Биохимические реакции в клетке происходят при участии чего
Биохимические реакции в клетке происходят при участии чего
Укажите факторы природной и социальной среды.
К факторам природной среды можно отнести климатические условия территории проживания, рельеф местности, растительный и животный мир.
К факторам социальной среды относят общество людей и созданные этим обществом средства производства и продукты потребления: предприятия промышленности, сферы услуг, транспорт, коммунальный блага.
Как возникла социальная среда и какие преимущества и проблемы она создала?
Человек обладая развитым мозгом, способностью к мышлению, прямохождением, членораздельной речью, сумел сознательным трудом преобразовать окружающий мир. Именно труд позволил человеку создать новые условия жизни — искусственную среду, которая удовлетворяла, как биологические так и социально — культурные потребности человека. Эту искусственную среду называют социальной, потому что она создавалась не одним человеком, а обществом (социумом), многими поколениями на протяжении всей истории человечества.
Но совершенствование искусственной среды, нерациональное использование ресурсов природы, развитие промышленности привело к возникновению проблем, связанных с ухудшением экологии. Промышленные и бытовые отходы, вредные выбросы заводов и фабрик, выхлопные газы машин загрязняют воздух, почву, источники пресной воды, что отрицательно влияет на состояние окружающей среды, подрывая здоровье людей, и пагубно влияет на окружающий растительный и животный мир.
Использование транспорта и различных технических средств приводит к гиподинамии — недостатку движения, что неблагоприятно действует на сердце, мышцы и другие органы. Пищевые добавки, удешевляющие производство продуктов или улучшающие их вкус, нередко вызывают заболевания, в частности аллергию.
Человечество должно осознавать, что для самосохранения себя и своих потомков, для обеспечения своего здоровья и качества жизни, оно должно жить в гармонии с природой и сводить у минимуму свое негативное воздействие на окружающую среду
Оформите в рабочей тетради таблицу, указав названия наук об организме, их предметы изучения и методы исследования
Рассмотрите рисунок 6. Назовите органоиды клетки и их функции.
На рисунке изображены следующие органоиды клетки:
1. Ядрышко — центр образования веществ необходимых для создания рибосом;
2. Ядро — содержит хромосомы, в которых расположены гены, определяющие наследственные признаки организма;
3. Эндоплазматическая сеть осуществляет направление потоков веществ внутри клетки;
4. Цитоплазма — объединение всех клеточных структур (компонентов) и обеспечение их химического взаимодействия. Она выполняет и другие функции, в частности, поддерживает тургор клетки.
5. Клеточная мембрана — транспортно — пропускная функция: пропуск в клетку одних веществ, и вывод из клетки других веществ
6. Митохондрия — процесс окисления органических веществ, с образованием молекул атф — главного источника энергии клетки;
7. Клеточный центр — играет важную роль при делении клетки
8. Рибосомы осуществляют синтез белка;
9. Лизосома разлагает сложные органические вещества на более простые составляющие.
10. Комплекс гольджи — сортирует и распределяет образовавшиеся внутри клетки молекулы или выводит их за ее пределы.
Укажите основные процессы клеточного обмена.
Обмен веществ и энергии — важнейшая функция живого организма и один из признаков жизни. К основным процессам клеточного обмена относят пластический и энергетический обмен.
Пластический обмен — это создание из питательных веществ поступивших в клетку белков, жиров, углеводов и накопление энергии, а так же удаление из клетки образовавшихся продуктов распада.
Энергетический обмен — это окисление сложных органических веществ (распад) с выделением энергии для нужд клетки.
Эти процессы пластического и энергетического обменов происходят одновременно, они тесно взаимосвязаны. Это две стороны единого процесса обмена веществ и энергии.
Какую функцию в обмене веществ выполняют ферменты?
Ферменты в процессе обмена веществ в клетке выполняют функции катализатора — вещества, способного в тысячи раз ускорять реакцию, масса которого до и после реакции практически не меняется, катализатор участвует лишь в промежуточных реакциях и в конце освобождается полностью. Этими свойствами обладают и ферменты. Каждый фермент способен ускорять лишь определенные превращения.
Раскройте роль молекул атф в клетке.
Органические вещества клетки подвергаются окислению в митохондриях, при этом образуются молекулы аденозинтрифосфата (атф), при распаде которых высвобождается энергия, нужная организму. Атф — это главный универсальный источник энергии, благодаря которому организм человека (да и вообще любой живой организм) способен существовать.
В чем проявляются свойства возбудимости мышечной клетки, мышечного волокна?
При возбуждении мышечные клетки сокращаются, вызывая сокращение волокон, на этой способности к сокращению при возбуждении, основана работа двигательных мышц тела и работа органов.
Опишите процесс деления клетки.
Перед делением количество хромосом находящихся в ядре клетки в клетке удваивается.
Дайте определение ткани, органа и системы органов.
Тканями называют группы клеток и межклеточного вещества, выполняющие общие функции и обладающие сходным строением. Из тканей состоят органы.
Орган — это обособленная совокупность различных типов клеток и тканей, выполняющая определённую функцию в живом организме.
Связанные между собой органы, объединенные общей работой, образуют систему органов.
Перечислите уровни организации организма.
Организм имеет многоуровневое строение: в нем различают клеточный, тканевый, органный, системный и организменный уровни. Нервная и эндокринная регуляторные системы объединяют все уровни организма, обеспечивая слаженную работу всех исполнительных органов и их систем.
Заполните в рабочей тетради таблицу.
Какие органы регулируются соматическим и вегетативным (автономным) отделами нервной системы? Какие органы составляют ее центральную и периферическую части?
Соматическим отделом нервной системы регулируется работа скелетных мышц, вегетативным (автономным) — деятельность внутренних органов и гладких мышц.
Центральная часть нервной системы включает спинной и головной мозг; периферическая нервы и нервные узлы.
Перечислите нейроны, составляющие рефлекторную дугу. Изобразите дугу мигательного рефлекса.
Рефлекторная дуга включает чувствительные, вставочные и исполнительные нейроны.
Раздражение рецепторов (1) вызывает поток нервных импульсов, направляющихся по дендриту (2) к телу чувствительного нейрона (3) и от него по аксону в продолговатый мозг.
Там возбуждение через синапсы передается вставочным нейронам (4). Информация обрабатывается головным мозгом, включая кору. Затем возбуждается исполнительный нейрон (5), возбуждение по аксону доходит до круговых мышц глаза (6) и вызывает мигание.
Какие органы принадлежат эндокринной системе?
Эндокринная система включает в себя:
1. Эндокринные железы: гипофиз (аденогипофиз и нейрогипофиз), щитовидную железу;
Околощитовидные (паращитовидные) железы, надпочечники, эпифиз;
2. Органы с эндокринной тканью: поджелудочную железу, половые железы (семенники и яичники);
3. Органы с эндокринными клетками: цнс (в особенности — гипоталамус), сердце, легкие, желудочно — кишечный тракт, почка, плацента, тимус, предстательная железа.
Как взаимодействуют нервная и гуморальная регуляции?
Нервная и гуморальная регуляции дополняют друг друга. Нервная и гуморальная регуляции дополняют друг друга. Нервная осуществляется быстро и направленно, гуморальная — медленнее, но зато охватывает много органов и систем. Вместе с вегетативной нервной системой гуморальная регуляция приводит в действие (или затормаживает) работу гладких мышц и внутренних органов.
Дополните предложения
1. Биохимические реакции в клетке происходят при участии ферментов.
2. Эндокринные железы регулируют внутренние органы, выделяя секреторную жидкость (секрет)
3. Скелетные мышцы регулируются только соматическим отделом нервной системы.
4. Гладкие мышцы регулируются вегетативным (автономным) отделом и секрецией эндокринных желёз.
Отметьте верные утверждения
2. На человека оказывает влияние как природная, так и социальная среда.
3. Человек не может сознательно влиять на процессы, происходящие в кишечнике.
4. Методы гигиены: клинические и физиологические наблюдения, лабораторный анализ факторов внешней среды.
6. Наибольшее сходство обнаруживается между человеком и человекообразными обезьянами.
Биохимические реакции в клетке происходят при участии чего
Все биологические процессы, происходящие в окружающем мире, по своей сути являются химическими реакциями. Первую химическую реакцию человек осуществил, когда разжег костер – это реакция горения. Первое антибактериальное применение продуктов брожения и величайшее открытие в области медицины совершил Нострадамус. Большинство из нас знает его как предсказателя, но его основная заслуга состоит в том, что он нашел способ борьбы с чумой с помощью уксусной кислоты. История свидетельствует, чума лишила Нострадамуса и первой семьи, и друзей. С тех пор он искал средство борьбы от страшной болезни. Найдя чудо-лекарство, исследователь переезжал из города в город, где появлялась чума, спасая множество жизней [1].
Первым биохимиком была клетка, которая научилась энергетическому обмену: научилась поглощать свет и выделять энергию, необходимую для жизнеобеспечения. Таким образом, первый биохимик – это и есть сама жизнь. Все процессы, которые протекают в клетках живого организма, – это биохимические реакции.
Название «углеводы» появилось из-за того, что многие представители данного класса имеют общую формулу: Сn(Н2О)m, где n и m >= 4. Известно множество углеводов, не соответствующих этой формуле, но несмотря на это термин «углеводы» употребляется и по сей день. Другое общепринятое название этого класса соединений – сахара.
Все углеводы можно разделить на четыре больших класса.
Моносахариды – это гетерофункциональные соединения, содержащие оксогруппу и несколько гидроксильных групп. Они не могут быть гидролизованы до более простых форм углеводов и являются структурной единицей любых углеводов, например, глюкоза, фруктоза, рибулоза, рамноза. Содержатся в различных продуктах: фрукты, мёд, некоторые виды вина, шоколад.
Олигосахариды – это соединения, построенные из нескольких остатков моносахаридов, связанных между собой гликозидной связью. Они делятся по числу моносахаридов в молекуле на дисахариды, трисахариды и т.д. К биологически активным производным олигосахаридов относятся некоторые антибиотики, сердечные гликозиды.
Дисахариды – это углеводы, которые при гидролизе дают две одинаковые или различные молекулы моносахарида и связаны между собой гликозидной связью, например, лактоза, сахароза, мальтоза. При гидролизе из дисахаридов образуется глюкоза.
Полисахариды – имеют общий принцип строения с олигосахаридами, за исключением моносахаридных остатков – полисахариды могут содержать их сотни и даже тысячи. Примеры: крахмал, гликоген, хитин, целлюлоза [2].
Для лучшего понимания реакций расщепления углеводов в организме, рассмотрим более подробно глюкозу, участвующую в этих процессах.
Глюкоза является одним из самых распространенных углеводов в природе, моносахарид, или гексоза С6Н12О6. Второе её название – виноградный сахар. Это растворимое в воде вещество белого цвета, сладкое на вкус. В молекуле глюкозы имеется четыре неравноценных асимметрических атома углерода (рис. 1):
Рис. 1. Строение молекулы глюкозы
Для такого соединения возможно 24 = 16 стереоизомеров, которые образуют 8 пар зеркальных оптических антиподов. Каждое из восьми соединений представляет собой диастереомер (диа – двойной) с присущими только ему физическими свойствами (растворимость, температура плавления и т.д.).
Глюкоза содержится в растительных и живых организмах. Велико ее содержание в виноградном соке, в меде, фруктах и ягодах, в семенах, листьях крапивы. Глюкоза повышает работоспособность мозга, благотворно влияет на нервную систему человека. Именно поэтому в стрессовых ситуациях люди иногда хотят чего-нибудь сладкого. Помимо этого, глюкоза применяется в медицине для приготовления лечебных препаратов, консервирования крови, внутривенного вливания и т.д. Она широко применяется в кондитерском производстве, производстве зеркал и игрушек (серебрение). Ее используют при окраске тканей и кож.
Биохимические реакции расщепления углеводов в организме человека
Для поддержания жизнедеятельности организма используется энергия, скрытая в химических связях продуктов питания. Во многих продуктах питания содержится значительное количество углеводов в виде полисахаридов (сахар, крахмал, клетчатка) и моноз (глюкоза, фруктоза, лактоза и др.). К примеру, в картофеле содержание крахмала составляет до 16 %, в рисе – 78 %, а в белом хлебе – 51 %.
Уже во рту человека начинается процесс расщепления углеводов. Происходит гидролиз крахмала под действием биологического катализатора – фермента амилазы, который содержится в пище. Под действием амилазы молекула крахмала расщепляется на довольно короткие цепочки, которые состоят из глюкозных звеньев. После этого углеводы попадают в желудок. Далее под действием желудочного сока заканчивается кислотный гидролиз крахмала. Крахмал распадается до отдельных глюкозных звеньев. Глюкоза попадает в кишечник и через стенки кишок поступает в кровь, разносящую её по всему человеческому организму.
Содержание глюкозы в крови поддерживается на постоянном уровне при помощи гормона инсулина, который выделяется поджелудочной железой. Инсулин полимеризует избыточную глюкозу в животный крахмал – гликоген, который откладывается в печени. Часть гликогена в печени может гидролизоваться в глюкозу, далее поступающую обратно в кровь. Это происходит при понижении содержания глюкозы в крови. Если поджелудочная железа не может вырабатывать инсулин, содержание глюкозы в крови повышается, что приводит к диабету. Именно поэтому людям, болеющим сахарным диабетом, необходимо регулярно вводить в кровь инсулин.
Молекула глюкозы, попадая в клетку организма, окисляется, «сгорает» с образованием воды и диоксида углерода. При этом выделяется энергия, необходимая организму для движения, согревания, осуществления различных физических нагрузок и т.д. Но биологическое окисление глюкозы похоже на обычное горение лишь по своим конечным результатам. Биологическое окисление – процесс медленный, многоступенчатый. Только малая часть высвобождаемой при окислении энергии превращается на каждой стадии данного процесса в тепло. Значительная доля энергии, заключенной в химических связях глюкозы, расходуется на образование других веществ, из которых важнейшее в биоэнергетике – аденозинтрифосфорная кислота C10H16N5O13P3 (АТФ). Это соединение состоит из трех частей – гетероцикла аденина, рибозы (сахара) и трех остатков фосфорной кислоты, образующей с рибозой сложный эфир (рис.2).
Рис. 2. Структура аденозинтрифосфорной кислоты
АТФ в клетках – универсальная энергетическая валюта. Множество ферментов умеют вести химические реакции, осуществляющиеся с затратой энергии, за счет гидролитического отщепления одного или двух остатков фосфорной кислоты от молекулы АТФ (этот процесс сопровождается выделением энергии), или наоборот, умеют использовать энергию, которая высвобождается в реакциях с выделением энергии для того, чтобы АТФ образовалась. Расщепляя АТФ, клетка использует высвобождаемую энергию на биосинтез различных соединений, а окисляя углеводы – синтезирует АТФ.
Первая стадия «сгорания» глюкозы в клетке – взаимодействие глюкозы с АТФ (рис. 3). При этом АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфат C10H15N5O10P2), а глюкоза – в 6-фосфат. Этот процесс фосфорилирования происходит под действием фермента гексокиназы за счет перенос остатка фосфорной кислоты (H3PO4) от фосфорилирующего агента – донора к субстрату:
Рис. 3. Взаимодействие глюкозы с АТФ
Следующий этап окисления – «рокировка» глюкозофосфата во фруктозофосфат, который происходит под действием фермента изомеразы (рис.4). Рокировка типа глюкоза–фруктоза делает доступным для фосфорилирования еще один гидроксил сахара (т.к. взаимодействовать с АТФ могут только краевые гидроксилы):
Рис. 4. Взаимодействие глюкозо-6-фосфата и фермента изомеразы
После второго фосфорилирования уже под действием другого фермента – фосфорфруктокиназы – получается в итоге фруктозо-1,6-дифосфат (C6H14O12P2 ) (рис.5):
Рис. 5. Взаимодействие фруктозо-6-фосфата и 6-фосфоруктокиназы
Фруктозо-1,6-дифосфат распадается на две части. Получается дигидроксиацетонфосфат ( C3H7O6P ) и глицеральдегид-3-фосфат ( C3H7O6P) (рис. 6).
Рис. 6. Распад Фруктозо-1,6-дифосфата
Клетке нужен только второй продукт, и она с помощью фермента изомеразы превращает первый фосфат во второй (чтобы не было отходов производства) (рис. 7).
Рис. 7. Превращение диоксиацетон-фосфата в глицеральдегид-3-фосфат
На данной стадии в реакцию вступают два соединения: глутатион – соединение, несущее меркаптогруппу SН и никотинамидаденинуклеотид (НАД). НАД легко присоединяет водород: НАД-Н2.
Далее развивается процесс, мало изученный в деталях, но описать его можно пока следующим образом. Под действием НАД и его восстановленной формы, фермента дегидрогеназы и фосфорной кислоты, глицеральдегид-3-фосфат превращается в смешанный ангидрид 3-фосфоглицериновой и фосфорной кислот (рис. 8).
Рис. 8. Превращение глицеральдегид-3-фосфата в смешанный ангидрид 3-фосфоглицериновой и фосфорной кислот
Всё это время энергия только поглощалась, так как АТФ переходил в АДФ. Теперь в реакции будет вступать АДФ, а в продуктах появится АТФ, и энергия будет выделяться. Так, под действием АДФ и фермента фосфоглицераткиназы образуется 3-фосфоглицериновая кислота (рис. 9).
Рис. 9. Образование 3-фосфоглицерата
В ней фермент фосфоглицеромутаза вызывает «рокировку» фосфатной группы в положение 2 (рис. 10).
Рис. 10. Превращение 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат
На полученный продукт воздействует фермент енолаза и АДФ – получается пировиноградная кислота (рис. 11, 12).
Рис. 11. Дегидратация 2-фосфоглицерата
Рис. 12. Перенос фосфорильной группы с фосфоенолпирувата на АДФ. Образование пирувата
Процесс превращения глюкозы в пировиноградную кислоту в клетке называется гликолизом [3]. В результате гликолиза клетка получает из одной молекулы глюкозы восемь молекул АТФ и две молекулы пировиноградной кислоты. Превращение глюкозы в пировиноградную кислоту является первой стадией, общей для нескольких процессов. То же самое происходит под действием дрожжей на раствор сахара. Но реакция не закачивается получением пировиноградной кислоты. От этой кислоты отщепляется (под действием фермента декарбоксилазы) молекула диоксида углерода и образуется уксусный альдегид, который, в свою очередь, атакуется ферментом дегидрогеназой и НАД-Н2. В результате при отсутствии кислорода получается этиловый спирт.
На самом деле уравнение этого сложного процесса выглядит довольно просто:
С6Н12О6 à 2С2Н5ОН + 2СО2
Это и есть процесс брожения. В мышцах НАД-Н2 восстанавливает пировиноградную кислоту в молочную. Это происходит при большой нагрузке, когда кровь не успевает подводить кислород в нужном количестве. Поэтому у спортсменов, пробежавших дистанцию, резко увеличивается в крови количество молочной кислоты [4].
Ферменты – это биологические катализаторы, имеющие белковую природу, помогающие ускорить химические реакции как в живых организмах, так и вне их. Ферменты обладают высокой каталитической активностью. К примеру, чтобы расщепить молекулу полиуглевода (крахмал, целлюлозу) или какой – либо белок на составные части, их нужно несколько часов кипятить с крепкими растворами щелочей либо кислот. А ферменты пищеварительных соков (пепсин, протеаза, амилаза) способны гидролизовать эти вещества буквально за несколько секунд при температуре 37 °С. Помимо этого, ферменты обладают избирательностью своего действия в отношении структуры субстрата, условий проведения реакции и её типа (фермент превращает только данный тип субстратов в определенных реакциях и условиях). Ферменты катализируют огромное количество реакций, протекающих в живой клетке при размножении, дыхании, обмене веществ и т.д. [5].
В современном понимании биохимическое расщепление углеводов – это метаболический процесс, при котором регенерируется АТФ, а продукты расщепления органического субстрата могут служить одновременно и донорами, и акцепторами водорода. Огромную роль в биохимических процессах играют микроорганизмы, ферменты и катализаторы. Считается, что анаэробный гликолиз (расщепление углеводов) был первым источником энергии для общих предков всех живых организмов до того, как концентрация кислорода в атмосфере стала достаточно высокой, и поэтому эта форма генерации энергии в клетках – более древняя. За очень редкими исключениями она существует и у всех ныне живущих клеток.
В настоящее время ученые считают, что все реакции биохимического расщепления углеводов на начальной стадии имеют общую схему вплоть до образования пировиноградной кислоты. Затем, в зависимости от условий и качества ферментов, из пировиноградной кислоты образуются конечные продукты реакции: спирты, кислоты (уксусная, лимонная, молочная, яблочная, масляная и т.д.), альдегиды, углекислый газ, водород, вода и пр.
Изучение биохимических реакций расщепления углеводов в организме человека и анализ использованных источников позволили сделать следующие выводы:
1. В общем виде схему механизма расщепления углеводов можно представить следующим образом: сложный углевод (дисахарид, полисахарид) à глюкоза à эфиры фосфорных кислот à глицериновый альдегид à глицериновая кислота à пировиноградная кислота à далее возможны любые упомянутые выше направления.
2. Биохимические реакции углеводов лежат в основе жизнедеятельности клеток живых организмов, в том числе и человека.
3. Биохимические процессы расщепления углеводов, которые изображаются простыми, на первый взгляд, уравнениями начальных и конечных продуктов, на самом деле представляют собой сложные и многоступенчатые процессы.
4. Для осуществления биохимических процессов необходимы ферменты и катализаторы, которые ускоряют реакции расщепления углеводов в тысячи раз.
Изучая сложнейшие процессы, происходящие в живой клетке, ученые задумываются: а нельзя ли, научившись у природы, провести в колбах и ретортах искусственные химические процессы, копирующие биохимические реакции? Начатые по инициативе академика Н.Н. Семенова, такие исследования в области «химической бионики» успешно ведутся в России и во всем мире [6].