метаболизъм в клетката
Качествени характеристики на живата материя. Нива на организация на живота
Нарушаването на естествената структура на протеина се нарича денатурация. Възниква под въздействието на висока температура, химикали, лъчиста енергия и други фактори.
Ролята на протеина в живота на клетките и организмите:
изграждане (структурни) - протеини - строителният материал на тялото (черупки, мембрани, органели, тъкани, органи);
каталитична функция - ензими, които ускоряват реакциите стотици милиони пъти;
мускулно-скелетна функция - протеини, които изграждат костите на скелета, сухожилията; движение на камшичета, реснички, мускулна контракция;
транспортна функция - кръвен хемоглобин;
защитна - кръвните антитела неутрализират чужди вещества;
енергийна функция - при разграждането на протеините 1 g освобождава 17,6 kJ енергия;
регулаторни и хормонални - протеините са част от много хормони и участват в регулирането на жизнените процеси на тялото;
рецептор - протеините осъществяват процеса на селективно разпознаване на отделни вещества и тяхното прикрепване към молекулите.
Метаболизъм в клетката. фотосинтеза. Хемосинтеза
Предпоставка за съществуването на всеки организъм е постоянното снабдяване с хранителни вещества и постоянното освобождаване на крайните продукти от химичните реакции, протичащи в клетките. Хранителните вещества се използват от организмите като източник на атоми на химични елементи (предимно въглеродни атоми), от които се изграждат или обновяват всички структури. В допълнение към хранителните вещества, тялото получава също вода, кислород и минерални соли.
Органичните вещества, които влизат в клетките (или се синтезират по време на фотосинтезата), се разграждат на градивни елементи - мономери и се изпращат до всички клеткиорганизъм. Част от молекулите на тези вещества се изразходват за синтеза на специфични органични вещества, присъщи на този организъм. Клетките синтезират протеини, липиди, въглехидрати, нуклеинови киселини и други вещества, които изпълняват различни функции (изграждащи, каталитични, регулаторни, защитни и др.).
Друга част от нискомолекулните органични съединения, които влизат в клетките, отиват за образуването на АТФ, чиито молекули съдържат енергия, предназначена директно за извършване на работа. Енергията е необходима за синтеза на всички специфични вещества на тялото, поддържане на неговата високо подредена организация, активен транспорт на вещества в клетките, от една клетка в друга, от една част на тялото в друга, за предаване на нервни импулси, движение на организми, поддържане на постоянна телесна температура (при птици и бозайници) и за други цели.
В хода на трансформацията на веществата в клетките се образуват крайни продукти на метаболизма, които могат да бъдат токсични за организма и се отделят от него (например амоняк). Така всички живи организми непрекъснато консумират определени вещества от околната среда, трансформират ги и отделят крайни продукти в околната среда.
Съвкупността от химични реакции, протичащи в организма, се нарича метаболизъм или метаболизъм. В зависимост от общата насоченост на процесите се разграничават катаболизъм и анаболизъм.
Катаболизмът (дисимилация) е набор от реакции, водещи до образуването на прости съединения от по-сложни. Катаболитните реакции включват, например, реакциите на хидролиза на полимери до мономери и разделянето на последните до въглероден диоксид, вода, амоняк, т.е. реакции на енергиен метаболизъм, по време на които се извършва окисление на органични вещества и синтез на АТФ.
Анаболизъм (асимилация) -набор от реакции за синтез на сложни органични вещества от по-прости. Те включват например фиксиране на азот и биосинтеза на протеини, синтез на въглехидрати от въглероден диоксид и вода по време на фотосинтеза, синтез на полизахариди, липиди, нуклеотиди, ДНК, РНК и други вещества.
Синтезът на веществата в клетките на живите организми често се нарича пластичен метаболизъм, а разграждането на веществата и тяхното окисление, съпроводено със синтеза на АТФ, се нарича енергиен метаболизъм. И двата вида метаболизъм са в основата на жизнената дейност на всяка клетка и следователно на всеки организъм и са тясно свързани помежду си. От една страна, всички реакции на пластичен обмен изискват разход на енергия. От друга страна, за осъществяването на реакциите на енергийния метаболизъм е необходим постоянен синтез на ензими, тъй като техният живот е кратък. В допълнение, веществата, използвани за дишане, се образуват по време на пластичния метаболизъм (например по време на фотосинтезата).
Фотосинтеза - процесът на образуване на органична материя от въглероден диоксид и вода на светлина с участието на фотосинтетични пигменти (хлорофил в растенията, бактериохлорофил и бактериородопсин в бактериите). В съвременната физиология на растенията фотосинтезата по-често се разбира като фотоавтотрофна функция - набор от процеси на абсорбция, трансформация и използване на енергията на светлинните кванти в различни ендергонични реакции, включително превръщането на въглеродния диоксид в органични вещества.
Фотосинтезата е основният източник на биологична енергия, фотосинтетичните автотрофи я използват, за да синтезират органични вещества от неорганични, хетеротрофите съществуват благодарение на енергията, съхранявана от автотрофите под формата на химични връзки, освобождавайки я в процесите на дишане и ферментация. Енергията, получена от човечеството по време на горенетоизкопаемите горива (въглища, нефт, природен газ, торф) също се съхраняват в процеса на фотосинтеза.
Фотосинтезата е основният вход на неорганичен въглерод в биологичния цикъл. Целият свободен кислород в атмосферата е от биогенен произход и е страничен продукт от фотосинтезата. Образуването на окислителна атмосфера (кислородна катастрофа) напълно промени състоянието на земната повърхност, направи възможна появата на дишане и по-късно, след образуването на озоновия слой, позволи животът да излезе на сушата.
Хемосинтезата е метод на автотрофно хранене, при който източникът на енергия за синтеза на органични вещества от CO2 е окислението на неорганични съединения. Подобен вариант за получаване на енергия се използва само от бактерии. Явлението хемосинтеза е открито през 1887 г. от българския учен С.Н. Виноградски.
Трябва да се отбележи, че енергията, освободена в реакциите на окисление на неорганичните съединения, не може да се използва директно в процесите на асимилация. Първо, тази енергия се преобразува в енергията на макроенергийните връзки на АТФ и едва след това се изразходва за синтеза на органични съединения.
Железните бактерии (Geobacter, Gallionella) окисляват двувалентното желязо до фери.
Серните бактерии (Desulfuromonas, Desulfobacter, Beggiatoa) окисляват сероводорода до молекулна сяра или до соли на сярна киселина.
Нитрифициращите бактерии (Nitrobacteraceae, Nitrosomonas, Nitrosococcus) окисляват амоняка, който се образува по време на гниенето на органичната материя, до азотна и азотна киселина, които, взаимодействайки с почвените минерали, образуват нитрити и нитрати.
Тионните бактерии (Thiobacillus, Acidithiobacillus) са способни да окисляват тиосулфати, сулфити, сулфиди и молекулярна сяра до сярна киселина (честосъс значително намаляване на рН на разтвора), процесът на окисление се различава от този на серните бактерии (по-специално, че тионните бактерии не отлагат вътреклетъчна сяра). Някои представители на тионните бактерии са екстремни ацидофили (те могат да оцелеят и да се размножават, когато pH на разтвора падне до 2), те са в състояние да издържат на високи концентрации на тежки метали и да окисляват метално и двувалентно желязо (Acidithiobacillus ferrooxidans) и да извличат тежки метали от рудите.