29. Обмен веществ и превращение энергии в клетке. Автотрофные и гетеротрофные организмы. Фотоавтотрофы и хемоавтотрофы.

1. Метаболизм — совокупность химических реакций в клетке: расщепления (энергетический обмен) и синтеза (пластический обмен). Зависимость жизни клетки от непрерывного поступления веществ из внешней среды в клетку и выделения продуктов обмена из клетки во внешнюю среду. Обмен веществ — основной признак жизни.

2. Функции клеточного обмена веществ: 1) обеспечение клетки строительным материалом, необходимым для образования клеточных структур; 2) снабжение клетки энергией, которая используется на процессы жизнедеятельности (синтез веществ, их транспорт и др.).

3. Энергетический обмен — окисление органических веществ (углеводов, жиров, белков) и синтез богатых энергией молекул АТФ за счет освобождаемой энергии.

4. Пластический обмен — синтез молекул белков из аминокислот, полисахаридов из моносахаридов, жиров из глицерина и жирных кислот, нуклеиновых кислот из нуклеотидов, использование на эти реакции энергии, освобождаемой в процессе энергетического обмена.

5. Ферментативный характер реакций обмена. Ферменты — биологические катализаторы, ускоряющие реакции обмена в клетке. Ферменты — в основном белки, у некоторых из них есть небелковая часть (например, витамины). Молекулы ферментов значительно превышают размеры молекул вещества, на которые они действуют. Активный центр фермента, его соответствие структуре молекулы вещества, на которое он действует.

6. Разнообразие ферментов, их локализация в определенном порядке на мембранах клетки и в цитоплазме. Подобная локализация обеспечивает последовательность реакций.

7. Высокая активность и специфичность действия ферментов: ускорение в сотни и тысячи раз каждым ферментом одной или группы сходных реакций. Условия действия ферментов: определенная температура, реакция среды (рН), концентрация солей. Изменение условий среды, например рН, — причина нарушения структуры фермента, снижения его активности, прекращения действия.

Автотрофные организмы - продуценты органических веществ - накопители энергии (растения)

Автотрофные организмы (растения и некоторые простейшие, бактерии) способны синтезировать необходимые им органические вещества из простых неорганических, используя в качестве источника энергии энергию солнечного света или энергию химических реакций (бактерии).

Консументы (животные) - гетеротрофные организмы - потребители готовых органических веществ;

Гетеротрофы (животные, грибы) поглощают готовые органические вещества и для синтеза собственных веществ используют химическую энергию, содержащуюся в потребляемой пище.

Гетеротрофы получают энергию с пищей. Все живые существа являются объектами питания других и связаны между собой энергетическими отношениями.

Внутри экосистемы органические вещества, содержащие энергию, создаются автотрофными организмами и служат пищей для гетеротрофных.

Фотоавтотрофы - организмы, использующие энергию света при фотосинтезе, получая питательные вещества из неорганических субстратов (двуокись углерода, вода, H2, нитрат, сульфат и т. д.).

Хемоавтотрофы – организмы, получающие энергию при окислении минеральных соединений (синтезируют органику из углекислого газа и воды). Источником углерода для них является углекислый газ.

Живые организмы — открытые системы, совершающие постоянный обмен веществом и энергией с окружающей средой. При изменении условий среды происходит саморегуляция жизненных процессов по принципу обратной связи, направленная на восстановление постоянства внутренней среды — гомеостаза. Например, продукты жизнедеятельности могут оказывать сильное и строго специфическое тормозящее воздействие на те ферменты, которые составили начальное звено в длинной цепи реакций.

30. Гликолиз – основной способ анаэробного (бескислородного) получения энергии живыми клетками.

Реакции расщепления глюкозы не зависят от присутствия кислорода, поэтому этот процесс называют анаэробным гликолизом или анаэробным дыханием.

Гликолиз является основным путём катаболизма (процесс метаболического распада, разложения на более простые вещества (дифференциация) или окисления какого-либо вещества, обычно протекающий с высвобождением энергии в виде тепла и в виде АТФ) глюкозы в организме животных.

Гликолитический путь представляет собой 10 последовательных реакций, каждая из которых катализируется отдельным ферментом.

Процесс гликолиза условно можно разделить на два этапа. Первый этап, протекающий с расходом энергии 2 молекул АТФ, заключается в расщеплении молекулы глюкозы на 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата. На втором этапе происходит НАД-зависимое окисление глицеральдегид-3-фосфата, сопровождающееся синтезом АТФ. Сам по себе гликолиз является полностью анаэробным процессом, то есть не требует для протекания реакций присутствия кислорода.

Гликолиз — один из древнейших метаболических процессов, известный почти у всех живых организмов.

На первой стадии Г. происходит фосфорилирование молекулы глюкозы (при этом расходуется энергия АТФ) и расщепление гексозы с образованием двух взаимопревращающихся триозофосфатов — диоксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата. На первой стадии в Г. вовлекаются и другие простые сахара (как правило, путем превращения в глюкозо-6-фосфат), а также полисахариды. Образование фосфорных производных сахаров способствует превращению циклических форм сахаров в более реакционно-способные формы — ациклические.

Вторая стадия Г. является общей для всех сахаров, участвующих в Г., и состоит в превращении глицеральдегид-3-фосфата в лактат. Центральным звеном этой стадии является гликолитическая оксидоредукция, включающая окислительно-восстановительные реакции, сопряженные с аккумуляцией энергии в виде АТФ в процессе фосфорилирования аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) на уровне субстрата. Энергия, высвобождающаяся в результате превращения глицеральдегид-3-фосфата в 3-фосфоглицерат, запасается в виде макроэргических фосфатных связей АТФ. Образование АТФ происходит также при разрыве макроэргической фосфатной связи фосфоенолпировиноградной кислоты (фосфоенолпирувата) и переносе фосфорильного остатка на АДФ. Внутренний окислительно-восстановительный цикл Г. завершается восстановлением пировиноградной кислоты или пирувата. Эта простейшая кетокислота занимает центральное место в превращении углеводов и участвует в обмене аминокислот в качестве субстрата трансаминирования. В аэробных условиях пируват подвергается окислительному декарбоксилированию при участии пируватдегидрогеназного мультиферментного комплекса с образованием ацетил-кофермента А (ацетил-КоА); это превращение является одной из стадий тканевого дыхания, итогом которой служит включение углеводов в цикл трикарбоновых кислот в качестве энергетического субстрата. Ацетил-КоА участвует также в метаболизме липидов и других физиологически важных соединений (например, ацетилхолина).

Полное уравнение гликолиза имеет вид:

Глюкоза + 2НАД+ + 2АДФ + 2Фн = 2НАД∙Н + 2ПВК + 2АТФ + 2H2O + 2Н+.

При отсутствии или недостатке в клетке кислорода пировиноградная кислота подвергается восстановлению до молочной кислоты, тогда общее уравнение гликолиза будет таким:

Глюкоза + 2АДФ + 2Фн = = 2лактат + 2АТФ + 2H2O.

У аэробных организмов конечные продукты гликолиза подвергаются дальнейшим превращениям в биохимических циклах, относящихся к клеточному дыханию. В итоге после полного окисления всех метаболитов одной молекулы глюкозы на последнем этапе клеточного дыхания — окислительном фосфорилировании, происходящем на митохондриальной дыхательной цепи в присутствии кислорода, — дополнительно синтезируются ещё 34 или 36 молекулы АТФ на каждую молекулу глюкозы.

Таким образом, одним из способов получения энергии в клетках является анаэробный гликолиз. Необходимую для него глюкозу организм получает или из богатой полисахаридами пищи, или при расщеплении запасенного гликогена и крахмала