Обмен веществ и АТФ
Метаболизм — единство двух процессов:
- Пластический обмен (ассимиляция, анаболизм) — синтез сложных веществ с затратой энергии: фотосинтез, хемосинтез, биосинтез белка.
- Энергетический обмен (диссимиляция, катаболизм) — расщепление веществ с выделением энергии, которая запасается в АТФ.
По способу получения органических веществ организмы бывают автотрофами (фототрофы — растения, цианобактерии; хемотрофы — нитрифицирующие бактерии, серобактерии, железобактерии) и гетеротрофами (животные, грибы, большинство бактерий). Хемосинтез открыл С. Н. Виноградский (1887): энергия берётся от окисления неорганических веществ (аммиака, сероводорода, соединений железа).
Энергетический обмен: три этапа
| Этап | Где | Что происходит | Энергия |
|---|---|---|---|
| Подготовительный | пищеварительный тракт, лизосомы | полимеры → мономеры (крахмал → глюкоза, белки → аминокислоты) | вся рассеивается в виде тепла |
| Бескислородный (гликолиз) | цитоплазма | глюкоза → 2 молекулы ПВК (пировиноградной кислоты) | 2 АТФ |
| Кислородный (клеточное дыхание) | митохондрии: матрикс и кристы | 2 ПВК + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O | 36 АТФ |
При нехватке кислорода ПВК превращается в молочную кислоту (в мышцах, у молочнокислых бактерий) или в этиловый спирт и CO2 (спиртовое брожение у дрожжей). Выход — только 2 АТФ.
Пример (задача 27 ЕГЭ). В диссимиляцию вступило 10 молекул глюкозы. Сколько АТФ образуется при гликолизе и при полном окислении?
Гликолиз: 10 × 2 = 20 АТФ, образуется 20 ПВК. Полное окисление: 10 × 38 = 380 АТФ. Кислорода потребуется 10 × 6 = 60 молекул, CO2 выделится тоже 60.
Фотосинтез: две фазы
Фотосинтез идёт в хлоропластах: 6CO2 + 6H2O → (свет, хлорофилл) → C6H12O6 + 6O2.
| Световая фаза | Темновая фаза (цикл Кальвина) | |
|---|---|---|
| Где | мембраны тилакоидов (граны) | строма хлоропласта |
| Нужен ли свет | да | нет, но идёт и на свету |
| Процессы | возбуждение хлорофилла, фотолиз воды, выделение O2, синтез АТФ, восстановление НАДФ+ до НАДФ·Н | фиксация CO2, синтез глюкозы за счёт энергии АТФ и водорода НАДФ·Н |
| Продукты | O2 (побочный), АТФ, НАДФ·Н | глюкоза, затем крахмал |
ДНК, РНК и генетический код
| Признак | ДНК | РНК |
|---|---|---|
| Сахар | дезоксирибоза | рибоза |
| Азотистые основания | А, Т, Г, Ц | А, У, Г, Ц |
| Строение | две антипараллельные цепи, двойная спираль | одна цепь |
| Где | ядро, митохондрии, пластиды | ядро, цитоплазма, рибосомы |
Пример. В ДНК 20% адениловых нуклеотидов. Сколько цитидиловых?
Т = А = 20%, на Г + Ц остаётся 100 − 40 = 60%, значит Ц = 30%.
Свойства генетического кода: триплетность (аминокислоту кодируют 3 нуклеотида); однозначность (триплет кодирует только одну аминокислоту); вырожденность (одну аминокислоту могут кодировать несколько триплетов); универсальность (код един для всех организмов); неперекрываемость и непрерывность. Всего 64 триплета: 61 кодирует 20 аминокислот, 3 — стоп-кодоны (УАА, УАГ, УГА). Старт-кодон АУГ кодирует метионин.
Проверь себя. В молекуле ДНК 30% гуаниловых нуклеотидов. Сколько процентов тимидиловых?
Ответ: 20
Биосинтез белка
- Транскрипция (в ядре): фермент РНК-полимераза строит иРНК по одной цепи ДНК (транскрибируемой) по принципу комплементарности.
- иРНК выходит через поры ядра в цитоплазму и связывается с рибосомой.
- Трансляция (на рибосоме): тРНК приносят аминокислоты; антикодон тРНК комплементарен кодону иРНК; между аминокислотами образуются пептидные связи.
- Когда рибосома доходит до стоп-кодона, синтез заканчивается, белок отделяется.
Пример. Белок состоит из 100 аминокислот. Сколько нуклеотидов в иРНК и в гене, сколько тРНК участвовало в синтезе (без стоп-кодона)?
иРНК: 100 × 3 = 300 нуклеотидов. Ген — двуцепочечный участок ДНК: 300 пар = 600 нуклеотидов. Каждая тРНК приносит одну аминокислоту: 100 тРНК.