно заряженными: 1/2O2 +e-  O^2

На мембране возникает разность потенциалов. Когда разность потенциалов достигает 200 мВ, начинает действовать протонный канал в молекулах фермента АТФ-синтетазы, которые встроены во внутреннюю мембрану;

4. через протонный канал Н- устремляются обратно в матрикс митохондрий, создавая высокий уровень энергии, большая часть которой идет на синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты, а протоны соединяются с отрицательно заряженными частицами кислорода, образуя воду — второй конечный продукт клеточного дыхания: 36 ADF + 36 H3PO4 + E  36 ATF

24H+ +2O^2  12 H2O

Таким образом, кислород, поступивший в митохондрии, необходим для присоединения электронов, а затем и протонов. При отсутствии кислорода процессы, связанные с транспортом протонов и электронов в митохондриях, прекращаются, а следовательно, невозможно протекание и бескислородного этапа, так как все переносчики атомов водорода оказываются загруженными.

Аэробное дыхание, включающее бескислородный и кислородный этапы, можно выразить суммарным уравнением: C6H12O6 +6O2 +6H2O + 38ADF + 38 H3PO4  6CO2 + 12H2O + 38ATF

При распаде молекулы глюкозы высвобождается 200 кДж/ моль. В АТФ запасается 55% энергии, остальная рассеивается в виде тепла.

Анаэробное дыхание. При отсутствии или недостатке кислорода, играющего роль конечного акцептора электронов в кислородном дыхании, цепь передачи электронов через мембрану не осуществляется, а значит, не создается протонный резервуар, обеспечивающий энергией синтез АТФ. В этих условиях клетки способны синтезировать АТФ, расщепляя питательные вещества в процессе анаэробного дыхания. Анаэробное дыхание осуществляют многие виды бактерий, микроскопические грибы и простейшие. Некоторые клетки, временами испытывающие недостаток кислорода (например, мышечные клетки или клетки растений), тоже обладают способностью к анаэробному дыханию.

Анаэробное дыхание — эволюционно более ранняя и энергетически менее рациональная форма получения энергии из питательных веществ по сравнению с кислородным дыханием.

В основе анаэробного дыхания лежит процесс, в ходе которого глюкоза расщепляется до пировиноградной кислоты и высвобождаются атомы водорода. Акцептором атомов водорода, отщепляемых в результате дыхания, является пировиноградная кислота, которая превращается в молочную. Схематически ход анаэробного дыхания можно выразить следующими уравнениями: 1) C6H12O6 + 2ADF +2H3PO4 +2NAD+  C3H4O3(пирови.к-та) +2ATF +2NAD*H + H+

2)C3H4O3 +2NAD*H  C3H6O3(молоч.к-та) +2NAD+

Описанный процесс получил название молочнокислого брожения. Суммарно этот процесс можно выразить следующим уравнением: C6H12O6 =2ADF+2H3PO4 +2NAD+  2C3H6O3 +2ATF +2NAD*H +H+

Молочнокислое брожение осуществляют молочнокислые бактерии (например, кокки из рода стрептококк). Образование молочной кислоты по такому типу происходит также в животных клетках в условиях дефицита кислорода.

В природе широко распространено спиртовое брожение, которое осуществляют дрожжи. В отсутствие кислорода дрожжевые клетки образуют из глюкозы этиловый спирт и СО;. Вначале спиртовое брожение идет аналогично молочнокислому, но последние реакции приводят к образованию этилового спирта. От каждой молекулы пи-ровиноградной кислоты отщепляется молекула С02, и образуется молекула двууглеродного соединения —уксусного альдегида, который затем восстанавливается до этилового спирта атомами водорода:

1. C6H12O6 + 2ADF +2H3PO4 +2 NAD-  2C3H4O3 +2ATF +2NAD*H +H+

2. C3H4O3  CH3COH +CO2

3. CH3COH + 2NAD*H  C2H5OH +2NAD-

Суммарное уравнение:

C6H12O6+2ADF+1H3PO4  2C2H5OH +2ATF+2CO2

Спиртовое брожение, кроме дрожжей, осуществляют некоторые анаэробные бактерии. Этот тип брожения наблюдается в растительных клетках в отсутствие кислорода.

Наиболее распространенным питательным веществом, которое используется для анаэробного высвобождения энергии, является глюкоза. Однако следует помнить, что любое органическое вещество при соответствующих условиях может выступать источником энергии для синтеза АТФ.

При недостатке в клетке глюкозы в дыхание могут вовлекаться жиры и белки. Продуктами брожения являются различные органические кислоты (молочная, масляная, муравьиная, уксусная), спирты (этиловый, бутиловый, амиловый), ацетон, а также углекислый газ и вода.

Аденозинтрифосфат (сокр. АТФ, англ. АТР) — Химически АТФ представляет собой трифосфорный эфир аденозина, который является производным аденина и рибозы. Нуклеотид, играет исключительно важную роль в обмене энергии и веществ в организмах; в первую очередь соединение известно как универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах. АТФ был открыт в 1929 году Карлом Ломанном, а в 1941 году Фриц Липман показал, что АТФ является основным переносчиком энергии в клетке.

Главная роль АТФ в организме связана с обеспечением энергией многочисленных биохимических реакций. Являясь носителем двух высокоэнергетических связей, АТФ служит непосредственным источником энергии для множества энергозатратных биохимических и физиологических процессов. Все это реакции синтеза сложных веществ в организме: осуществление активного переноса молекул через биологические мембраны, в том числе и для создания трансмембранного электрического потенциала; осуществления мышечного сокращения.

Помимо энергетической АТФ выполняет в организме ещё ряд других не менее важных функций: Вместе с другими нуклеозидтрифосфатами АТФ является исходным продуктом при синтезе нуклеиновых кислот. Кроме того, АТФ отводится важное место в регуляции множества биохимических процессов. Являясь аллостерическим эффектором ряда ферментов, АТФ, присоединяясь к их регуляторным центрам, усиливает или подавляет их активность. АТФ является также непосредственным предшественником синтеза циклического аденозинмонофосфата — вторичного посредника передачи в клетку гормонального сигнала. Также известна роль АТФ в качестве медиатора в синапсах.