Как проходит пластический обмен?

К процессам пластического обмена относят реакции образования белков, углеводов и липидов. Образование протеинов происходит в цитоплазме клеток.

Белковая молекула — сложное полимерное образование. Её составной частью или мономером являются аминокислоты.

Синтез белка

Всего описано 20 основных аминокислот. Из них состоят белки большинства живых организмов. В отдельных случаях в процессе задействованы модифицированные аминокислоты:

• десмозин,
• гамма-карбоксиглутаминовая кислота,
• селеноцистеин.

Синтез белков основан на принципе матрицы. В организме существуют особые матричные молекулы. Они несут в себе информацию о последовательности аминокислот в протеиновой цепочке. Наиболее часто такой матрицей служит молекула рибонуклеиновой кислоты — матричная или информационная РНК. С её помощью происходит определение структуры вещества.

Этапы пластического обмена белков:

1. Трансляция — формирование полипептидной цепочки.
2. Фолдинг — цепочка занимает определённое положение и структуру в трёхмерном пространстве.
3. Химическое преобразование молекулы.
4. Доставка готового полипептида к месту назначения — органу или клетке.

В процессе трансляции последовательность аминокислот в белковой цепочке выстраивается в соответствии с кодом информационной РНК. В этом участвуют рибосомы — особые клеточные структуры, состоящие из 2 частей. В каждой части рибосомы содержится белковая часть и рибонуклеотидная.

Аминокислоты доставляются к рибосомам с помощью транспортной РНК (сокращённо тРНК). На одном из участков этой молекулы имеется так называемый антикодон. Подходя к иРНК, он связывается с её участком — кодоном по принципу комплементарности.

Молекула тРНК попадает в большую единицу рибосомы, и доставленная аминокислота присоединяется к строящейся белковой цепочке. Синтез протеинов требует большого количества энергии. Она используется на следующие цели:

1. Для активирования трансляции.
2. На активацию каждой аминокислоты, участвующей в процессе.
3. Для связывания комплекса тРНК + аминокислота с рибосомой.
4. Для перемещения рибосомы после присоединения новой аминокислоты к пептидной цепи.
5. Для завершения процесса трансляции.

Такой значительный расход энергии нужен, чтобы обеспечить точность формирования белковой молекулы и необратимость процесса.

Анаболизм углеводов

Синтез углеводов состоит из нескольких этапов. Вначале из неуглеводных соединений формируются молекулы глюкозы (глюконеогенез). Затем из глюкозы синтезируется гликоген (процесс называется гликонеогенез).

Функции синтеза глюкозы в организме человека выполняют:

• печень,
• почки,
• кишечный эпителий.

Основная совокупность химических реакций происходит в цитозоле. Часть подготовительных процессов протекает в эндоплазматической цепи клетки и митохондриях. Исходным веществом для синтеза может служить пируват. Процесс характеризуется расходом большого количества энергии. Процесс гликонеогенеза протекает в клетках печени и мышечной ткани. Основная часть реакций проходит в цитозоле. Синтез состоит из нескольких стадий:

• Молекула глюкозы подвергается фосфорилированию с использованием энергии от 1 молекулы АТФ. В результат получается глюкозо-6-фосфат.
• Фосфатная группа в новой молекуле направится с шестого атома углерода на первый. Образуется глюкозо-1-фосфат.
• Полученное соединение переносится на УТФ — получается молекула УДФ-глюкозы.
• УДФ-глюкоза полимеризуется и получается гликоген. В процессе участвует фермент гликогенсинтаза. При этом молекула УДФ отделяется от моносахаридной части.

Производство нуклеотидов и жирных кислот

Нуклеотиды образуются во всех живых клетках организма в цитоплазме. Процесс этот сложный и многоступенчатый. И сходными компонентами являются ионы и нециклические молекулы. В процессе синтеза получаются гетероциклические азотистые основания.

Жирные кислоты синтезируются в цитоплазме адипоцитов — клеток жировой ткани. Процесс состоит из большого количества химических реакций. Практически все они протекают с помощью единого катализатора. Этот комплекс состоит из большого количества ферментов. Синтез липидов — циклическое явление. В результате каждого цикла к молекуле кислоты присоединяются 2 новых атома углерода.

Процесс фотосинтеза

Этот биохимический процесс присущ растительному царству. Без него жизнь на планете оказалась бы невозможной. Больше половины живых организмов, существующих на Земле, нуждаются в кислороде для нормальной жизнедеятельности. Они используют его для дыхания, а взамен выделяют в окружающую среду углекислый газ.

Атмосферный кислород поступает из зелёных листьев растений. В них содержатся особые включения — хлоропласты. Снаружи каждый хлоропласт покрыт двойной мембраной. Внутри в цитоплазме содержатся гранулы (тилакоиды) с собственными защитными покрытиями. В тилакоидах и содержится хлорофилл, обеспечивающий процесс фотосинтеза. Именно он придаёт листьям и траве зелёную окраску.

В ходе реакции фотосинтеза осуществляется объединение 6 молекул углекислого газа с молекулами воды. В результате образуется молекула глюкозы. В качестве побочного продукта выделяется кислород. Этот процесс возможен только в присутствии солнечного света.

Особенности хемосинтеза

Этот тип питания, вероятно, наиболее древний и возник раньше фотосинтеза. Схема химических реакций существенно отличается от фотосинтеза. Энергия для химических процессов берётся не от солнечного света, а от окисления неорганических веществ. Некоторые виды бактерий получают запасы энергии при окислении аммиака. Это соединение образуется при гниении органических остатков.

Этот вид аутотрофного питания характерен только для некоторых представителей ряда прокариот. Многие доядерные организмы живут в условиях, где нет кислорода — на большой глубине в морях и океанах и пр.

Как и фотосинтез, хемосинтез относится к типам аутотрофного питания. То есть органические вещества, необходимые для жизни, образуются из неорганических исходных компонентов. Энергия в обоих случаях накапливается в виде молекул АТФ (аденозинтрифосфата).

Основные характеристики хемосинтеза:

• Получение энергии не от солнечных лучей, а от химических реакций окисления.
• Использование этого типа питания только некоторыми доядерными бактериями.
• Отсутствие хлорофилла в клетках.
• Использование в качестве исходного материала не только углекислоты, но и окиси углерода, метанола, уксусной и муравьиной кислоты и пр.
• Получение энергии в результате окисления неорганических молекул — серы, железа, водорода, марганца, азотистых соединений.

Все организмы, использующие хемосинтез, делят на несколько классов по субстрату для получения энергии. Примеры представлены в таблице.

Класс микроорганизмов	Субстрат
серобактерии	сернистый водород
железобактерии	соли железа
нитрифицирующие	аммиак
метанобразующие	органические остатки

В природе хемотрофы поддерживают почвы в плодородном состоянии, насыщая их полезными веществами, необходимыми для роста и развития растений.

Взаимосвязь пластического и энергетического обмена

Пластические процессы в живой клетке тесно связаны с энергетическим обменом. В процессе анаболизма образуются не только «строительные» компоненты — жиры, белки, простые и сложные углеводы. Создаются также сложные молекулы ферментов, участвующих в энергетических процессах.

Конечным продуктом, в котором накапливается энергия в живых клетках, является АТФ. Образуются молекулы в результате окисления органических веществ. Пластический обмен — это в биологии процесс, обратный энергетическому. Все вещества при этом распадаются и образуется молекула АТФ.

Энергия, полученная в результате распавшихся химических связей, используется для сборки и удержания связей аденозинтрифосфата. В ходе пластического обмена происходит обратный процесс — молекула АТФ распадается, освобождённая при расщеплении энергия используется для химических реакций.

Пластический обмен: характеристика, функции, этапы

Метаболизм, то есть совокупность всех химических реакций, происходящих в организме, включает в себя энергетический и пластический обмен. Первый это реакции, направленные на получение энергии вследствие расщепления сложных органических соединений на более простые. Он еще называется катаболизмом.

Пластический обмен называют еще анаболизмом. Он подразумевает реакции, с помощью которых организм синтезирует нужные ему сложные химические вещества из простых с использованием энергии. Таким образом, получается, что, добыв энергию в процессе катаболизма, часть её организм тратит на синтез новых органических веществ.

Энергетический обмен: особенности и этапы

Этот вид обмена веществ осуществляется в три стадии: подготовительная, анаэробное брожение, или гликолиз, и клеточное дыхание. Рассмотрим их более подробно:

1. Подготовительная проходит в желудочно-кишечном тракте, где с помощью желудочного сока и ферментов белки расщепляются на аминокислоты, липиды — на высшие кислоты и глицерин, а углеводы — на более простые по структуре моносахариды. Остальные два этапа осуществляются в клетках организма.
2. Энергетический обмен в клетке имеет две стадии — анаэробную, для которой кислород не нужен, и аэробную, во время которой для совершения химических реакций используется кислород. Первый из этих двух этапов — гликолиз — проходит в цитоплазме, где под воздействием ферментов, содержащихся в лизосомах (специальных органоидах клетки) происходит расщепление глюкозы на более простые вещества, к примеру, этиловый спирт, пировиноградная и молочная кислота. При реакции, в результате которой образуется спирт, выделяется также углекислый газ. Во всех трех вариантах расщепления клетка получает 2 АТФ на одну использованную молекулу глюкозы. Реакция, в которой в результате распада моносахарида получается этиловый спирт, используется в основном дрожжами и бактериями. А процесс, вследствие которого выделяется молочная кислота, — кисломолочными бактериями. Та реакция, после которой остается пировиноградная кислота, осуществляется в животных клетках. Свойства бактерий расщеплять глюкозу до этилового спирта, углекислого газа и молочной кислоты широко используется в пищевой промышленности.
3. Третья стадия энергетического обмена также осуществляется непосредственно в клетке, однако уже не в цитоплазме, а в митохондриях. Это клеточное дыхание. Для него обязательно нужен кислород, так как, по сути, это процесс сжигания органических веществ, только без использования высоких температур и в ускоренном в сотни раз виде, что позволяют выработать природные катализаторы — ферменты. Таким образом, в митохондриях клетки живого организма может происходить процесс полного окисления лактата с использованием фосфорной кислоты, кислорода и молекул АДФ. В результате такой химической реакции вследствие расщепления одной молекулы молочной кислоты можно получить 18 АТФ. Еще одним распространенным процессом, происходящим в митохондриях эукариотических клеток, можно назвать сжигание пировиноградной кислоты, вследствие чего также высвобождается энергия.

Пластический обмен — это что? Какие у него особенности?

Рассмотрев процесс катаболизма, можно перейти к описанию анаболизма, который является важной составляющей обмена веществ. Вследствие этого процесса образуются вещества, из которых построена клетка и весь организм в целом, которые могут служить в качестве гормонов или ферментов и т. д.

Пластический обмен (он же биосинтез, или анаболизм) происходит, в отличие от катаболизма, исключительно в клетке. Он включает в себя три разновидности: фотосинтез, хемосинтез и биосинтез белков.

Первый используется только растениями и некоторыми фотосинтезирующими бактериями. Такие организмы называются автотрофами, так как сами вырабатывают для себя органические соединения из неорганических.

Второй используется определенными бактериями, в том числе и анаэробными, для жизни которых не требуется кислород. Формы жизни, использующие хемосинтез, называются хемотрофами. Животные и грибы относятся к гетеротрофам — существам, которые получают органические вещества из других организмов.

Фотосинтез

Это процесс, который, по сути, является основой жизни на планете Земля. Всем известно, что растения забирают из атмосферы углекислый газ и отдают кислород, но давайте более подробно рассмотрим, что же происходит во время фотосинтеза.

Этот процесс осуществляется посредством реакции, которая предусматривает образование глюкозы и кислорода из углекислого газа и воды. Очень важный фактор наличие солнечной энергии. Во время такого химического взаимодействия из шести молекул углекислого газа и воды образуется шесть молекул кислорода и одна глюкозы.

Где происходит этот процесс?

Местом проведения подобного рода реакции являются зеленые листья растений, а точнее хлоропласты, которые содержатся в их клетках. В этих органеллах содержится хлорофилл, благодаря которому и происходит фотосинтез. Данное вещество также обеспечивает зеленый цвет листков.

Хлоропласт окружен двумя мембранами, а в его цитоплазме расположены граны — стопки из тилакоидов, которые имеют собственную мембрану и содержат хлорофилл.

Хемосинтез

Хемосинтез — это также пластический обмен. только характерен он для микроорганизмов, в том числе и серных, нитрифицирующих и железобактерий. Они используют энергию, полученную в процессе окисления определенных веществ, для восстановления углекислого газа до органических соединений.

Веществами же, которые окисляются данными бактериями в процессе энергетического обмена, являются сероводород для первых, аммиак для вторых и закись железа для последних.

Биосинтез белков

Обмен белков в организме подразумевает расщепление тех, которые были употреблены в пищу, на аминокислоты и построение из последних своих собственных белков, свойственных именно данному живому существу. Пластический обмен это синтез белков клеткой, он включает в себя два основных процесса: транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция

Это слово многим известно из уроков английского языка, однако в биологии данный термин имеет совсем другое значение. Транскрипция — это процесс синтеза информационной РНК с помощью ДНК по принципу комплементарности. Осуществляется он в ядре клетки и насчитывает три стадии: образование первичного транскрипта, процессинг и сплайсинг.

Трансляция

Этот термин обозначает перенос зашифрованной на иРНК информации о структуре белка на синтезирующийся полипептид. Местом для проведения данного процесса служит цитоплазма клетки, а именно, рибосома — специальный органоид, который отвечает за синтез белков. Это органелла овальной формы, состоящая из двух частей, которые соединяются в присутствии иРНК.

Энергетический обмен

Обмен веществ (метаболизм) складывается из процессов расщепления и синтеза диссимиляции и ассимиляции, постоянно протекающих в организме. Чтобы жизнь продолжалась, количество поступающей энергии должно превышать (или как минимум равняться) количеству расходуемой энергии, поэтому диссимиляция и ассимиляция поддерживают определенный баланс друг с другом.

Энергетический обмен (диссимиляция от лат. dissimilis ‒ несходный) обратная ассимиляции сторона обмена веществ, совокупность реакций, которые приводят к высвобождению энергии химических связей. Это реакции расщепления жиров, белков, углеводов, нуклеиновых кислот до простых веществ.

Возможно три этапа диссимиляции: подготовительный, анаэробный и аэробный. Среда обитания определяет количество этапов диссимиляции. Их может быть три, если организм обитает в кислородной среде, и два, если речь идет об организме, обитающем в бескислородной среде (к примеру, в кишечнике).

Обсудим этапы энергетического обмена более подробно:

Подготовительный этап

Осуществляется в ферментами, в результате действия которых, сложные вещества превращаются в более простые: полимеры распадаются на мономеры. Это сопровождается разрывом химических связей и выделением энергии, большая часть которой рассеивается в виде тепла. Под действием ферментов белки расщепляются на аминокислоты, жиры на глицерин и жирные кислоты, сложные углеводы до простых сахаров.

Бескислородный этап (анаэробный) гликолиз

Этот этап является последним для организмов-анаэробов, обитающих в условиях, где кислород отсутствует. На этапе гликолиза происходит расщепление молекулы глюкозы: образуется 2 молекулы АТФ и 2 молекулы пировиноградной кислоты (ПВК). Происходит данный этап в цитоплазме клеток.

Кислородный этап (аэробный)

Этот этап доступен только для аэробов организмов, живущих в кислородной среде. Из каждой молекулы ПВК, образовавшейся на этапе гликолиза, синтезируется 18 молекул АТФ в сумме с двух ПВК выход составляет 36 молекул АТФ. Таким образом, суммарно с одной молекулы глюкозы можно получить 38 АТФ (гликолиз + кислородный этап). Кислородный этап протекает на кристах митохондрий (складках, выпячиваниях внутренней мембраны), где наибольшая концентрация окислительных ферментов. Главную роль в этом процессе играет так называемый цикл Кребса, который подробно изучает биохимия.

Атф аденозинтрифосфорная кислота

Трудно переоценить роль в клетке АТФ универсального источника энергии. Молекула АТФ состоит из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.

Между остатками фосфорной кислоты находятся макроэргические связи ковалентные связи, которые гидролизуются с выделением большого количества энергии. Их принято обозначать типографическим знаком тильда ∽.

АТФ гидролизуется до АДФ (аденозиндифосфорная кислота), а затем и до АМФ (аденозинмонофосфорная кислота). Гидролиз АТФ сопровождается выделением энергии (E) на каждом этапе и может быть представлен такой схемой:

• АТФ + H2O = АДФ + H3PO4 + E
• АДФ + H2O = АМФ + H3PO4 + E
• АМФ + H2O = аденин + рибоза + H3PO4 + E

Пластический обмен

АТФ является универсальным источником энергии в клетке: энергия макроэргических связей АТФ используется для реакций пластического обмена (ассимиляции), протекающих с затратой энергии: синтеза белка на рибосоме (трансляции), удвоению ДНК (репликации) и т.д.

В результате пластического обмена в нашем организме происходит синтез белков, жиров и углеводов.