Суть и значение обмена веществ

Обмен веществ в живой клетке (метаболизм), а также между клеткой и окружающей средой является одним из свойств живой материи и необходимым условием ее существования. В ходе обмена веществ обновляются субклеточные структуры (поддерживается состояние наименьшей энтропии системы), синтезируются сложные органические соединения для растущих клеток, поставляются необходимые для жизнедеятельности клетки вещества и энергия.

 

Обмен и превращение энергии

Химическая энергия питательных веществ, поглощенных гетеротрофными клетками или синтезированных автотрофными клетками, постепенно освобождается в катаболичных реакциях метаболизма и используется на различные процессы жизнедеятельности. При этом химическая энергия превращается в иные виды энергии. Центральным звеном в цепи ее использования и превращения является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Это нуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, соединенных энергоемкой связью, разрыв которой и приводит к высвобождению энергии.

Синтез АТФ из АДФ (аденозиндифосфорная кислота) путем присоединения неорганического фосфора носит название фосфорилирование. Этот процесс проходит в хлоропластах (фотосинтетическое фосфорилирование), в митохондриях и в цитоплазме (окислительное и субстратное фосфорилирование).

 

Ферменты и ферментный катализ

Обмен веществ в клетке был бы невозможен без участия биологических катализаторов – ферментов. Роль ферментов огромная. Они делают возможным протекание биохимических реакций, увеличивают скорость, определяют направленность и обеспечивают взаимосвязь превращений веществ в клетке. Через ферменты происходит регуляция процессов метаболизма.

Сущность ферментативного катализа состоит в снижении энергии активации биохимической реакции. Простые ферменты полностью состоят из белков. Сложные имеют небелковую часть – кофактор, которым могут быть коферменты (НАД⁺ и ФАД⁺), простетические группы (ФАД, ФМН) и ионы металлов. При изучении данного раздела следует уделить внимание механизму деятельности ферментов и роли в этом процессе активного центра. Важно понимать, как активность ферментов зависит от температуры, рН среды, концентрации ферментов и субстрата. Подробнее необходимо рассмотреть ферменты класса оксидоредуктаз, а также типы окислительно-восстановительных реакций, которые катализируются этими ферментами.

 

 

Синтез белка в клетке

Признаки и свойства клеток определяются характером обмена веществ, который, в свою очередь, зависит от состава белков-ферментов. Таким образом, через синтез белков реализуется наследственная программа клетки. Синтезу белков предшествует образование аминокислот. Этот процесс будет рассматриваться в разделе «Минеральное питание».

При самостоятельном изучении данного раздела подробно следует рассмотреть принципы кодирования наследственной информации на ДНК; уяснить, что собой представляет триплет и ген. Важным является понимание процессов транскрипции и трансляции, механизма, который обеспечивает синтез белка в соответствии с генетической программой. Также необходимо знать, какие субклеточные структуры участвуют в синтезе белка.

 

Регуляция метаболизма

Регуляторные механизмы поддерживают высокую упорядоченность и согласованность биохимических процессов, обеспечивают направленные изменения метаболизма клетки при ее развитии и адаптации к внешней среде. Работа всех регуляторных механизмов сводится в конечном итоге к регулированию скорости и направленности химических реакций путем изменения активности ферментов (ферментативная регуляция), а также их синтеза и разрушения. Регуляция метаболизма клетки лежит в основе функционирования систем более высокого уровня, в том числе генетической системы регуляции.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Почему некоторые органические соединения имеют название «аминокислоты»? Приведите формулу и расскажите о свойствах этих соединений.

2. Как построена молекула белка? Чем отличаются протеины и протеиды?

3. Назовите виды структур молекул белка, с помощью каких внутримолекулярных связей они образуются?

4. Назовите факторы, которые приводят к нарушению белковой структуры. Какие результаты это имеет для живой клетки и почему?

5. Назовите основные функции белка в клетке.

6. К какому классу органических соединений относятся, чем отличаются и какие функции выполняют моно-, олиго-, полисахариды? Приведите примеры.

7. Перечислите соединения класса липидов и покажите их роль в живой клетке.

8. Приведите формулу фосфолипидов и покажите гидрофильную и гидрофобную части молекулы. Какое значение имеют эти свойства при строении клеточных мембран?

9. Какие вещества объединяются под названием «фитонциды»? Их роль в жизни растений.

10. Назовите виды нуклеиновых кислот, места их локализации в клетке и функции. Чем они отличаются?

11. Как кодируется наследственная информация в молекуле ДНК, что такое триплет и ген?

12. Как реализуется записанная на ДНК информация? Процессы транскрипции и трансляции.

13. Приведите общую схему строения клетки. Назовите клеточные структуры и их функции.

14. Какие органические вещества входят в состав клеточной оболочки и зачем она нужна клетке? Чем отличается первичная и вторичная клеточная оболочка?

15. В настоящее время большое внимание уделяется изучению клеточных мембран, которые выполняют важные и разнообразные функции. Какие это функции?

16. Приведите изображение жидкостно-мозаичной модели мембраны и назовите вещества, которые входят в ее состав.

17. Какие изменения происходят в клетке при ее развитии?

18. Что такое «раздражимость»? Восприятие клеткой раздражающего воздействия и реакция на раздражение.

19. Что понимают под обменом веществ? Что такое метаболизм, какие направления метаболизма различают? Их характеристика.

20. Объясните суть авто- и гетеротрофных типов питания. Назовите примеры авто- и гетеротрофных клеток, тканей и органов растения.

21. К какой группе органических веществ относится АТФ? Ее химическое строение и роль в клетке.

22. Суть фосфорилирования. Назовите виды фосфорилирования АДФ, источники энергии и компоненты клетки, в которых осуществляется этот процесс.

23. Как называются небелковые части сложных ферментов и какое их назначение? Приведите примеры веществ, которые выполняют эту роль.

24. Почему большинство реакций в клетке не могут идти самопроизвольно и нуждаются в катализаторах? Как осуществляется ферментативный катализ?

25. Одним из свойств ферментов является специфичность их действия. Как это обеспечивается?

26. От каких факторов, как и почему зависит скорость ферментативной реакции?

27. Суть и основные типы окислительно-восстановительных реакций клетки. Класс и подклассы ферментов, катализирующих эти реакции.

28. Основные кофакторы дегидрогеназ и оксидаз, их химическая природа.

 

Водный обмен растений

Под водным режимом понимают совокупность процессов поглащения и транспирирования воды, а также перемещения ее по растению. Водный режим оказывает очень большое влияние на продуктивность растений, поэтому его регулирование с целью оптимизации является одной из первоочередных задач агротехники. Растениевод должен уметь правильно оценивать состояние водного режима. Это возможно только на основе глубокого понимания механизма поглощения, передвижения воды по растению и транспирации, а также зависимости этих процессов от экологических факторов.