- Понятие метаболизма
- Энергетический обмен
- Пластический обмен
- Гомеостаз
- Ферменты
- сравнивать две стороны обмена веществ
- создавать схематическую модель с выделением существенных характеристик всех сторон обмена веществ
- объяснять роль ферментов в жизни организма
Известно, что в ДНК клетки, называемой не иначе как её наследственный аппарат, закодирована информация о белках данной клетки. Один участочек ДНК, именуемый СТРУКТУРНЫМ геном, несёт информацию об одном белке, другой
ген — о другом белке. Таким образом, все структурные гены всех ДНК ядра клетки ответственны за синтез специфических для данной клетки каких-либо белков (реально в структурных генах закодирована информация о всех видах РНК: и-РНК, т-РНК и р-РНК, «обслуживающих» синтез белковых молекул). Есть также множество рецепторных генов-регуляторов, активирующих или подавляющих деятельность основных структурных генов. Всё! Информация в ДНК только о белках?! Но мы-то хорошо знаем, что кроме белков для жизни необходимы и углеводы, и липиды (жиры).
Так где же тогда в клетке находится информация об остальных классах органических веществ? По каким «правилам» создаются они в клетке?
Понятие метаболизма
Любая биосистема, в том числе и клетка, считается открытой системой, так как непрерывно обменивается с окружающей средой веществом и энергией. Единый процесс обмена веществ и превращения энергии служит основой жизнедеятельности клетки: поставляет необходимые ей соединения, является источником энергии для внутриклеточных процессов, выводит из клетки вредные конечные продукты распада.
Обмен веществ и превращение энергии, или метаболизм (от греч. metabole — перемена, превращение), — это совокупность всех ферментативных реакций синтеза и распада, протекающих в клетке, связанных с выделением или поглощением энергии.
Обмен веществ и превращение энергии состоит из двух взаимосвязанных и противоположных процессов — ассимиляции и диссимиляции (рис. 1).
Рис. 1. Схема процессов метаболизма
Процессы энергетического и пластического обмена протекают в организме одновременно, но не всегда с одинаковой интенсивностью. Например,
|
преобладают
|
преобладают
|
|
в молодом организме
|
в старом организме при недостаточном питании
|
У животных и человека интенсивность процессов ассимиляции и диссимиляции регулируется нервной и эндокринной системами.
Процессы энергетического и пластического обмена тесно связаны не только на уровне отдельно взятого организма. В биосфере автотрофы из неорганических веществ синтезируют органические (ассимиляция), которые служат пищей гетеротрофным организмам, передаваясь по цепям питания и трансформируясь на каждом трофическом уровне. Расщепление этих соединений (диссимиляция) приводит к образованию неорганических веществ, необходимых автотрофным организмам. Таким образом, взаимосвязь процессов анаболизма и катаболизма лежит в основе круговорота веществ, обеспечивая существование и стабильность биосферы.
Энергетический обмен
Из курса химии вы знаете, что горение органических веществ также сопровождается их расщеплением, окислением и выделением энергии. Однако при горении органические соединения разрушаются быстро, с бурным высвобождением энергии, причём почти вся она выделяется в виде теплоты. В ходе энергетического обмена, наоборот, расщепление и окисление органических веществ происходит ступенчато, при участии ряда ферментов. Поэтому энергия высвобождается поэтапно, небольшими порциями. При этом около 50 % выделившейся энергии постепенно рассеиваются в виде тепла. Остальные 50 % используются клетками для образования молекул АТФ, которые являются поставщиками энергии для различных процессов жизнедеятельности (вспомните каких). В связи с этим катаболизм и называется энергетическим обменом (рис. 2).
Диссимиляция, катаболизм (от греч. katabole — разрушение), или энергетический обмен, — это совокупность реакций распада высокомолекулярных органических веществ до низкомолекулярных органических или неорганических, сопровождающихся выделением энергии и запасанием её в синтезируемых молекулах АТФ.
К процессам катаболизма относятся клеточное дыхание и брожение. Конечными продуктами энергетического обмена являются вода, углекислый газ, аммиак и др.
Рис. 2. Энергетический обмен
Пластический обмен
Реакции синтеза органических соединений из более простых веществ относятся к анаболизму (ассимиляции, пластическому обмену). Эти процессы протекают с поглощением энергии (рис. 3). В результате ассимиляции из веществ, поступивших в клетки, синтезируются органические соединения, свойственные данному организму, — белки, углеводы, липиды и т. д.
Они используются для:
- построения новых систем в клетке и новых клеток;
- обновления клеточных и внеклеточных структур: органоидов, цитоскелета, плазмалеммы, межклеточного вещества и др.;
- запасания в качестве резервных веществ.
Ассимиляция, анаболизм (от греч. anabole — подъём), или пластический обмен, — это совокупность реакций синтеза высокомолекулярных органических веществ из низкомолекулярных органических или неорганических, сопровождающихся поглощением энергии за счёт распада молекул АТФ.
Примерами процессов анаболизма могут служить фотосинтез, биосинтез ДНК (репликация), биосинтез РНК, белков, полисахаридов, липидов и т. д.
Рис. 3. Пластический обмен
Гомеостаз
Все реакции в клетке и в целом организме направлены на поддержание гомеостаза.
Гомеостаз — способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия.
Ферменты
При нормальном атмосферном давлении и температуре до +40 оC протекание химических реакций крайне затруднено. В таких условиях реакции могут протекать только в присутствии катализатора.
Ферменты (энзимы) — это специфические белки, которые присутствуют во всех живых организмах и играют роль биологических катализаторов.
Все ферменты — вещества белковой природы, они ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в десятки и сотни тысяч раз. Они присутствуют во всех живых организмах. Ферменты функционируют в водной среде при обычном атмосферном давлении при температуре около 37 °С и значениях pH от 2 до 10 в отличие от неорганических катализаторов, которые активны, как правило, при высоком атмосферном давлении и более. В таких условиях реакции синтеза или распада веществ протекали бы очень медленно, если бы не подвергались воздействию ферментов. Ферменты ускоряют реакцию без изменения её общего результата за счёт снижения энергии активации. Это означает, что в их присутствии требуется значительно меньше энергии для придания реакционной способности молекулам, которые вступают в реакцию.
Для ферментов характерна специфичность в отношении типа катализируемой реакции, поэтому их в клетке очень много. Большинство из них могут взаимодействовать только с одним веществом и лишь некоторые — со многими веществами, имеющими одинаковые группировки, на которые действует фермент.
Ферменты отличаются от химических катализаторов высокой степенью специфичности, т. е. фермент катализирует только одну реакцию или действует только на один тип связи.
Скорость ферментативных реакций зависит от:
- природы и концентрации фермента и субстрата,
- температуры,
- давления,
- кислотности среды,
- наличия ингибиторов и т. д.
Механизм действия фермента (рис. 4)
В молекуле каждого фермента имеется:
Рис. 4. Механизм действия фермента
- активный центр — участок, в котором происходит катализ за счёт тесного контакта между молекулами фермента и специфического вещества (субстрата), форма и химическое строение активного центра таковы, что с ним могут связываться только определённые субстраты в силу их идеального соответствия (комплементарности) друг другу;
- кофермент — участок, который определяет конфигурацию активного центра, изменения формы кофермента влечёт за собой изменение активного центра.
Контрольные вопросы
- Что такое метаболизм?
- Какие процессы его составляют и в чём их сущность?
- Как изменяется баланс ассимиляции и диссимиляции в процессе жизни человека?
- Что такое гомеостаз?
- Каковы функции ферментов, какова их химическая природа?
- Результаты биохимических исследовании показали, что молекулы большинства ферментов по размерам во много раз превосходят молекулы тех субстратов, с которыми они взаимодействуют. Однако непосредственно на катализируемую реакцию влияет небольшая часть молекулы фермента, содержащая обычно от трёх до двенадцати аминокислотных остатков. Как называют эту часть молекулы фермента? Какова роль остальных аминокислотных остатков?
Подумайте
- В живой клетке одновременно протекает множество реакций, катализируемых разными белками-ферментами. Ряд веществ претерпевает сложные химические превращения, проходя через цепочку промежуточных соединений. Все ферментативные реакции осуществляются согласованно и строго регулируются. На чём основана такая регуляция?
- На скорость ферментативной реакции влияет температура. При более высокой температуре молекулы веществ движутся быстрее, сталкиваются сильнее и чаще, а потому вероятность реакции между ними выше, чем при более низкой температуре. Объясните, почему тогда при температуре свыше 60 °С ферментативная реакция, как правило, прекращается.
- При постоянной температуре любой фермент работает наиболее эффективно в очень узком диапазоне значений pH среды. Оптимальным считается то значение pH, при котором реакция протекает с максимальной скоростью и выход продукта реакции наибольший. При более высоких и более низких значениях pH активность фермента снижается. Объясните, каков механизм влияния pH среды на активность фермента.
