Что такое пластический обмен кратко
Пластический обмен или анаболизм: описание процесса, функции, основное значение
Что такое пластический обмен веществ
Пластический обмен — это процессы, происходящие в клетке, благодаря которым синтезируются высокомолекулярные органические вещества — белки, углеводы, гормоны, ферменты и др.
Для синтеза органических соединений требуется выделение энергии.
Пластический обмен имеет и другие названия — анаболизм, ассимиляция, биосинтез.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Назначение пластического обмена
Пластический обмен свойственен всем живым организмам. Он необходим для обеспечения клетки строительным материалом. Так, например, в процессе фотосинтеза образуется глюкоза, а синтез белков способствует образованию новых клеток, позволяет тканям организма расти.
Клетка нуждается в постоянном пополнении органических веществ. Они образуются в результате пластического обмена. Один из признаков анаболизма — превращение неорганических веществ в органические. Питательные вещества, которые поступают в клетку извне, перерабатываются и становятся источником энергии, то есть участвуют в энергетическом обмене.
Синтез белка
Белок — необходимый строительный материал для клетки. В молекулах белка содержатся аминокислоты, расположенные в определенном порядке. Информация об этом порядке находится в молекуле ДНК и зашифрована последовательностью нуклеотидов. Участки ДНК с наследственной информацией называются генами.
Синтез белка — это реакция, в процессе которой генетическая информация, заключенная в ДНК, отражается особой последовательностью аминокислот во вновь создаваемых белках.
Пластический обмен белков происходит в два этапа:
Необходимые для синтеза белка аминокислоты попадают в организм с пищей или синтезируются непосредственно в клетках.
Нарушения в последовательности нуклеотидов называют мутациями.
Синтез углеводов
Синтез углеводов — процесс образования глюкозы и гликогена, которые происходят в печени, почках и толстом кишечнике.
Главная характеристика углеводного синтеза — большие энергозатраты: при окислении 1 г углеводов выделяется 17,2 кДж ( 4,1 ккал) энергии.
Формирование глюкозы
Глюкоза образуется в организме из неуглеводных соединений, попадающих в кишечник вместе с пищей. Синтез протекает в цитозоле, митохондриях и экзоплазме, в которых содержатся специфичные для синтеза углеводов ферменты.
Синтез гликогена
Гликоген синтезируется из глюкозы в мышечной ткани и в печени. Синтез происходит в несколько этапов:
Уровень глюкозы в крови человека регулируется специальным гормоном инсулином. Его недостаток приводит к сахарному диабету.
Избыточное количество углеводов в пище превращается в жиры.
Синтез нуклеотидов и жирных кислот
Сущность синтеза жирных кислот, который происходит в цитоплазме жировой ткани, заключается в том, что молекула жирной кислоты увеличивается на 2 углеродных атома. Особенность процесса в том, что он цикличен.
Синтез нуклеиновых кислот и в том числе ДНК проходит во всех активных клетках организма. Из аминокислот и гидрокарбонат-ионов образуются азотистые основания. В основе синтеза лежит принцип матрицы — новые молекулы образуются на основе старых звеньев цепочки ДНК и других нуклеиновых кислот.
Значение пластического обмена веществ
Пластический обмен или анаболизм является неотъемлемой частью всего процесса обмена веществ в организме. Благодаря пластическому обмену происходит развитие и деление клеток организма. В результате ассимиляции происходит освобождение молекулы АТФ, чья энергия используется для проведения других химических реакций.
Пластический обмен
Пластический и Энергетический обмены
Пластический обмен
Пластический обмен — это совокупность реакций синтеза необходимых соединений (белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот) из веществ, которые попали в клетку, с поглощением энергии.
Биосинтез белков
Все живые организмы сохраняют наследственную информацию в молекулах нуклеиновых кислот в виде определенной последовательности нуклеотидов. Такая единая система сохранения называется генетическим кодом.
В полипептидной цепи каждый аминокислотный остаток кодируется определенной последовательностью из трех нуклеотидов – триплетом (комбинация из трех нуклеотидов дает возможность кодировать 4 3 = 64 типа аминокислот, то есть 20 основных).
Свойства генетического кода:
1) вырожденность – одну аминокислоту могут кодировать несколько разных триплетов. Большинство основных аминокислот (18 из 20) кодируется несколькими триплетами – от 2 до 6, лишь две (триптофан и метионин) – одним;
2) однозначность – каждый триплет кодирует лишь определенную аминокислоту;
3) универсальность – код единый для всех организмов, существующих на Земле. Одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты разных организмов;
4) неперекрываемость – генетическая информация может считываться лишь одним способом, в одном направлении.
Между генами существуют участки, которые не несут генетической информации. Они лишь отделяют одни участки от других, как «разделительные знаки». Их называют спейсерами (от англ. спейс – пространство). Каждый из трех триплетов (УАА, УАГ, УГА) означает прекращение синтеза одной полипептидной цепи. Они называются стоп-кодонами. Триплет АУГ определяет место начала синтеза следующей полипептидной цепи.
Этапы биосинтеза белков
В 50-х годах XX века был выяснен механизм этого процесса. Синтез белка включает несколько этапов: транскрипцию (синтез предшественника иРНК – про-иРНК), трансляцию (перенесение последовательности нуклеотидов в молекуле иРНК в последовательность аминокислотных остатков молекулы белка) и обособление белковой молекулы.
Транскрипция
Транскрипция (от лат. thranscriptio – переписывание). Фермент PHК-полимераза разъединяет двойную цепь ДНК. По принципу комплементарности на одной из них синтезируется молекула про-иРНК. Потом она с помощью специальных ферментов превращается в активную форму иРНК. Для этого из нее удаляются участки, лишенные генетической информации. Из ядра она может поступать в цитоплазму клетки.
Трансляция
Трансляция (от лат. translatio – передача). В цитоплазме с помощью ковалентной связи каждая из 20 аминокислот присоединяется к определенной тРНК, иРНК связывается с рибосомой. Рибосома надвигается на нитевидную молекулу иРНК таким образом, что она оказывается между двумя субъединицами. По принципу комплементарности транспортная РНК, которая переносит аминокислоту, взаимодействует с помощью своего триплета – антикодона с особым триплетом иРНК – кодоном. Первый кодон дает сигнал о начале синтеза полипептидной цепи.
Возникает инициативный комплекс, который состоит из триплета иРНК, рибосомы и определенной тРНК.
Благодаря последовательному соединению пептидными связями аминокислотных остатков между собой, полипептидная цепь удлиняется. Рибосома перемещается слева направо по иРНК и образует белковую молекулу. С помощью определенной тРНК каждая из аминокислот транспортируется к рибосоме и размещается в цепи.
В рибосоме есть особый участок, где происходит трансляция – функциональный центр. Его размеры отвечают длине двух триплетов. Вместе с тем в функциональном центре может находиться два соседних триплета иРНК. В одной его части антикодон тРНК узнает кодон иРНК, а в другой – аминокислота освобождается от тРНК.
Длина молекулы иРНК определяет количество рибосом, которые одновременно могут уместиться на ней. Молекула иРНК с нанизанными на нее рибосомами называется полисомой, или полирибосомой.
Процесс синтеза белка происходит с большой затратой энергии, которая выделяется при расщеплении АТФ. На присоединение к синтезированной полипептидной цепи одного аминокислотного остатка расходуется энергия, которая высвобождается при расщеплении одной молекулы АТФ.
Синтез белковой молекулы завершается, как только рибосома достигает стоп — кодона. Рибосома вместе с белковой молекулой оставляет иРНК. Молекула белка попадает в эндоплазматическую сеть и транспортируется к определенному участку клетки, а рибосома – на любую другую молекулу иРНК. Белок приобретает определенную пространственную конфигурацию, молекула белка становится функционально активной.
У эукариот и прокариот механизмы биосинтеза белка схожи. Различаются рибосомы. Размеры рибосом у прокариот меньше. Рибосомы прокариот похожи на рибосомы митохондрий и пластид.
Биосинтез углеводов
Автотрофные организмы синтезируют подавляющее большинство углеводов. Они образуют из углекислого газа и воды шестиуглеродные моносахариды (гексозы). В ограниченном количестве из других органических соединений углеводы синтезируются в клетках гетеротрофных организмов.
В результате ферментативных реакций полисахариды образуются из моносахаридов. Биосинтез моносахаридов происходит двумя путями:
1) характерный автотрофным организмам, ведет к восстановлению С02 глюкозу;
2) благодаря ряду реакций из соединений неуглеводной природы (пировиноградной и молочной кислот, глицерина, некоторых аминокислот) образуется глюкоза.
Биосинтез липидов
Запасной формой липидов в организме являются жиры. На жирные кислоты приходится около 90 % энергии, которая запасается в жирах. С участием специфических ферментов в клетках эукариот в цитоплазме происходит биосинтез жирных кислот. Процессы эти могут продолжаться в митохондриях и некоторых других органеллах.
Жиры синтезируются в клетках кишечного эпителия, в печени, подкожной клетчатке, легких и некоторых других органах. Есть ферментные системы в некоторых тканях, которые могут обеспечить образование жиров из углеводов, в частности глюкозы.
Биосинтез нуклеиновых кислот
Все живые организмы способны синтезировать нуклеотиды. Аминокислоты служат посредниками нуклеотидов, которые входят в состав нуклеиновых кислот.
Значительная часть азотистых оснований при расщеплении нуклеиновых кислот не распадается, а используется снова для синтеза нуклеотидов. Предшественники ДНК – дезоксирибонуклеотиды образуются путем восстановления (изъятия атома кислорода) рибозы до дезоксирибозы.
Биосинтез ДНК
В основе процесса лежит способность молекул ДНК к самоудвоению – репликации. Процесс репликации полуконсервативный, так как каждая из двух дочерних молекул ДНК имеет одну цепь от материнской молекулы, а вторую – синтезированную на первой. Для начала репликации двухцепочечная материнская молекула ДНК должна расплестись в определенной точке.
Фермент ДНК-полимераза катализирует синтез второй цепи дочерней молекулы ДНК. Цепи материнской молекулы ДНК разделяются из-за разрушения водородных связей. С участием фермента ДНК-полимераза по принципу комплементарности к нуклеотидам каждой материнской цепи присоединяются свободные нуклеотиды. Каждая из цепей становится матрицей для синтеза новой цепи дочерней молекулы ДНК. Каждая из дочерних молекул ДНК является точной копией материнской. У-подобная зона ДНК, где происходит репликация, называется репликационной «вилкой».
Вдоль матричной цепи размещаются в определенном порядке соответствующие одиночные нуклеотиды. Новая цепь ДНК синтезируется в виде коротких фрагментов, которые потом соединяются ковалентными связями под действием особого фермента. ДНК эукариот может удваиваться одновременно во многих точках ее молекулы.
Биосинтез РНК
Все виды РНК (иРНК, тРНК, рРНК) синтезируются ферментами РНК-полимеразами по принципу комплементарности на молекуле ДНК. Процесс синтеза молекулы РНК на матрице ДНК называется транскрипцией. Фермент РНК-полимераза во время синтеза РНК продвигается вдоль определенного участка молекулы ДНК и действует подобно застежке-молнии, разъединяя двойную спираль.
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:
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:
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:
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:
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:
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:
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:
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.
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:
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.