Обмен веществ и энергии
Обмен веществ и энергии (метаболизм) — совокупность химических реакций, протекающих в клетках или в целостном организме и заключающихся в синтезе сложных молекул и новой протоплазмы (анаболизм) и в распаде молекул с освобождением энергии (катаболизм).
Энергия необходима для
-
биосинтеза (образования нового вещества),
-
осмотической работы (поглощения и секреции клетками разных веществ),
-
механической работы (при движении) и других реакций.
Энергетические процессы у всех живых существ сходны.
В основе регуляции метаболических путей лежат общие механизмы.
Анаболизм и катаболизм
Основные метаболические процессы:
-
анаболизм (ассимиляция)
-
катаболизм (диссимиляция).
Анаболизм (от греч. anabole — подъём), ассимиляция, совокупность химических процессов в живом организме, направленных на образование и обновление структурных частей клеток и тканей. Заключается в синтезе сложных молекул из более простых с накоплением энергии.
Процессы:
-
синтез белков
-
синтез нуклеиновых кислот
-
фотосинтез (частный случай анаболизма)
Катаболизм (от греч. katabole — сбрасывание, разрушение), диссимиляция - совокупность ферментативных реакций в живом организме, направленных на расщепление сложных органических веществ — белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов, поступающих с пищей или запасённых в самом организме (жиры, крахмал гликоген и др.) с освобождением энергии.
Этот распад происходит в результате переваривания и дыхания. Является экзотермическим процессом
Процессы:
-
клеточное дыхание
-
гликолиз
-
брожение
В процессе катаболизма энергия, заключённая в химических связях крупных органических молекул, освобождается и запасается в форме связей АТФ (аденозинтрифосфорная кислота).
Молекула представляет собой нуклеотид.
АТФ —главный универсальный поставщик энергии в клетках всех живых организмов.
Цикл АТФ-АДФ является основным механизмом обмена энергии в живых системах.
Строение АТФ:
-
азотистое основание – аденин
-
пятиуглеродный сахар – рибоза
-
три остатка фосфорной кислоты
Фосфатные группы в молекуле АТф соединены между собой высокоэнергетическими (макроэргическими) связями
В результате гидролитического отщепления от АТФ фосфатной группы образуется АДФ (аденозиндифосфорная кислота) и высвобождается порция энергии:
АТФ
+ Н2О
АДФ +Н3РО4
+ 40 кДж
АДФ
+ Н2О
АМФ +Н3РО4
+ 40 кДж
Фосфорилирование процесс образования АТФ из АДФ и неорганического фосфата за счет энергии, освобождающейся при окислении органических веществ и в процессе фотосинтеза. При этом должно быть затрачено не менее 40 кДж/моль энергии, которая аккумулируется в макроэргических связях:
АДФ+
Н3РО4+
40 кДж АТФ + Н2О
Поступление вещества в клетки
Градиент концентрации - разность концентрации веществ внутри и снаружи клетки называют.
Основные пути поступления веществ в клетки:
|
пассивный транспорт |
обеспечивается диффузией через мембрану по градиенту концентрации. Молекулы обычно переходят из области высокой концентрации в область более низкой концентрации. Вещества в клетку проникают через поры, имеющиеся в клеточной мембране. Не зависит от энергии, обеспечиваемой АТФ. Скорость диффузии вещества зависит:
Если молекулы транспортируемого вещества заряжены, то к влиянию градиента концентрации добавляется влияние электрических потенциалов по обе стороны мембраны. Градиент концентрации и электрический градиент в совокупности составляют электрохимический потенциал, который позволяет транспортировать в клетку только положительно заряженные ионы. |
Этим путем в клетку проникают вода, двуокись углерода и молекулы органических веществ, способные хорошо растворяться в жирах |
|
|
катализируемый транспорт «облегченная» диффузия |
Повышение скорости диффузии разных веществ, например, сахаров, аминокислот и нуклеозидов через мембрану под воздействием ферментов. Зависит от градиента концентрации. Является переносом по градиенту концентрации, она тоже непосредственно не зависит от энергии, обеспечиваемой АТФ. |
Некоторые сахара, в частности, глюкоза |
|
|
активный транспорт |
Перенос вещества против градиента концентрации, т. е. из области низкой концентрации в область более высокой концентрации. Связан со способностью мембраны поддерживать разность электрических потенциалов (помимо поддержания разности в концентрациях веществ внутри и снаружи клетки), под которыми понимают различия между электрическими потенциалами внутри и вне клетки, а также с затратами энергии на работу в виде перемещения веществ против электрохимического градиента, т. е. «вверх»
|
эффективен
в случае переноса ионов |
|
|
эндоцитоз: |
|
|
ответственен за поступление в клетки макромолекул (белков, по-линуклеотидов, полисахаридов) и разных твердых частиц, включая бактерии |
|
фагоцитоз
|
процесс активного захватывания и поглощения живых и неживых частиц одноклеточными организмами или особыми клетками (фагоцитами) многоклеточных животных организмов. Обеспечивается путем выпячиваний своей клеточной мембраны и образования пузырьков, сливающихся затем с плазматической мембраной и открывающихся внутрь клетки. Вошедшие внутрь клеток частицы поступают в лизосомы, где с помощью клеточных (лизосомных) ферментов разрушаются и усваиваются затем клетками. |
У многоклеточных (млекопитающих) выполняется специализированными клетками (лейкоцитами). У простейших является формой питания. Биологическое значение фагоцитоза у млекопитающих заключается в том, что он обеспечивает иммунную (фагоцитарную) защиту организма |
|
|
пиноцитоз |
захват клеточной поверхностью жидкости с содержащимися в ней веществами путем впячиваний плазматической мембраны и образования пузырьков (канальцев), куда поступает жидкость. Канальцы после заполнения жидкостью отшнуровываются, поступают в цитоплазму и доходят до лизосом, где их стенки перевариваются, в результате чего содержимое (жидкость) канальцев освобождается и подвергается дальнейшей обработке лизосомными ферментами. |
Один из основных механизмов проникновения в клетку высокомолекулярных соединений, в частности белков и углеводно-белковых комплексов. Наиболее активный П. наблюдается у амёб, в эпителиальных клетках кишечника и почечных канальцев, в эндотелии сосудов и растущих ооцитах, в клетках кровеносной и лимфатической систем, в клетках злокачественных опухолей, а также в клетках тканей, для которых характерен повышенный уровень обмена веществ. |
|
обеспечивают
проникновение в клетки лишь малых
молекул
Экзоцитоз — процесс секретирования клетками различных веществ в окружающую их среду
Виды экзоцитоза:
Конститутивный экзоцитоз
осуществляется периодически, по мере накоплениях секрета, без видимого воздействия внеклеточных факторов, при колебаниях гидратированности клетки, без участия аппарата Гольджи и Са2+—независимо (инсулин и ряд других гормонов, нейротрансмиттеров и многих ферментов.)
Регулируемый экзоцитоз отличается необходимостью для запуска внеклеточного воздействия и четкой стадийностью процесса. Каждая из стадий регулируется дифференцированно. Специфика экзоцитоза определяется химической природой выделяеммых веществ, невезикулярной или везикулярной формами его выведения.
С помощью экзоцитоза из клетки удаляются также частицы, оказавшиеся непереваренными путем фагоцитоза. У большинства клеток циклы эндоцитоз-экзоцитоз непрерывны.