Роль обмена веществ и энергии в жизни живых существ

13

1. Химический состав плодов и овощей

Плоды и овощи ценят за содержание крахмала и небольшого количества сахара - источник витаминов и минералов. Жира практически нет (0,5%) кроме орехов, белок до 1% и много воды, энергетическая ценность невысокая за счет воды.

Бобовые культуры содержат белков в зерне значительно больше, чем зерновые, но уступают им по количеству крахмала.

Белки - это органические высокомолекулярные соединения, состоящие из аминокислот. В молекуле белка аминокислоты соединены между собой пептидными связями. Разнообразие белков определяется последовательностью размещения остатков аминокислот в полипептидной цепи (первичная структура белка). Кроме того, существуют вторичная структура белка, характеризующая тип укладки полипептидных цепей (правая б-спираль, б-структура и в-изгиб), третичная структура белка, характеризующая расположение его полипептидной цепи в пространстве, и четвертичная структура, характеризующая белки, в состав которых входит несколько полипептидных цепей, связанных между собой нековалентными связями.

Масличные культуры (подсолнечник и лен) оцениваются по содержанию жиров в семенах. Следует отметить, что качество растительных жиров (масел) определяется соотношением в, них насыщенных и ненасыщенных жирных кислот.

Жиры являются сложными эфирами глицерина и высших жирных кислот. В состав жиров входят главным образом жидкие ненасыщенные кислоты (олеиновая, линолевая и линоленовая).

В зависимости от того, какой именно фрукт или овощ, количество воды колеблется от 40% до 95%.

2. Роль обмена веществ и энергии в жизни живых существ. Биологическое значение цикла Кребса

Обязательным условием существования любого организма является постоянный приток питательных веществ и постоянное выделение конечных продуктов химических реакций, происходящих в клетках организма.

Поступившие в организм в ходе питания органические вещества (или синтезированные в ходе фотосинтеза) расщепляются ферментами на строительные блоки - мономеры и направляются во все клетки организма. Часть молекул этих; веществ расходуется на синтез специфических органических веществ, присущих данному организму. В клетках синтезируются белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты и другие вещества, которые выполняют различные функции (строительную, каталитическую, регуляторную, защитную и т.д.).

Другая часть низкомолекулярных органических соединений, поступивших в клетки, идет на образование АТФ, в молекулах которой заключена энергия, доступная непосредственно для выполнения работы.

В ходе превращения веществ в клетках организма образуются конечные продукты обмена, которые могут быть токсичными для организма и поэтому выводятся из него (например, аммиак). Таким образом, все живые организмы постоянно потребляют из окружающей среды определенные вещества, преобразуют их и выделяют в среду конечные продукты.

Катаболизм (диссимиляция) - совокупность реакций, приводящих к образованию простых соединений из более сложных. К катаболическим относят, например, реакции гидролиза сложных полимеров до простых мономеров и расщепление последних до углекислого газа, воды, аммиака. К катаболичееким относят реакции энергетического обмена, в ходе которого происходит окисление органических веществ и синтез АТФ.

Анаболизм (ассимиляция) - совокупность реакций синтеза сложных органических веществ из более простых. Например, фиксация азота и биосинтез белка, синтез углеводов из углекислого газа и воды в ходе фотосинтеза, синтез полисахаридов, липидов, нуклеотидов, ДНК, РНК и других веществ. Синтез веществ в клетках живых организмов часто обозначают понятием пластический обмен, а расщепление веществ и их окисление с целью синтеза АТФ - энергетический обмен. Пластический и энергетический обмены составляют основу жизнедеятельности любой клетки, а, следовательно, и любого организма, и тесно связаны между собой Биология. / Н.П.Соколова, И.И.Андреева и др. - М.: Высшая школа, 1987..

Энергетический обмен - неотъемлемая и составная часть обмена веществ и энергии в живом организме, включающая процессы поглощения, запасания, передачи, трансформации, использования и выделения энергии. Любая живая клетка представляет собой активную, динамичную систему. Энергия необходима для осуществления любых проявлений жизнедеятельности. Она требуется для процессов химического синтеза, для всех видов движения (в том числе и мышечного), для передачи нервных импульсов. Энергия тратится и на процесс активного переноса веществ через плазматическую мембрану (в клетку и из клетки), причем на это расходуется весьма значительная часть энергетических ресурсов клетки. Энергия требуется также для образования тепла и поддержания постоянной температуры тела у птиц и млекопитающих и т.д. В организм энергия поступает из окружающей среды. Первичным источником ее для всего живого служит та часть солнечной радиации, которая называется видимым светом, улавливается зелеными растениями и в процессе фотосинтеза превращается сначала в электрохимическую, а затем в химическую энергию, запасаемую в органических продуктах фотосинтеза. Животные организмы, грибы, большинство бактерий и простейших не способны к фотосинтезу и поэтому целиком зависят (в смысле снабжения энергией) от веществ, синтезируемых растениями. Эта зависимость может быть прямой, как у травоядных, или непрямой, как у плотоядных, которые питаются другими животными, в том числе травоядными. Далее запасенная энергия переводится в форму, в которой она может использоваться растительными и животными клетками, клетками других организмов для выполнения какой-либо работы, например для синтеза необходимых клетке веществ, для обеспечения механических, электрических, осмотических и иных процессов. В конечном счете, сущность энергетического обмена в клетке (и организме в целом) сводится к покрытию ее энергетических потребностей за счет осуществления в ней широкого спектра химических, физических и физико-химических реакций и преобразований веществ.

Единый процесс энергетического обмена можно условно разделить на три последовательных этапа. Первый из них - подготовительный. На этом этапе высокомолекулярные органические вещества в цитоплазме под действием соответствующих ферментов расщепляются на мелкие молекулы: белки - на аминокислоты, полисахариды (крахмал, гликоген) - на моносахариды (глюкозу), жиры - на глицерин и жирные кислоты, нуклеиновые кислоты - на нуклеотиды и т.д. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде тепла.

Второй этап - бескислородный, или неполный. Образовавшиеся на подготовительном этапе вещества подвергаются дальнейшему ферментативному расщеплению без участия кислорода. Примером может служить гликолиз.

Продукт гликолиза - пировиноградная кислота - заключает в себе значительную часть энергии, и дальнейшее ее высвобождение осуществляется в митохондриях. Этот процесс также можно разделить на три основные стадии: 1) окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты, 2) цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса - далее); 3) заключительная стадам окисления - электронтранспортная цепь.

На первом этапе вначале высокомолекулярные органические вещества (полисахариды, липиды, белки, нуклеиновые кислоты и др.) под действием ферментов расщепляются на более простые соединения (глюкозу, высшие карбоновые кислоты, глицерол, аминокислоты, нуклеотиды и т.п.). Этот процесс происходит в цитоплазме клеток и сопровождается выделением небольшого количества энергии, которая рассеивается в виде тепла. Далее происходит ферментативное расщепление простых органических соединений.

Кислородный этап, таким образом, дает энергии в 18 больше, чем ее запасается в результате гликолиза Суворов А.В. Окислительно-восстановительные реакции. - М.: Школа-Пресс, 2003..

На первой стадии пировиноградная кислота взаимодействует с веществом, которое называют коферментом А (сокращенно его обозначают КоА), в результате чего образуется; ацетилкофермент А с высокоэнергетической связью. При этом от молекулы пировиноградной кислоты отщепляется молекула СО₂ (первая) и атомы водорода, которые запасаются в форме НАД * Н + Н⁺.

Вторая стадия - цикл Кребса (названный так в честь открывшего его английского ученого Ганса Кребса).

В цикл Кребса вступает ацетил-КоА, образованный на предыдущей стадии. Ацетил-КоА взаимодействует со щавелево-уксусной кислотой (четырехуглеродное соединение), в результате образуется шестиуглеродная лимонная кислота. Для этой реакции требуется энергия; ее поставляет высокоэнергетическая связь ацетил-КоА. Далее превращение идет через образование ряда органических кислот, в результате чего ацетильные группы, поступающие в цикл при гидролизе ацетил-КоА, дегидрируются с высвобождением четырех пар атомов водорода и декарбоксилируются с образованием двух молекул СО₂. При декарбоксилированни для окисления атомов углерода до СО₂ используется кислород, отщепляемый от молекул воды. В конце цикла щавелево-уксусная кислота регенерируется в прежнем виде. Теперь она способна вступить в реакцию с новой молекулой ацетил-КоА, и цикл повторяется. В процессе цикла используются три молекулы воды, выделяются две молекулы СО₂ и четыре пары атомов водорода, которые восстанавливают соответствующие коферменты (ФАД - флавинадениндинуклеотид и НАД). Суммарно реакция цикла может быть выражена следующим уравнением:

ацетил-КоА + ЗН₂О + ЗНАД+ + ФАД + АДФ + Н₃РО₄ > КоА + 2СО₂ + ЗНАД * Н + Н* + ФАД * Н₂ + АТФ.

Таким образом, в результате распада одной молекулы пировиноградной кислоты в аэробной фазе (декарбоксилирование ПВК и цикла Кребса) выделяется ЗСО₂, 4НАД * Н + Н⁺, ФАД * Н₂.

Суммарно реакцию гликолиза, окислительного декарбоксилирования и цикла Кребса можно записать в следующем виде:

С₆Н,₂О_б + 6Н₂0 + 10НАД + 2ФАД > 6СО₂ + 4АТФ + 10НАД * Н + Н⁺ + 2ФАД * Н₂.

Третья стадия - электронтранспортная цепь.

Пары водородных атомов, отщепляемые от промежуточных продуктов в реакциях дегидрирования при гликолизе и в цикле Кребса, в конце концов, окисляются молекулярным кислородом до Н₂О с одновременным, фосфорилированием АДФ в АТФ. Происходит это тогда, когда водород, отделившийся от НАД * Н₂ и ФАД * Н₂, передается по цепи переносчиков, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий. Пары атомов водорода 2Н можно рассматривать как 2Н⁺ + 2е ^- Именно в таком виде они и передаются по цепи переносчиков. Путь переноса водорода и электронов от одной молекулы переносчика к другой представляет собой окислительно-восстановительный процесс. При этом молекула, отдающая электрон или атом водорода, окисляется, а молекула, воспринимающая электрон или атом водорода, восстанавливается. Движущей силой транспорта атомов водорода в дыхательной цепи является разность потенциалов.

С помощью переносчиков ионы водорода Н⁺ переносятся с внутренней стороны мембраны на ее внешнюю сторону, иначе говоря, из матрикса митохондрии в межмембранное пространство Лемеза Н.А., Камлюк Л.В., Лисов Н.Д. Биология. - М.: Айрис-пресс, 2005..

При переносе пары электронов от НАД на кислород они пересекают мембрану три раза, и этот процесс сопровождается выделением на внешнюю сторону мембраны шести протонов. На заключительном этапе электроны переносятся на внутреннюю сторону мембраны и акцептируются кислородом.

Процесс образования АТФ в результате переноса ионов Н* через мембрану митохондрии получил название окислительного фосфорилирования. Он осуществляется при участии фермента АТФ-синтетазы. Молекулы АТФ-синтетазы располагаются в виде сферических гранул на внутренней стороне внутренней мембраны митохондрий.

В результате расщепления двух молекул пировиноградной кислоты и переноса ионов водорода через мембрану по специальным каналам синтезируется в целом 36 молекул АТФ (2 молекулы в цикле Кребса и 34 молекулы в результате переноса ионов Н⁺ через мембрану) Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. - М.:Медицина,1993. .

3. Учение о микроэволюции и видообразовании. Определение макро- и микроэволюции, их соотношение

Микроэволюция - эволюционные преобразования, происходящие в пределах популяций в сравнительно короткие промежутки времени (например, изменение частоты генов Ген - это участок молекулы ДНК (у многих вирусов РНК), кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной или рибосомной РНК. , гомо- и гетерозигот в популяции за несколько поколений). Иными словами, микроэволюция - это совокупность элементарных эволюционных явлений, направленно текущих в популяциях под влиянием различных эволюционных факторов.

Элементарное эволюционное явление - стойкое изменение генотипического состава популяции, т.е. совокупность необратимых генетических изменений, которые меняют эволюционные возможности популяции Популяция - это совокупность особей данного вида, в течение длительного времени (большого числа поколений) населяющих определенное пространство (часть ареала), внутри которой практически осуществляется свободное скрещивание и которая относительно изолирована от популяций этого же вида..

Такие генетические изменения могут возникнуть в результате действия различных эволюционных факторов и, в конце концов, сведутся либо к возникновению и распространению новых (ранее не существовавших в популяции) наследственных особенностей, либо к возникновению таких сочетаний генов, которые в сумме дадут совершенно новый результат в виде возникновения нового признака.

Микроэволюция, таким образом, - это процесс эволюционного преобразования популяций, приводящий к образованию внутривидовых форм и новых видов как конечного ее результата.

Макроэволюция - это процесс эволюционного преобразования и развития различных групп живых организмов на протяжении десятков и сотен миллионов лет. Иными словами, микроэволюция - это эволюционные преобразования живой природы на уровне выше видового (образование высших таксонов, новых органов и систем, вымирание отдельных групп и т.д.). В общем смысле макроэволюцией можно назвать развитие жизни на Земле в целом, включая и ее происхождение. Макроэволюционным событием считается также возникновение человека, по многим признакам отличающегося от других биологических видов. Между микро- и макроэволюцией нельзя провести резкую грань, потому что процесс микроэволюции, первично вызывающий изменение популяций (вплоть до видообразования), продолжается без какого-либо перерыва и на макроэволюционном уровне внутри вновь возникших форм.

Отсутствие принципиальных различий в протекании микро- и макроэволюционного процесса позволяет рассматривать их как две стороны единого эволюционного процесса, и применять для анализа процесса всей эволюции понятия, разработанные в теории микроэволюции, поскольку макроэволюционные явления (возникновение новых семейств, отрядов и других групп) охватывают десятки миллионов лет и исключают возможность их непосредственного экспериментального исследования.

Макроэволюция может осуществляться несколькими способами. Основной способ осуществления макроэволюции - дивергенция - расхождение признаков у родственных организмов. В основе дивергенции лежит экологическая дифференциация вида (или группы видов) на самостоятельные ветви. Различия между видами одной труппы в процессе эволюции, в силу изменения направления отбора, все более и более углубляются. Но вместе с тем сохраняется и определенная общность признаков морфофизиологической организации. Это свидетельствует о происхождении данной группы от общего родоначального предка. При дивергенции сходство между организмами объясняется общностью их происхождения, а различия - приспособлением к разным условиям среды.

Примером дивергенции форм является возникновение разнообразных по морфофизиологическим особенностям вьюрков от одного или немногих предковых видов на Галапагосских островах. Расхождение внутривидовых форм и видов по разным местообитаниям определяется конкуренцией за одинаковые условия, выход из которых и заключается в расселении их по разным экологическим нишам. Механизм дивергентной эволюции основан на действии элементарных эволюционных факторов, например внешних факторов.

4. Факторы защиты организма.

Важную роль в защите от проникших в организм человека чужеродных веществ играют лейкоциты или белые кровяные тельца. Они обеспечивают иммунитет - распознавание и нейтрализацию (разрушение, обеззараживание, удаление) генетически чужеродных веществ инфекционной и неинфекционной природы. Вещества, при попадании которых в организм человека или животных вызывается иммунная реакция, называются антигенами (бактерии, вирусы, чужеродные клетки, тканевые экстракты, биологические жидкости и др.).

В 1 мм³ крови взрослого человека содержится 6-8 тыс. лейкоцитов. Их подразделяют на две группы: зернистые (гранулоциты) и незернистые (агранулоциты). Зернистые лейкоциты представлены нейтрофилами (50-79% всех лейкоцитов), эозинофилами (1-5%), базофилами (0-0,5%). В группу незернистых лейкоцитов входят лимфоциты (20-40%) и моноциты (2-10%). У здоровых людей соотношение между типами лейкоцитов постоянно, его изменение служит признаком заболевания.

Одной из форм защиты организма является клеточный иммунитет. Он осуществляется путем фагоцитоза - поглощения лейкоцитами чужеродных частиц и их внутриклеточного переваривания. Явление фагоцитоза было открыто И.И. Мечниковым. Наибольшей фагоцитарной активностью обладают нейтрофилы, моноциты, эозинофилы. Другой путь клеточного иммунитета - разрушение чужеродных, злокачественных и клеток организма человека, инфицированных вирусом, осуществляют некоторые виды лимфоцитов (Т-хелперы).

Другой формой иммунитета является гуморальный, осуществляемый вырабатываемыми некоторыми видами лимфоцитов защитными белками - антителами. Лимфоциты образуются из стволовых клеток красного костного мозга и некоторые из них живут 20 и более лет.

В зависимости от происхождения выделяют наследственный и приобретенный иммунитеты.

Наследственный (генотипический) иммунитет передается по наследству в ряду многих поколений. Он устойчивый, однотипный для каждого вида, различается лишь степенью индивидуальной выраженности. У человека он обеспечивает абсолютную невосприимчивость ко многим болезням животных, а у животных - к болезням человека.

Приобретенный (индивидуальный) иммунитет вырабатывается в процессе естественной жизни или вызывается искусственным путем. Пассивной формой естественного приобретенного иммунитета является плацентарный и материнский. Он обеспечивается пассивно переданными антителами от матери плоду через плаценту или младенцу с молоком при грудном вскармливании. После рождения и прекращения вскармливания грудным молоком эта форма иммунитета через 1-1,5 месяца угасает. Активной формой приобретенного в естественных условиях жизни является постинфекционный, возникающий у человека в результате перенесения заболевания. Этот вид иммунитета осуществляется, антителами, вырабатываемыми В-лимфоцитами. Он сохраняется в течение многих лет, а нередко и всю жизнь.

Приобретенный искусственный иммунитет подразделяют также на активный и пассивный. Активный (поствакцинальный) иммунитет создается введением в организм человека вакцин, содержащих ослабленные или убитые возбудители болезни. Он вырабатывается примерно через две недели после вакцинации и сохраняется длительное время. Пассивный искусственный иммунитет создается через несколько часов после введения сывороток с содержащимися в ней антителами против возбудителя какого-либо заболевания (например, противостолбнячная сыворотка, против яда змей и др.). Эта форма иммунитета сохраняется не более месяца. Ею пользуются главным образом в лечебных целях Лемеза Н.А., Камлюк Л.В., Лисов Н.Д. Биология.- М.: Айрис-пресс, 2005..

Список литературы

1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. - М.: Медицина, 1993.

2. Биология. / Н.П. Соколова, И.И. Андреева и др. - М.: Высшая школа, 1987.

3. Лемеза Н.А., Камлюк Л.В., Лисов Н.Д. Биология. - М.: Айрис-пресс, 2005.

4. Суворов А.В. Окислительно-восстановительные реакции. - М.: Школа-Пресс, 2003.

5. Химия в быту и в производстве. / Под ред. Селиванова М.И. - М.: Химия, 2000.