Обмен веществ в организме человека зависит от его физиологического состояния, вида деятельности, возраста, особенностей питания и других факторов. Под влиянием условий внешней среды и в зависимости от задач, которые организм призван решать, происходит изменение обменных процессов в организме человека, что в первую очередь касается их интенсивности. Такие изменения метаболизма выполняют адаптационную роль, позволяя организму приспосабливаться к меняющимся внешним условиям. В целом реакции метаболизма направлены на поддержание постоянства состава внутренней среды, гомеостаза .

Молодой растущий организм характеризуется преобладанием анаболических процессов надкатаболическими . Это обстоятельство объясняется тем, что анаболические процессы обеспечивают рост организма, увеличения объема тканей и органов. Преобладание скорости синтеза веществ над процессами распада особенно велико сразу после рождения. К 17–19 годам в организме человека устанавливается динамическое равновесие этих процессов. В этом возрасте рост организма фактически прекращается. В пожилом возрасте начинают преобладать катаболические процессы, что нередко может приводить к уменьшению содержания в организме ряда важнейший веществ. Следствием этого процесса является снижение массы и силы мышц, а также функциональных возможностей внутренних органов. Однако в любой возрастной период в организме человека протекают процессы биосинтеза, которые обеспечивают восстановление биомолекул, клеток, органов и тканей, подвергающихся постоянному разрушению в любом возрасте.

Рис. 2. Этапы катаболизма питательных веществ и извлечения энергии в клетках

Диссимиляция и ассимиляция

Диссимиляция и ассимиляция (от лат. dissimilis – несходный, лат. dissimilatio расподобление и assimilis – сходный, от лат. assimilatio воспроизведение) – взаимно противоположные процессы, обеспечивающие в единстве непрерывный процесс жизнедеятельности живых организмов; протекают в организме непрерывно, одновременно, в тесной взаимосвязи и составляют две стороны единого процесса обмена веществ. Обладая биологической. природой диссимиляция и ассимиляция образуют сложную систему, состоящую из цепи взаимосвязанных биохимич. реакций, каждая из к-рых в отдельности является только химической. Противоречие диссимиляции и ассимиляции определяет динамическое равновесие живого тела.

Д и с с и м и л я ц и я (Катаболизм) – процесс расщепления в живом организме органич. веществ на более простые соединения – ведет к освобождению энергии, необходимой для всех процессов жизнедеятельности организма. Конечными продуктами катаболизма являютсяуглекислый газ, вода, аммиак.

Катаболизм в организме человека и большинства живых существ характеризуется следующими особенностями.

В процессе катаболизма преобладают реакции окисления.

Катаболизм протекает с потреблением кислорода.

В процессе катаболизма выделяется энергия, примерно половина которой аккумулируется в форме молекул аденозинтрифосфата (АТФ). Значительная часть энергии выделяется виде тепла.

А с с и м и л я ц и я (Анаболизм) – процесс усвоения органич. веществ, поступающих ворганизм , и их превращение в органические вещества, свойственным данному организму, с использованием энергии, высвобождающейся при процессах диссимиляции. При этом образуются (синтезируются) соединения, обладающие высокой энергией (макроэргические), к-рые становятся источником энергии, освобождающейся при диссимиляции.

Таким образом, анаболизм – это реакции синтеза. Для этих процессов характерны следующие особенности.

Анаболизм – это, главным образом, реакции восстановления.

В процессе анаболизма происходит потребление водорода.

Источником энергии для реакций анаболизма служит АТФ.

Диссимиляция поступающих в организм питательных веществ, в основном белков, жиров и углеводов, начинается с ферментативного расщепления их на более простые соединения – промежуточные продукты обмена веществ (пептиды, аминокислоты, глицерин, жирные кислоты, моносахариды), из к-рых организм синтезирует (ассимилирует) органические соединения, необходимые для его жизнедеятельности. Все процессы диссимиляции и ассимиляции в организме протекают как единое целое.

Ассимиляция и диссимиляция характеризуются соответствующими критериями.

Рассмотрим их на примере ассимиляции:

1) По линейному расстоянию различаютдистанционную и контактную так, например, между взаимодействующими звуками, органическими соединениями и т.д. (лимон - слюна, музыка способствует образованию нейромедиатора - серотонина).

2) По совокупности процессов синтеза в живом организме –регрессивная и прогрессивная .

3) По степени синтеза из простых веществ более сложных (полисахариды, нуклеиновые кислоты, белки и др.) –полная либо частичная .

КРИТЕРИИ (греч. criterion) - признак, на основании которого формируется оценка качества объекта, процесса, мерило такой оценки. Например, К. эффективности характеризует уровень результативности системы тренинга, уровень физической подготоаки и т.д.

1. Какие понятия пропущены в биологических «уравнениях» и заменены вопросительными знаками?

Обмен веществ = ? + энергетический обмен

Анаболизм + ? = метаболизм

Ассимиляция + диссимиляция = ?

В первом "уравнении" вопросительным знаком заменено понятие "пластический обмен", во втором – "катаболизм", в третьем – "обмен веществ (метаболизм)".

2. Какие процессы называют ассимиляцией и диссимиляцией? Приведите примеры.

Ассимиляция (анаболизм, пластический обмен) – совокупность реакций синтеза сложных органических соединений из более простых веществ. Реакции пластического обмена идут с затратами (поглощением) энергии. Процессами ассимиляции являются: фотосинтез, биосинтез ДНК (репликация), биосинтез РНК, белков, липидов, полисахаридов и т.д.

Диссимиляция (катаболизм, энергетический обмен) – процессы расщепления сложных органических соединений до более простых веществ, которые сопровождаются выделением (высвобождением) энергии химических связей расщепляемых соединений. К процессам диссимиляции относится брожение и клеточное дыхание.

3. Чем автотрофные организмы принципиально отличаются от гетеротрофных?

4. Для осуществления каких процессов организмы используют энергию АТФ?

Молекулы АТФ, синтезированные в ходе реакций энергетического обмена, служат поставщиками энергии для процессов синтеза органических веществ, активного транспорта веществ через плазмалемму, деления клеток, передачи нервных импульсов. Благодаря энергии АТФ осуществляются все виды движения (в том числе и мышечного), поддерживается постоянная температура тела у птиц и млекопитающих и т.д.

5. В каких случаях процессы энергетического обмена в организме преобладают над процессами пластического обмена и наоборот?

Например, в молодых организмах преобладают процессы пластического обмена, благодаря чему обеспечивается запасание веществ, интенсивный рост и развитие организма. В старом организме, как правило, преобладают процессы энергетического обмена. То же самое наблюдается при высоких физических нагрузках и недостатке питательных веществ.

Интенсивность процессов энергетического и пластического обмена регулируется нервной системой и гормонами. Например, адреналин сдвигает баланс в сторону энергетического обмена, а инсулин и соматотропин (гормон роста) – в сторону пластического обмена.

6. Приведите примеры преобразования энергии в живом организме.

Например, при расщеплении питательных веществ высвобождается энергия, заключённая в их химических связях. Часть этой энергии рассеивается в виде тепла (т.е. преобразуется в тепловую), другая часть запасается в виде молекул АТФ. Работа мышц сопровождается преобразованием энергии макроэргических связей АТФ в механическую и тепловую энергию. В процессе фотосинтеза происходит преобразование световой энергии в энергию химических связей органических веществ.

7. Докажите справедливость утверждения: «Ассимиляция и диссимиляция - две стороны единого процесса обмена веществ и преобразования энергии в живых организмах».

Вещества, образующиеся в ходе энергетического обмена, могут использоваться в пластическом обмене – для синтеза более сложных органических веществ. И наоборот, продукты ассимиляции могут подвергаться расщеплению и служить источником энергии в процессах диссимиляции. АТФ, которая образуется в ходе энергетического обмена, расщепляется до АДФ и H 3 PO 4 и служит источником энергии для реакций пластического обмена.

Таким образом, ассимиляция и диссимиляция – две взаимосвязанные стороны единого процесса обмена веществ и преобразования энергии в живых организмах.

8. Суточная норма углеводов для взрослого человека составляет 5-8 г на 1 кг массы тела (в зависимости от энергетических затрат организма). При окислении 5 г углеводов выделяется 88 кДж энергии, что достаточно для нагревания 1 кг тела человека от температуры 36,6ºС до температуры 62ºС. Попробуйте самостоятельно произвести этот несложный расчёт на основании знаний, полученных при изучении физики в 8-м классе. Учтите, что средняя удельная теплоемкость человеческого тела 3,47 кДж/(кг ºС). К чему могло бы привести разогревание клеток тела человека до такой температуры? Почему этого на самом деле не происходит?

На уроках физики в 8-м классе учащиеся решали задачи, связанные с применением формулы расчёта количества теплоты:

Q = cm (t 2 – t 1),

где Q – количество теплоты, с – удельная теплоёмкость, m – масса тела, t 2 и t 1 – конечная и начальная температуры соответственно.

В нашем случае Q = 88 кДж, с = 3,47 кДж/(кг ºС), m = 1 кг, t 1 = 36,6ºС.

● Рассчитаем, на сколько градусов Цельсия могла бы повыситься температура тела человека:

t 2 – t 1 = Q / cm = 88 кДж: (3,47 кДж/(кг ºС) × 1 кг) ≈ 25,36ºС.

● Найдём конечную температуру тела человека:

t 2 ≈ 36,6ºС + 25,36ºС ≈ 62ºС.

Разогревание клеток тела человека до такой температуры привело бы к денатурации большинства белков, прекращению ферментативных процессов, частичному плавлению ДНК и в конечном итоге, к гибели клеток. Однако на самом деле этого не происходит, т.к. процесс расщепления и окисления углеводов осуществляется постепенно, поэтапно, и лишь часть высвобождаемой энергии преобразуется в тепловую, а другая часть запасается в макроэргических связях молекул АТФ.

Вся совокупность процессов синтеза веществ в организме называется ассимиляцией, или анаболизмом. Ещё одно название реакций синтеза - пластический обмен.

В клетке протекают процессы расщепления органических молекул с выделением энергии. Диссимиляция (катаболизм) - общее название реакций распада органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. Так же к процессам диссимиляции применим термин энергетический обмен.

Взаимосвязь ассимиляции и диссимиляции обнаруживается в расходовании на биосинтез веществ (ассимиляцию) той энергии, которая освобождается в процессе диссимиляции. Без этой энергии не могут образовываться и продукты распада белков, жиров и углеводов, необходимые для биосинтеза.

Основным источником энергии для всех клеток служит молекула аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая синтезируется в клетке в результате реакции фосфорилирования.

Подготовительная фаза является начальным этапом энергетического обмена и включает в себя расщепление полимеров: белков - до аминокислот, жиров - до глицерина и жирных кислот, углеводов - до глюкозы.

С 6 Н 12 О 6 +2 АДФ + 2 Н 3 РО 4→ → 2 С 3 Н 4 О 3 +2 АДФ + 2 Н 2 О Бескислородная фаза проходит с выделением энергии. В основе этого этапа обмена лежит гликолиз - многоступенчатый процесс окисления молекулы глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты.

С 6 Н 12 О 6 +2 АДФ + 2 Н 3 РО 4→ → 2 С 2 Н 5 ОН + 2 СО 2 + 2 АТФ + 2 Н 2 О В бескислородной среде в растительных клетках и клетках некоторых грибов, вместо гликолиза проходит процесс спиртового брожения, в результате которого глюкоза превращается в этиловый спирт и углекислый газ.

При физической нагрузке в скелетных мышцах в результате пережатия кровеносных сосудов возникает дефицит кислорода. Образующаяся молочная кислота связывает ионы кальция, что является причиной болевых ощущений в мышцах.

Полное кислородное расщепление (клеточное дыхание) - завершающая фаза энергетического обмена. Этот многоэтапный процесс проходит в митохондриях клетки и заключается в расщеплении органических молекул, образовавшихся в анаэробной фазе до конечных продуктов - углекислого газа и воды.

В результате клеточного дыхания из двух молекул молочной кислоты синтезируется 36 молекул АТФ: 2 С 3 Н 6 О 3 + 6 О 2 + 36 АДФ+36 Н 3 РО 4→ → 6 СО 2 + 42 Н 2 О + 36 АТФ

Ещё две молекулы АТФ образовались в ходе анаэробной фазы, поэтому суммарное уравнение энергетического обмена можно выразить следующим образом: С 6 Н 12 О 6 + 6 О 2 + 38 АДФ+38 Н 3 РО 4 → → 6 СО 2 + 44 Н 2 О + 38 АТФ

Энергия, вырабатываемая и запасаемая клеткой в процессе диссимиляции, используется, в том числе, для сборки молекул органических веществ, необходимых для жизнедеятельности как самой клетки, так и организма в целом.

Процессы пластического и энергетического обмена неразрывно связаны между собой. Все синтетические (анаболические) процессы нуждаются в энергии, поставляемой в ходе реакций диссимиляции. Сами же реакции расщепления (катаболизма) протекают лишь при участии ферментов, синтезируемых в процессе ассимиляции.

Роль ФТФ в метаболизме

Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме высокоэнергетических соединений, как правило, в форме аденозинтрифосфата (АТФ). По своей химической природе АТФ относится к мононуклеотидам.

АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) - мононуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэргическими связями.

В этих связях запасена энергия, которая высвобождается при их разрыве:
АТФ + H 2 O → АДФ + H 3 PO 4 + Q 1
АДФ + H 2 O → АМФ + H 3 PO 4 + Q 2
АМФ + H 2 O → аденин + рибоза + H 3 PO 4 + Q 3 ,
где АТФ - аденозинтрифосфорная кислота; АДФ - аденозиндифосфорная кислота; АМФ - аденозинмонофосфорная кислота; Q 1 = Q 2 = 30,6 кДж; Q 3 = 13,8 кДж.
Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования. Фосфорилирование - присоединение остатка фосфорной кислоты к АДФ (АДФ + Ф → АТФ). Он происходит с разной интенсивностью при дыхании, брожении и фотосинтезе. АТФ обновляется чрезвычайно быстро (у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин).
Энергия, накопленная в молекулах АТФ, используется организмом в анаболических реакциях (реакциях биосинтеза). Молекула АТФ является универсальным хранителем и переносчиком энергии для всех живых существ.

Энергетический обмен

Энергию, необходимую для жизнедеятельности, большинство организмов получают в результате процессов окисления органических веществ, то есть в результате катаболических реакций. Важнейшим соединением, выступающим в роли топлива, является глюкоза.
По отношению к свободному кислороду организмы делятся на три группы.

Классификация организмов по отношению к свободному кислороду

У облигатных аэробов и факультативных анаэробов в присутствии кислорода катаболизм протекает в три этапа: подготовительный, бес- кислородный и кислородный. В результате органические вещества распадаются до неорганических соединений. У облигатных анаэробов и факультативных анаэробов при недостатке кислорода катаболизм протекает в два первых этапа: подготовительный и бескислородный. В результате образуются промежуточные органические соединения, еще богатые энергией.

Этапы катаболизма

1. Первый этап - подготовительный - заключается в ферментативном расщеплении сложных органических соединений на более простые. Белки расщепляются до аминокислот, жиры - до глицерина и жирных кислот, полисахариды - до моносахаридов, нуклеиновые кислоты - до нуклеотидов. У многоклеточных организмов это происходит в желудочно-кишечном тракте, у одноклеточных - в лизосомах под действием гидролитических ферментов. Высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде теплоты. Образовавшиеся органические соединения либо подвергаются дальнейшему окислению, либо используются клеткой для синтеза собственных органических соединений.
2. Второй этап - неполное окисление (бескислородный) - заключается в дальнейшем расщеплении органических веществ, осуществляется в цитоплазме клетки без участия кислорода. Главным источником энергии в клетке является глюкоза. Бескислородное, неполное окисление глюкозы называется гликолизом. В результате гликолиза одной молекулы глюкозы образуется по две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК, пируват) CH 3 COCOOH, АТФ и воды, а также атомы водорода, которые связываются молекулой-переносчиком НАД + и запасаются в виде НАД·Н.
Суммарная формула гликолиза имеет следующий вид:
C 6 H 12 O 6 + 2H 3 PO 4 + 2АДФ + 2НАД+ → 2C 3 Н 4 O 3 + 2H 2 O + 2АТФ + 2НАД·Н.
Далее при отсутствии в среде кислорода продукты гликолиза (ПВК и НАД·Н) перерабатываются либо в этиловый спирт - спиртовое брожение (в клетках дрожжей и растений при недостатке кислорода)
CH 3 COCOOH → СО 2 + СН 3 СОН
СН 3 СОН + 2НАД·Н → С 2 Н 5 ОН + 2НАД + ,
либо в молочную кислоту - молочнокислое брожение (в клетках животных при недостатке кислорода)
CH 3 COCOOH + 2НАД·Н → C 3 Н 6 O 3 + 2НАД + .
При наличии в среде кислорода продукты гликолиза претерпевают дальнейшее расщепление до конечных продуктов.
3. Третий этап - полное окисление (дыхание) - заключается в окислении ПВК до углекислого газа и воды, осуществляется в митохондриях при обязательном участии кислорода.
Он состоит из трёх стадий:
А) образование ацетилкоэнзима А;
Б) окисление ацетилкоэнзима А в цикле Кребса;
В) окислительное фосфорилирование в электронотранспортной цепи.

А. На первой стадии ПВК переносится из цитоплазмы в митохондрии, где взаимодействует с ферментами матрикса и образует 1) диоксид углерода, который выводится из клетки; 2) атомы водорода, которые молекулами-переносчиками доставляются к внутренней мембране митохондрии; 3) ацетилкофермент А (ацетил-КоА).
Б. На второй стадии происходит окисление ацетилкоэнзима А в цикле Кребса. Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты) - это цепь последовательных реакций, в ходе которых из одной молекулы ацетил-КоА образуются 1) две молекулы диоксида углерода, 2) молекула АТФ и 3) четыре пары атомов водорода, передаваемые на молекулы-переносчики - НАД и ФАД. Таким образом, в результате гликолиза и цикла Кребса молекула глюкозы расщепляется до СО 2 , а высвободившаяся при этом энергия расходуется на синтез 4 АТФ и накапливается в 10 НАД·Н и 4 ФАД·Н 2 .
В. На третьей стадии атомы водорода с НАД·Н и ФАД·Н 2 окисляются молекулярным кислородом О 2 с образованием воды. Один НАД·Н способен образовывать 3 АТФ, а один ФАД·Н 2 –2 АТФ. Таким образом, выделяющаяся при этом энергия запасается в виде ещё 34 АТФ.
Этот процесс протекает следующим образом. Атомы водорода концентрируются около наружной стороны внутренней мембраны митохондрии. Они теряют электроны, которые по цепи молекул-переносчиков (цитохромов) электронотранспортной цепи (ЭТЦ) переносятся на внутреннюю сторону внутренней мембраны, где соединяются с молекулами кислорода:
О 2 + е - → О 2 - .
В результате деятельности ферментов цепи переноса электронов внутренняя мембрана митохондрий изнутри заряжается отрицательно (за счёт О 2 -), а снаружи - положительно (за счёт Н +), так что между её поверхностями создаётся разность потенциалов. Во внутреннюю мембрану митохондрий встроены молекулы фермента АТФ- синтетазы, обладающие ионным каналом. Когда разность потенциалов на мембране достигает критического уровня, положительно заряженные частицы H + силой электрического поля начинают проталкиваться через канал АТФазы и, оказавшись на внутренней поверхности мембраны, взаимодействуют с кислородом, образуя воду:
1/2О 2 - +2H + → Н 2 О.
Энергия ионов водорода H + , транспортирующихся через ионный канал внутренней мембраны митохондрии, используется для фосфорилирования АДФ в АТФ:
АДФ + Ф → АТФ.
Такое образование АТФ в митохондриях при участии кислорода называется окислительным фосфорилированием.
Суммарное уравнение расщепления глюкозы в процессе клеточного дыхания:
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 38H 3 PO 4 + 38АДФ → 6CO 2 + 44H 2 O + 38АТФ.
Таким образом, в ходе гликолиза образуются 2 молекулы АТФ, в ходе клеточного дыхания - ещё 36 молекул АТФ, в целом при пол- ном окислении глюкозы - 38 молекул АТФ.

Пластический обмен

Пластический обмен, или ассимиляция, представляет собой совокупность реакций, обеспечивающих синтез сложных органических соединений из более простых (фотосинтез, хемосинтез, биосинтез белка и др.).

Гетеротрофные организмы строят собственные органические вещества из органических компонентов пищи. Гетеротрофная ассимиляция сводится, по существу, к перестройке молекул:
органические вещества пищи (белки, жиры, углеводы) → простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) → макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).
Автотрофные организмы способны полностью самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических молекул, потребляемых из внешней среды. В процессе фото- и хемосинтеза происходит образование простых органических соединений, из которых в дальнейшем синтезируются макромолекулы:
неорганические вещества (СО 2 , Н 2 О) → простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) → макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).

Фотосинтез

Фотосинтез - синтез органических соединений из неорганических за счёт энергии света. Суммарное уравнение фотосинтеза:

Фотосинтез протекает при участии фотосинтезирующих пигментов , обладающих уникальным свойством преобразования энергии солнечного света в энергию химической связи в виде АТФ. Фотосинтезирующие пигменты представляют собой белковоподобные вещества. Наиболее важным является пигмент хлорофилл. У эукариот фотосинтезирующие пигменты встроены во внутреннюю мембрану пластид, у прокариот - во впячивания цитоплазматической мембраны.
Строение хлоропласта очень похоже на строение митохондрии. Во внутренней мембране тилакоидов гран содержатся фотосинтетические пигменты, а также белки цепи переноса электронов и молекулы фермента АТФ-синтетазы.
Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой.
1. Световая фаза фотосинтеза протекает только на свету в мембране тилакоидов граны.
К ней относятся поглощение хлорофиллом квантов света, образование молекулы АТФ и фотолиз воды.
Под действием кванта света (hv) хлорофилл теряет электроны, переходя в возбуждённое состояние:

Эти электроны передаются переносчиками на наружную, то есть обращенную к матриксу поверхность мембраны тилакоидов, где накапливаются.
Одновременно внутри тилакоидов происходит фотолиз воды, то есть её разложение под действием света:

Образующиеся электроны передаются переносчиками к молекулам хлорофилла и восстанавливают их. Молекулы хлорофилла возвращаются в стабильное состояние.
Протоны водорода, образовавшиеся при фотолизе воды, накапливаются внутри тилакоида, создавая Н + -резервуар. В результате внутренняя поверхность мембраны тилакоида заряжается положительно (за счёт Н +), а наружная - отрицательно (за счёт е -). По мере накопления по обе стороны мембраны противоположно заряженных частиц нарастает разность потенциалов. При достижении критической величины разности потенциалов сила электрического поля начинает проталкивать протоны через канал АТФ-синтетазы. Выделяющаяся при этом энергия используется для фосфорилирования молекул АДФ:
АДФ + Ф → АТФ.

Образование АТФ в процессе фотосинтеза под действием энергии света называется фотофосфорилированием .
Ионы водорода, оказавшись на наружной поверхности мембраны тилакоида, встречаются там с электронами и образуют атомарный водород, который связывается с молекулой-переносчиком водорода НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат):
2Н + + 4е – + НАДФ + → НАДФ·Н 2 .
Таким образом, во время световой фазы фотосинтеза происходят три процесса: образование кислорода вследствие разложения воды, синтез АТФ и образование атомов водорода в форме НАДФ·Н 2 . Кислород диффундирует в атмосферу, а АТФ и НАДФ·Н 2 участвуют в процессах темновой фазы.
2. Темновая фаза фотосинтеза протекает в матриксе хлоропласта как на свету, так и в темноте и представляет собой ряд последовательных преобразований СО 2 , поступающего из воздуха, в цикле Кальвина. Осуществляются реакции темновой фазы за счёт энергии АТФ. В цикле Кальвина СО 2 связывается с водородом из НАДФ·Н 2 с образованием глюкозы.
В процессе фотосинтеза кроме моносахаридов (глюкоза и др.) синтезируются мономеры других органических соединений - аминокислоты, глицерин и жирные кислоты. Таким образом, благодаря фотосинтезу растения обеспечивают себя и всё живое на Земле необходимыми органическими веществами и кислородом.
Сравнительная характеристика фотосинтеза и дыхания эукариот представлена в таблице.

Сравнительная характеристика фотосинтеза и дыхания эукариот

Генетическая информация у всех организмов хранится в виде определённой последовательности нуклеотидов ДНК (или РНК у РНК-содержащих вирусов). Прокариоты содержат генетическую информацию в виде одной молекулы ДНК. В эукариотических клетках генетический материал распределён в нескольких молекулах ДНК, организованных в хромосомы.
ДНК состоит из кодирующих и некодирующих участков. Кодирующие участки кодируют РНК. Некодирующие области ДНК выполняют структурную функцию, позволяя участкам генетического материала упаковываться определённым образом, или регуляторную функцию, участвуя во включении генов, направляющих синтез белка.
Кодирующими участками ДНК являются гены. Ген - участок молекулы ДНК, кодирующей синтез одной мРНК (и соответственно полипептида), рРНК или тРНК.
Участок хромосомы, где расположен ген называется локусом . Совокупность генов клеточного ядра представляет собой генотип , совокупность генов гаплоидного набора хромосом - гено́м , совокупность генов внеядерных ДНК (митохондрий, пластид, цитоплазмы) - плазмон .
Реализация информации, записанной в генах, через синтез белков называется экспрессией (проявлением) генов. Генетическая информация хранится в виде определённой последовательности нуклеотидов ДНК, а реализуется в виде последовательности аминокислот в белке. Посредниками, переносчиками информации выступают РНК. То есть реализация генетической информации происходит следующим образом:
ДНК → РНК → белок.
Этот процесс осуществляется в два этапа:
1) транскрипция;
2) трансляция.

Транскрипция (от лат. transcriptio - переписывание) - синтез РНК с использованием ДНК в качестве матрицы. В результате образуются мРНК, тРНК и рРНК. Процесс транскрипции требует больших затрат энергии в виде АТФ и осуществляется ферментом РНК-полимеразой.

Одновременно транскрибируется не вся молекула ДНК, а лишь отдельные её отрезки. Такой отрезок (транскриптон ) начинается промотором - участком ДНК, куда присоединяется РНК-полимераза и откуда начинается транскрипция, а заканчивается терминатором - участком ДНК, содержащим сигнал окончания транскрипции. Транскриптон - это ген с точки зрения молекулярной биологии.
Транскрипция, как и репликация, основана на способности азотистых оснований нуклеотидов к комплементарному связыванию. На время транскрипции двойная цепь ДНК разрывается, и синтез РНК осуществляется по одной цепи ДНК.

В процессе транскрипции последовательность нуклеотидов ДНК переписывается на синтезирующуюся молекулу мРНК, которая выступает в качестве матрицы в процессе биосинтеза белка.
Гены прокариот состоят только из кодирующих нуклеотидных последовательностей.

Гены эукариот состоят из чередующихся кодирующих (экзонов ) и некодирующих (интронов ) участков.

После транскрипции участки мРНК, соответствующие интронам, удаляются в ходе сплайсинга, являющегося составной частью процессинга.

Процессинг - процесс формирования зрелой мРНК из её предшественника пре-мРНК. Он включает два основных события. 1.Присоединение к концам мРНК коротких последовательностей нуклеотидов, обозначающих место начала и место конца трансляции. Сплайсинг - удаление неинформативных последовательностей мРНК, соответствующих интронам ДНК. В результате сплайсинга молекулярная масса мРНК уменьшается в 10 раз. Трансляция (от лат. translatio - перевод) - синтез полипептидной цепи с использованием мРНК в роли матрицы.

В трансляции участвуют все три типа РНК: мРНК является информационной матрицей; тРНК доставляют аминокислоты и узнают кодоны; рРНК вместе с белками образуют рибосомы, которые удерживают мРНК, тРНК и белок и осуществляют синтез полипептидной цепи.

Этапы трансляции

Реакции матричного синтеза. К реакциям матричного синтеза относятся

• самоудвоение ДНК (репликация);
• образование мРНК, тРНК и рРНК на молекуле ДНК (транскрипция);
• биосинтез белка на мРНК (трансляция).

Все эти реакции объединяет то, что молекула ДНК в одном случае или молекула мРНК в другом выступают в роли матрицы, на которой происходит образование одинаковых молекул. Реакции матричного синтеза являются основой способности живых организмов к воспроизведению себе подобных.
Регуляция экспрессии генов . Тело многоклеточного организма построено из разнообразных клеточных типов. Они отличаются структурой и функциями, то есть дифференцированы. Различия проявляются в том, что помимо белков, необходимых любой клетке организма, клетки каждого типа синтезируют ещё и специализированные белки: в эпидермисе образуется кератин, в эритроцитах - гемоглобин и т. д. Клеточная дифференцировка обусловлена изменением набора экспрессируемых генов и не сопровождается какими-либо необратимыми изменениями в структуре самих последовательностей ДНК.

Антропология и концепции биологии Курчанов Николай Анатольевич

2.3. Обмен веществ и энергии

2.3. Обмен веществ и энергии

Вся совокупность химических реакций, протекающих в живых организмах, называется обменом веществ, или метаболизмом . В результате этих реакций энергия, запасенная в химических связях, переходит в другие формы, т. е. обмен веществ всегда сопровождается обменом энергии. Первичным источником энергии для всего живого на Земле служит Солнце.

Многие организмы имеют уникальные метаболические пути, однако наиболее поразительно то общее, что присуще процессам метаболизма в живой природе. Несмотря на величайшее разнообразие живых организмов, отчетливо проявляется единство этих процессов. Выделяют две группы процессов метаболизма.

Анаболизм (ассимиляция) – совокупность процессов синтеза, идущих с потреблением энергии.

Катаболизм (диссимиляция) – совокупность процессов распада, сопровождающихся выделением энергии.

Анаболизм и катаболизм самым тесным образом взаимосвязаны: катаболические реакции дают «сырье» и энергию для анаболических процессов, в которых эта энергия запасается.

Все живые организмы можно разделить на группы, в зависимости от типа ассимиляции (рис. 2.5).

Автотрофы – организмы, способные самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических.

Рис. 2.5 . Классификация типов анаболизма

Гетеротрофы – организмы, не способные синтезировать органические вещества из неорганических и нуждающиеся в поступлении готовых органических соединений.

Среди протистов можно выделить группу автогетеротрофных организмов, которые в зависимости от условий осуществляют либо автотрофный, либо гетеротрофный способ питания.

Фотоавтотрофы – организмы, использующие для синтеза энергию Солнца.

Хемоавтотрофы – организмы, использующие для синтеза энергию химических реакций.

Совокупность реакций катаболизма, протекающих во всех живых клетках, представляет собой разнообразные процессы биологического окисления . Поскольку запасенная в процессе ассимиляции энергия недоступна для непосредственного использования клеткой, основной функцией процесса биологического окисления является обеспечение организма энергией в доступной форме (прежде всего в виде АТФ). В природе организмы используют два пути получения энергии: аэробный распад (дыхание) , проходящий в присутствии кислорода, и анаэробный распад (брожение) , проходящий без кислорода (рис. 2.6). Соответственно организмы, реализующие эти пути, называются аэробами и анаэробами.

Рис. 2.6 . Классификация типов катаболизма