Обмін речовин

0

Автор: admin | Розділ: Біохімія | 31-12-2012

Зв'язок катаболізму і анаболізму Обмін речовин (метаболізм) живої клітини складається з двох протилежно спрямованих видів реакцій – катаболічних та анаболічних:

1) сукупність реакцій розпаду органічних сполук – катаболізм, або енергетичний обмін;

2) сукупність реакцій синтезу органічних сполук – анаболізм, або пластичний обмін.

Білки, ліпіди та полісахариди, з яких складається переважна частина нашої їжі, повинні розщепитися на менші за розміром молекули раніше, ніж клітини організму зможуть їх спожити.

Ферментативний розпад, або катаболізм, цих молекул відбувається у три стадії.

На 1-й стадії великі молекули полімерів розпадаються на мономерні субодиниці. Цей процес, що називається травленням, відбувається поза клітинами під дією травних ферментів.

На 2-й стадії невеликі молекули, що утворились, надходять у клітини організму та зазнають подальшого розщеплення у цитоплазмі. При цьому велика частина всіх мономерів перетворюється у піровиноградну кислоту (піруват), а потім – в ацетилкофермент А.

Остання, 3-я стадія катаболізму полягає у повному розщепленні ацетильної групи ацетил коферменту А до СО2 та Н2О, що супроводжується утворенням АТФ з АДФ та фосфорної кислоти:

АДФ+Н3РО4=АТФ+Н2О

3-я стадія катаболізму можлива тільки при наявності віль­ного кисню, тобто протікає винятково в аеробних організмах, і для її здійснення необхідні біомембрани. В еукаріотичних клітинах ця стадія проходить у мітохондріях. В анаеробів, у безкисневих умовах, катаболізм закінчується перетворенням пірувату в молочну кислоту (наприклад, молочнокислі бактерії) або в етиловий спирт (наприклад, дріжджі). Такі процеси називаються бродінням (молочнокисле, спиртове), а процес перетворення простих цукрів на піруват — ґліколізом.

Перевага аеробів перед анаеробами пов’язана з тим, що ос­новна кількість енергії вивільняється з поживних речовин саме на 3-й стадії катаболізму, відсутньої в анаеробів.

Розщеплення ацетильної групи ацетилкоферменту А від­бувається у мітохондріях у циклі лимонної кислоти (цикл Кребса). Реакції циклу поставляють редукційний потенціал у систе­мусхема аеробного дихання транспорту електронів, яка сполучена з синтезом АТФ. Таким чином мітохондрії виконують свою головну функцію — генераторів енергії у клітині .

Всі описані процеси (ґліколіз, цикл лимонної кислоти, синтез АТФ та ін.) становлять основу енергетичного обміну, тобто біо­хімічних реакцій, що забезпечують накопичення енергії у вигляді молекул АТФ.

Реакції синтезу органічних сполук, або пластичний обмін, протікають із витратою енергії. При цьому створюються необхідні для організму біополімери.

Катаболізм та анаболізм постійно пов’язані між собою пото­ком речовин та потоком енергії. У катаболічних та анаболічних процесах беруть участь одні й ті самі молекули, які складають потік речовин. Потік енергії представлений зворотним процесом синтезу — розпаду АТФ.

Окрім загальних форм метаболічної активності, деяким тва­ринам та рослинам притаманні й особливі типи обміну речовин. Зелені рослини, наприклад, здатні до фотосинтезу. Існують риби, що виробляють цілком відчутні електричні розряди. Багато рос­лин виробляють всілякі хімічні сполуки, зокрема піґменти, від яких залежить забарвлення квітки. Бактерії ж та плісняві гри­би, що є, мабуть, кращими «хіміками» живого світу, можуть «при­готувати» всі? — від смертельних отрут до антибіотиків. Деякі бактерії, плісняві гриби й тварини можуть випромінювати світло завдяки ферментативним реакціям. Тварини, що світяться, трап­ляються серед найпростіших, губок, кишечнопорожнинних, ра­коподібних, ісомах, голкошкірих, риб та оболонників.

Єдиної еволюційної лінії форм, що світяться, очевидно, немає. Здатність випромінювати світло (люмінесціювати) з’являлась незалежно у різних групах організмів. Іноді нелег­ко буває встановити, чи дійсно організм люмінесціює сам: ча­сто виявляється, що світло випромінюють бактерії, які жи­вуть у ньому. У деяких тропічних риб під очима знаходяться органи, що світяться. У них живуть люмінуючі бактерії. Бактерії випромінюють світло безперервно, тимчасом як риби мають чорну перетинку, на зразок повік, якою вони можуть прикривати орган, що світиться, щоб «вимикати» світло.

Ніхто не знає, як бактерії накопичуються в органі, що світиться, проте вони якимось чином потрапляють туди після виведення кожної нової істоти з ікринки.

В одного з видів креветок такий орган оснащений лінзами, рефлекторами та світлофільтрами. Увесь механізм нагадує ліхтар.

Різні тварини випромінюють світло різних кольорів — чер­воне, зелене, жовте або блакитне. Уругвайський «залізничний черв’як» (личинка жука) примітний тим, що має ряд зелених «ліхтариків» обабіч тіла та двоє червоних — на передньому його кінці. Світло люмінуючих організмів належить до видимої ділянки спектра, ультрафіолетове та інфрачервоне випро­мінювання відсутнє. Біолюмінесценцію іноді називають «холод­ним світлом», оскільки вона супроводжується виділенням над­то малої кількості теплоти.

Світіння пов’язане з ферментативною реакцією, що має свої особливості у різних організмів. Два компоненти системи, яка випромінює світло, дістали назву люциферину (субстрат) і люциферази (фермент), проте у тварин різних видів вони хімічно відрізняються. Реакція системи люциферин — люцифераза є особ­ливою формою окислення й відбувається тільки у присутності кисню. Можна екстрагувати люциферин та люциферазу з світ­лячків, змішати їх у пробірці й додати АТФ і одержати світіння. Енергію для цієї реакції постачає АТФ, і за певних умов кількість світла, що випромінюється, пропорційна кількості введеного АТФ. Таку систему можна використовувати для вимірювання вмісту АТФ у тканинних екстрактах.

Визначено, що біолюмінесценція світлячків пов’язана з пев­ними біохімічними процесами. Спочатку люцифераза (Е) реагує з відновленою формою люциферину (ЛН2) з утворенням про­міжного комплексу фермент — люциферил — аденозинмонофосфат (АМФ) та звільнюється пірофосфат (ФФ):

Е + ЛН2 + АТФ – Е-ЛН2-АМФ + ФФ.

Потім при наявності кисню Е-ЛН2-АМФ окислюється до Е—Л—АМФ (комплекс ферменту з оксилюциферином Л та аденозинмонофосфатом). Нарешті Е—Л—АМФ дисоціює на вільну люциферазу, люциферин та АМФ. У цій послідовності реакцій і відбувається перетворення хімічної енергії АТФ у світлову.

Яку користь приносить світіння організму, досі не з’ясовано. Можливо, у глибоководних тварин, котрі мешкають у вічній темряві, органи, що світяться, служать ознакою, за якою представ­ники цього виду пізнають одне одного. Не виключено, що світіння відіграє роль принади для поживи або перестороги для хижаків.

Ферменти

0

Автор: admin | Розділ: Біохімія | 27-12-2012

феоментиФерменти — це біологічні каталізатори. Всі ферменти — білки, синтезовані живими клітинами. За допомогою ферментів прискорюються у тисячі разів численні хімічні реакції.

Фермент

субстрат – продукт реакції

Фермент субстрат — продукт реакції Ферменти мають такі властивості:

всі вони глобулярні білки;

прискорюють реакцію, але самі у цій реакції не витрачаються;

досить мала кількість ферменту викликає перетворення великої кількості субстрату;

активність ферменту залежить від рН середовища, тем­ператури, тиску, від концентрації субстрату та самого фер­менту;

дія ферментів вибіркова, тобто один фермент майже завж­ди каталізує тільки одну реакцію.

Найбільш стійкою енергетичною формою існування вугле­цю є СO2, а водню — НO2, проте ні живі істоти, ні папір, ні бензин та решта органічних речовин не перетворюються на дим тому, що для початку реакції потрібна затрата енергії (для займання паперу досить енергії, яка виділяється запаленим сірником). Енергія, необхідна для того, щоб примусити суб­страти вступити у реакцію, називається енергією активації.

Ферменти, діючи як каталізатори, зменшують енергію ак­тивації, необхідну для початку реакції.

Сполучаючись із субстратом, фермент утворює ферментсубстратний комплекс.

Молекули більшості ферментів більші, ніж молекули тих суб­стратів, з якими вони зв’язуються. У ферментсубстратному комплексі у контакт із субстратом вступає невелика частина моле­кули ферменту, яка носить назву активного центру ферменту.

Ферменти мають досить високу специфічність. Е. Фішер у 1890 році висловив припущення, що така специфічність зумов­лена особливою формою молекули ферменту, яка точно відповідає формі молекули субстрату. Цю гіпотезу часто на­зивають гіпотезою «ключа та замка»: субстрат порівнюється з «ключем», який точно підходить до «замка» — ферменту.

При денатурації білкової молекули порушується структура активного центру, і фермент виявляється недієздатним, що може призвести до надто серйозних наслідків і навіть до загибелі організму. Ось чому необхідне підтримання постійності тем­ператури організму.

Вуглеводи

0

Автор: admin | Розділ: Біохімія | 23-12-2012

Вуглеводи, поряд із білками, — найбільш розповсюджені сполуки, що беруть участь у побудові клітини та використовуються у процесі її життєдіяльності. Поняття «вуглеводи» охоплює альдегіди та кетони багатоатомних спиртів, а також полімери цих сполук зі спільною формулою Сn2O)m.

Назва відображає той факт, що водень і кисень у молекулах вугле­водів присутні у тому ж співвідношенні, що і в молекулі води.

У біосфері вуглеводів більше, ніж усіх органічних сполук сукупності. У рослинному світі на них припадає 80—90 % всієї маси рослин. У тваринному організмі вміст вуглеводів становить близько 2 % маси тіла, проте значення цих речовин надто велике.

Вуглеводи — продукти, які під впливом енергії сонячного світла утворюються у зеленій рослині з СO2 та Н2O і дають поча­ток іншим органічним сполукам живих організмів. Функції вуг­леводів важливі й різноманітні.

Енергетична. Окислюючись у процесі клітинного дихання, вуг­леводи вивільняють закладену в них енергію, забезпечуючи знач­ну частину енергетичної потреби організму.

Пластична. Вуглеводи беруть участь у синтезі багатьох най­важливіших для організму речовин: нуклеїнових кислот, амі­нокислот, ліпідів.

Захисна. Вуглеводи — основні компоненти оболонок рос­линних клітин, вони беруть участь також у побудові зовнішнього скелета членистоногих (хітиновий покрив).

Опорна. Целюлоза та інші полісахариди оболонок рослинних клітин не тільки захищають клітини від зовнішніх впливів, а й створюють міцний стовбур (стебло) рослини, його механічні та опорні тканини.

Вуглеводи зазвичай підрозділяють на моносахариди, олігосахариди та полісахариди.

Моносахариди — це прості цукри. Прикладами їх можуть слугувати глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза та ін. У молекулі моносахариду може бути від трьох до дев’яти атомів карбогену, але найбільш розповсюджені 5- та 6-вуглецеві моносахариди. Вони важливі як джерело енергії, а також як будівельні блоки для синтезу полісахаридів.

Олігосахаридами називають вуглеводи, які мають від двох до десяти ланок моносахаридів. Зв’язок між двома моносахаридами називається ґлікозидним. Олігосахариди, що складаються з двох моносахаридів, називаються дисахаридами. Серед найвідоміших дисахаридів можна назвати лактозу, яка міститься у молоці, надзвичайно розповсюджену в рослинному світі цукро­зу, а також продукт часткового гідролізу крохмалю у рослинах — мальтозу.

лактоза і мальтоза

Основна маса вуглеводів, які трапляються у природі, пред­ставлена високомолекулярними сполуками — полісахарида­ми, що містять більше десяти моносахаридних ланок. Ці спо­луки відіграють головним чином роль резерву їжі та енергії (крохмаль та ґлікоґен) й, окрім того, використовуються як будівельний матеріал (целюлоза).

Крохмаль, полімер ґлюкози, є резервною поживною речови­ною рослин і перебуває у вигляді різних за формою та розміром крохмальних зерен у рослинах різних видів.

Крохмаль знаходить широке застосування у медицині та у ба­гатьох галузях промисловості (харчовій, шкіряній, паперовій, фармацевтичній та ін.). У промислових масштабах його одержу­ють із бульби картоплі та зерен кукурудзи. .Картопля містить у середньому 15—25% крохмалю у розрахунку на сиру масу, на­сіння окремих зернових культур — 40—60%.

Ґлікоґен — головний енергетичний та вуглеводний резерв людини й тварин. Особливо великий його вміст у печінці (до 10%) та м’язах (до 4 %). Трапляється він у грибах та мікроорганізмах. Ґлікоґен також є полімером ґлюкози, але з більш розгалуже­ним, ніж у крохмалю, ланцюгом мономерів.

При нестачі кисню в організмі запаси ґлікоґену утилізуються за анаеробним (без участі кисню) механізмом. Потреба у гліко­гені зростає, наприклад, при великих фізичних навантаженнях (зокрема, у спортсменів). Продуктом метаболізму ґлікоґену є молочна кислота.

Молекули целюлози, крохмалю та ґлікоґену побудовані з од­накових мономерних ланок, але зв’язок між сусідніми ланками у цих полімерах здійснюється різними способами.

Целюлоза — структурний полісахарид, що найчастіше трап­ляється у рослинному світі. На неї припадає близько 50 % всьо­го органічного вуглецю біосфери. Вона має дуже велике прак­тичне значення для господарчої діяльності людини, становлячи основну масу бавовняних тканин, паперу, штучного шовку, дея­ких пластмас та вибухових речовин

глікозидний зв'язок.

 

Вода

0

Автор: admin | Розділ: Біохімія | 16-12-2012

Найважливішою неорганічною сполукою є вода: немає жод­ного з існуючих організмів, який міг би обходитись без води. Вміст її у клітинах різноманітних живих структур коливаєть­ся від 40 % (рослини, жирова тканина) до 99 % (медуза).

Чому саме вода є найважливішою хімічною сполукою у живих організмах? Що ви з цього приводу думаєте?водневий зв'язок

Велика кількість води у живих організмах пояснюється тим, що вона бере участь практично в усіх процесах життєдіяльності. Необхідний вміст води підтримується переважно за рахунок над­ходження її ззовні з їжею (для людини приблизно 2-3 л на добу).

Які ж властивості води створюють їй можливість виконувати численні функції в живих організмах?

Вода — найкращий розчинник із відомих рідин. У ній розчинюються всі необхідні живому організмові сполуки (органічні та мінеральні речовини, гази). Властивості води як розчинника зумовлені особливостями її молекулярної струк­тури. Якщо енергія притягання молекул води до молекул якої-небудь речовини більша, ніж енергія притяган­ня внутрішніх молекулярних структур, то речовина розчинюється. Її молекули або іони набувають можливості рухатись вільніше, а реакційна здатність підвищується. З цієї причини більшість біохімічних реакцій відбувається у водному середовищі. Проте у воді можуть розчинятися тільки полярні гідрофільні (від гр. hydor — вода та philia — любов) речовини. Гідрофобні (hydor — вода та phobos — страх) речовини, такі, як ліпіди, у воді не розчиняються і тому можуть розділяти окремі ділянки всередині клітини (такі ділянки називаються компартментами) або цілі клітини. Як побачимо далі, всі біомембрани складаються з ліпідів та гідрофобних білків. Як чудовий розчинник, вода здатна виконувати також транспортну функцію. Згадаймо хоча б рух речовин по ксилемі та флоемі рослин.

Вода має високу теплопровідність. У цьому її виняткове значення при розподілі тепла по організму під час екзотермічних процесів. Завдяки цьому температура всього тіла тепле кровних тварин практично однакова, а перепади її зводяться до мінімуму.

Вода має високу температуру кипіння. Ця властивість робить можливим існування живих організмів у земних умовах (температура на поверхні Землі рідко сягає 1000С).

Воді властива велика теплота випаровування: випаровуйчись, вона охолоджує тіло, з якого випаровується. Така властивість активно використовується тваринами (потовиділення теплова задишка) та рослинами (транспірація) для охолодження.

Вода має максимальну густину при 4 °С. Таким чином тверда вода (лід) легша від рідкої, що має життєво важливе значення для організмів, котрі зимують у водоймищах (водоймища, вкриваючись льодом, не промерзають повністю).

Вода відрізняється великим поверхневим натягом. Ця властивість забезпечує, зокрема, збереження форми живи клітин, транспорт води судинами ксилеми рослин, можливіші існування деяких організмів на водній поверхні (ряска, водомірки та ін.).

На основі перелічених властивостей можна назвати основвРі біологічні функції води, яка є:

- розчинником біологічних молекул та іонів;

- регулятором теплового балансу в організмі;

виконує функції:

- транспортну;

- механічну, тобто сприяє збереженню внутрішнього тиску та форми клітин;

- метаболічну — як субстрат при синтезі та розпаді біоло­гічних речовин;

- електронодонорну — як джерело електронів при фото­синтезі.

Зі сказаного випливає, яку важливу роль відіграє вода у клітині, проте специфічні особливості живих організмів визна­чаються, передовсім, органічними сполуками, що входять до скла­ду їхніх клітин.

З простих органічних молекул, або мономерів, синтезуються макромолекули. Макромолекула — це велетенська молекула, побудована з багатьох одиниць, що повторюються; отже, вона є полімером. На біополімери припадає близько 90% су­хої маси клітин. Найважливіші біополімери — білки та нуклеї­нові кислоти, або так звані інформаційні полімери. Це означає, що у них спостерігається певна послідовність мономерів. Вугле­води не є інформаційними полімерами, а ліпіди — взагалі не полімерні молекули, хоч і здатні об’єднуватись між собою у величезні надмолекулярні комплекси.