Понятие об обмене веществ и превращении энергии

Одним из характерных признаков живого является обмен веществ и превращение энергии. Обмен веществ, или метаболизм (от греч. metabol — превращение), — это совокупность всех реакций синтеза и распада, протекающих в живых системах, связанная с выделением или поглощением энергии. Для существования организмов необходимы питательные вещества и энергия, которые они получают из внешней среды. В процессе питания и дыхания в организм поступают определенные вещества, которые в результате жизнедеятельности преобразуются, частично накапливаются, а частично выделяются в окружающую среду. Энергия и питательные вещества необходимы для осуществления всех процессов жизнедеятельности организма: роста, развития, движения, размножения и т. д. Основой этих процессов является обмен веществ и превращение энергии.

Каждая клетка — животная, растительная, бактериальная, самая сложная или самая примитивная, характеризуется сложными химическими процессами. Важнейшей особенностью химических реакций, протекающих в клетке, является их каталитический характер. Биологическими катализаторами являются специализированные белки — ферменты, или энзимы.

Сотни реакций обмена веществ, которые происходят в клетке, идут при непосредственном участии ферментов. Вещество, которое связывается с ферментом для проведения химической реакции, называется субстратом. Ферменты активизируют субстрат, делают его доступным для проведения реакции. Ускоряя химические реакции, эти вещества в реакциях не расходуются. Они не влияют также и на природу конечных продуктов.

Из-за высокой скорости реакции небольшое количество фермента может катализировать превращение большого количества вещества, так как освобождение фермента каждый раз идет очень быстро.

Фотосинтез является основополагающим процессом живой природы. Благодаря этому процессу, из неорганических веществ синтезируются органические соединения, необходимые для построения всех живых тел.

Фотосинтез (от греч. phōtos — свет и synthesis — соединение) — это процесс первичного синтеза органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды), протекающий под действием солнечного света. Общее уравнение фотосинтеза можно представить так:

Фотосинтез не единственный способ автотрофного питания. Существует еще один способ синтеза органических веществ из неорганических, для которого не нужна световая энергия. На Земле существуют организмы, которые извлекают энергию путем окисления различных неорганических веществ и используют ее для восстановления углекислого газа в органические вещества. Процесс синтеза органических веществ из неорганических за счет энергии окисления неорганических веществ называется хемосинтезом. Он относится к хемоавтотрофному питанию.

Хемосинтезирующие организмы были открыты русским микробиологом С. Н. Виноградским в 1887 г. Это бактерии, которые для синтеза органических веществ используют энергию химических реакций, выделяющуюся при окислении неорганических веществ.

Для жизнедеятельности организма необходима энергия. Растения аккумулируют солнечную энергию в органических веществах при фотосинтезе. В процессе энергетического обмена органические вещества расщепляются и энергия химических связей освобождается. Частично она рассеивается в виде тепла, а частично запасается в молекулах АТФ. У животных энергетический обмен протекает в три этапа.

Первый этап — подготовительный

Пища поступает в организм животных и человека в виде сложных высокомолекулярных соединений. Прежде чем поступить в клетки и ткани, эти вещества должны разрушиться до низкомолекулярных, более доступных для клеточного усвоения веществ.

Гены и ДНК

Способность клеток поддерживать высокую степень упорядоченности своей организации связана с генетической информацией.

Гены — наследственные факторы, представляющие собой определенный набор последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК, в которых хранится информация о строении и свойствах каждой клетки и организма в целом. Носителями наследственной информации являются хромосомы, состоящие из молекул ДНК.

Долгое время ученые считали, что передача генетической информации осуществляется белками, так как это единственные вещества, обладающие структурным разнообразием. Многочисленные исследования бактерий и вирусов показывали несостоятельность этой теории.

Информация о белке записана в виде нуклеотидной последовательности в ДНК и находится в ядре. Собственно синтез белка происходит в цитоплазме на рибосомах. Следовательно, для синтеза белка необходима структура, которая переносила бы информацию от ДНК к месту синтеза белка. Таким посредником является информационная, или матричная, РНК, которая передает информацию с определенного гена молекулы ДНК к месту синтеза белка на рибосомы.

Кроме переносчика информации необходимы вещества, которые обеспечивали бы доставку аминокислот к месту синтеза и определение их места в полипептидной цепи. Такими веществами являются транспортные РНК, которые обеспечивают кодирование и доставку аминокислот к месту синтеза. Синтез белка протекает на рибосомах, тело которых построено из рибосомальных РНК. Значит, необходим еще один вид РНК — рибосомальные.

Белки являются необходимыми компонентами всех клеток, поэтому наиболее важным процессом пластического обмена является биосинтез белка. Он протекает во всех клетках организмов. Это единственные компоненты клетки (кроме нуклеиновых кислот), синтез которых осуществляется под прямым контролем генетического материала клетки. Весь генетический аппарат клетки — ДНК и разные виды РНК — настроен на синтез белков.

Ген — это участок молекулы ДНК, ответственный за синтез одной молекулы белка. Для синтеза белка необходимо, чтобы определенный ген с ДНК был скопирован в виде молекулы информационной РНК. Этот процесс был рассмотрен ранее. Синтез белка представляет собой сложный многоэтапный процесс и зависит от деятельности различных видов РНК. Для непосредственного биосинтеза белка необходимы следующие компоненты:

Репликация ДНК

Процесс самоудвоения молекулы ДНК, обеспечивающий точное копирование генетической информации, называется репликацией или удвоением молекул ДНК.

Открытию механизма репликации предшествовали многочисленные эксперименты по синтезу ДНК. Модель молекулы ДНК, предложенная Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком, породила целую серию экспериментов по выяснению механизма ее репликации. Наиболее убедительные данные были представлены в 1958 г. учеными М. Мезелсоном и Ф. Сталем. В процессе эксперимента были выдвинуты три гипотезы.

1. Консервативная репликация. Двухцепочечная молекула ДНК служит матрицей для синтеза полностью новой молекулы ДНК, т. е. новая ДНК является полной копией исходной.

Клетка работает как единый, слаженный механизм, с высокой степенью точности, согласованности и целесообразности. Регуляция химической активности клетки происходит в значительной степени автоматически и связана с белками. Именно они являются основой всех процессов жизнедеятельности клетки. Белки-ферменты обеспечивают все реакции обмена веществ, строительные белки определяют специфические особенности клетки, ее форму, регуляторные белки стимулируют или тормозят работу ткани, органа, клетки в целом, наконец, реализацию информации в ДНК. В сущности, все особенности организма определяются теми белками, которые синтезируются в его клетках.

В ДНК любой клетки организма закодирована информация обо всех белках, которые входят в их состав. В клетках бактерий находится несколько миллионов генов, а у человека их около трех миллиардов. Это количество генов содержится во всех клетках организма, тем не менее клетки у многоклеточного организма весьма разнообразны по структуре и по функциям, в них синтезируются и накапливаются различные молекулы РНК и белков. Исследования ученых показали, что это связано не с потерей части генов в ДНК при дифференцировке клеток, а с изменением их активности.

Основой жизнедеятельности клетки является обмен веществ и превращение энергии — метаболизм. Метаболизм клетки представляет собой сложный многоэтапный процесс, состоящий из ассимиляции (реакций синтеза) и диссимиляции (реакций распада). Эти процессы взаимосвязаны и обеспечиваются ферментативными системами клетки.

Первичный синтез органического вещества — фотосинтез осуществляется из неорганических веществ под действием энергии солнечного света. Он обеспечивает аккумуляцию этой энергии в энергию химических связей органических веществ.

Все остальные процессы метаболизма, протекающие в клетке, используют энергию химических связей, запасенную в первичносинтезированных органических веществах. Превращение энергии в клетке осуществляется универсальным источником энергии — АТФ.

Яндекс.Метрика Top.Mail.Ru