Задачі на обмін речовин та енергії
в клітинах та організмі
Приклад розв'язку задачі
На роботу м'язів протягом 1 хв потрібно 20 кДж енергії. Людина працювала з таким навантаженням 1 год. Яка маса глюкози засвоїлась в м'язах, якщо половина її зазнала анаеробного, а половина - повного розщеплення?
Дано:
Витрати енергії - 20 кДж/хв;
t -1 година;
Половина глюкози зазнала анаеробного, а друга половина - повного розщеплення.
m ( С6Н12О6) - ?
Розв'язок
Визначаємо загальні витрати енергії за 1 год. роботи:
20 кДж/хв * 60 хв =1200кДж
Оскільки половина глюкози зазнала повного розщеплення, а друга - неповного, складаємо сумарні рівняння розщеплення глюкози:
С6Н12О6 + 6О2 + 38АДФ+38 Н3РО4 -- 6СО2+38АТФ+44 Н2О
180 1520 кДж
С6Н12О6 +2АДФ+2 Н3РО4 -- 2С3Н6О3+2 АТФ + 2Н2О
180 80кДж
180 г + 180г =360г С6Н12О6
1520кДж +80 кДж =1600кДж
Визначаємо масу глюкози, яка зазанала розщеплення під час роботи протягом 1 години:
360 г С6Н12О6 -- 1600 кДж
Х г С6Н12О6 --1200кДж
Х = (360г*1200кДж) / 1600 кДж = 270 г С6Н12О6
Відповідь. Засвоїлось 270 г глюкози.
Розв'яжіть самостійно
Бігун витратив 24 кДж енергії за 1 хв бігу. Яка маса глюкози потрібна для бігу з такою ж витратою енергії впродовж години, якщо протягом 50 хв відбувається повне розщеплення глюкози, а протягом 10 хв - безкисневе?
Дано:
Витрата енергії - 24 кДж/хв;
t1 = 50 хв (повне розщеплення)
t2 = 10 хв (неповне розщеплення)
m ( C6H12O6) - ?
Клітинний цикл. Мітоз. Мейоз. Амитоз
Переглянути презентацію
І ще одна презентація для закріплення
Органічні речовини організму
ЦЕ ЦІКАВО
Ще на початку XIII ст. було встановлено, що речовини, які містяться в соках
рослин та екстрактах тваринних тканин, мають однакову природу. Вперше почав
вивчати хімію білкових речовин Я. Бекаррі. У 1728 р. він виділів із пшеничного
борошна білок-клейковину і дослідив деякі його властивості. У той самий час
білки вивчав і французький учений А. Фуркруа. Він ґрунтовно дослідив білки
сироватки крові та назвав її три компоненти — желатин, альбумін, фібрин. У1839
р. голландський хімік Г. Мульдер назвав білки протеїнами (від гр. І рrоtоs — перший).
Білки
Білки — це високомолекулярні
сполуки, мономерами яких є амінокислоти. Відомо близько 50 тис. білків, кожен з
них складається з 20 основних амінокислот. Усі амінокислоти містять
карбоксильну групу — СООН, яка виявляє кислотні властивості, та аміногрупу — NH2, яка виявляє основні властивості.
Амінокислоти відрізняються одна від одної за будовою частин, які називають
радикалами та позначають літерою ї£. Загальна формула амінокислот:
У молекулі білка залишки молекул
амінокислот з’єднані один з одним за допомогою ковалентного пептидного зв’язку, який виникає між
карбоксильною групою однієї амінокислоти та аміногрупою іншої амінокислоти з
виділенням молекули води:
Сполука, що складається з двох
залишків амінокислот, являє собою дипептид. Завдяки наявності в дипептиді
карбоксильної групи та аміногрупи на кінцях молекули можливе приєднання до неї
інших амінокислот. Якщо у такий спосіб з’єднується більше 10
амінокислот, то
утворюється поліпептид.
Послідовність амінокислотних
залишків у поліпептидному ланцюгу називають первинною структурою білка. Вона
визначає всі властивості та функції білків. Вторинна структура виникає внаслідок
просторового укладання поліпептидного ланцюга і являє собою а-спіраль або β-складчатий шар. Вторинна структура
стабілізується водневими зв’язками між —СО- та —NH-групами двох пептидних зв’язків у межах одного
поліпептидного ланцюга (α-спіраль) або між двома
поліпептидними ланцюгами (β-структура). Вторинну α-структуру мають міозин та
тропоміозин — м’язові скоротливі білки, кератин — структурний білок дзьобу,
волосся, нігтів, копит, рогів, луски, пір’я, β-структуру
має фіброїн — білок шовку. Третинна структура білка являє собою тривимірне
укладання в просторі α-спіральних і β-структурних утворень у вигляді
сфер, або глобул (глобулярні структури, від лат. globules — кулька), чи у вигляді волокон (фібрілярні структури,
від лат. fibrilea — волоконце). Третинна структура
стабілізується чотирма типами зв’язків: водневими, дисульфидними (між атомами
Сульфуру, що входять до складу залишку амінокислоти цистеїну), іонними (між
зарядженими групами радикалів амінокйслот) та гідробофними взаємодіями між
радикалами неполярних амінокислот. При цьому білок ущільнюється таким чином,
щоб його гідрофобні бічні ланцюги були приховані всередині структури, тобто
захищені від стикання з водою, а гідрофільні бічні ланцюги обернені назовні.
Деякі білки (гемоглобін, велика
кількість ферментів вуглеводного обміну) складаються з кількох поліпептидних
ланцюгів, які називають субодиницями. У цьому разі після формування третинних
структур окремих субодиниць виникає четвертинна структура, що стабілізується
гідрофобними взаємодіями, а також іонними та водневими зв’язками.
Рис. 1. Рівні структури білків: 1 —
первинна, 2 — вторинна, З — третинна, 4 — четвертинна
Одна з основних властивостей білків
— здатність змінювати структуру під впливом певних факторів (високої
температури та тиску, дії хімічних сполук тощо), при цьому внаслідок розриву
водневих і іонних зв’язків порушується третинна та вторинна структура білка.
Процес порушення природної структури білка із збереженням його первинної
структури називають денатурацією. Внаслідок денатурації змінюються властивості
білка: знижується розчинність, втрачається біологічна активність тощо. У разі
припинення нетривалої дії факторів, що спричинили денатурацію, можливе
відновлення початкової структури білка. Це явище має назву ренатурації.
Функції білків
Функції білків
|
Приклади білків
|
Що виконує
|
|
Структурна
|
Білки є
складовою частиною біологічних мембран
|
||
Колаген
|
головний
компонент хрящів, сухожилків
|
||
Еластин
|
зв’язки
|
||
Осеїн
|
надає
пружності кісткам
|
||
Кератини
|
нігті,
пір’я
|
||
Скоротлива
(рухова)
|
Актин і
міозин
|
забезпечують
здатність м’язів до скорочення
|
|
Тубулін
|
входить
до складу мікротрубочок, джгутиків, війок
|
||
Захисна
|
Полягає у
запобіганні пошкодженням клітин, проникненню в організм сторонніх сполук,
хвороботворних мікроорганізмів
|
||
Імуноглобулін
|
антитіла
|
||
Фібриноген,
тромбопластин, тромбін
|
беруть
участь у процесах зсідання крові
|
||
Сигнальна
|
Передають
сигнали із зовнішнього середовища на інші ділянки мембрани або всередину
клітини
|
родопсин
|
|
Регуляторна
|
Гормони
|
інсулін,
глюкагон
|
|
Гістони
|
регуляція
активності геному
|
||
Транспортна
|
Гемоглобін
|
переносить
кисень
|
|
Енергетична
|
Енергетична
цінність білків 17,2 кДж
|
||
Запасаюча
|
Накопичують
запасну речовину
|
яєчний
альбумін, казеїн — білок молока
|
|
Каталітична
|
Ферменти
|
||
Ферменти є клітинними каталізаторами
біохімічних реакцій. Відомо понад тисячі ферментів. Основу ферменту становлять
білки, до них може приєднуватись небілкова частина (вітаміни, метали тощо).
Ферменти прискорюють біохімічні процеси в десятки, сотні разів. Ферменти мають
такі особливості:
1) каталізують лише певні реакції.
Кожна молекула ферменту здатна здійснювати від кількох
тисяч до кількох мільйонів операцій
за хвилину. У ході цих реакцій фермент не втрачає своєї структури і, отже,
своєї активності. Фермент просторово сполучається з речовинами, які вступають в
реакцію, прискорює їх перетворення і виходить з реакції незмінним;
2) каталітичну активність ферменту
зумовлює не вся його молекула, а лише її невелика ділянка — активний центр.
Активний центр геометрично відповідає структурі молекул речовин, які вступають
у реакцію. Це забезпечує просторове зближення молекул речовин, які вступають у
реакцію, та активного центру ферменту, які відповідають один одному як «ключ та
замок»;
3) внаслідок денатурації білка, що
входить до складу ферменту, його каталітична активність зникає, бо порушується
структура активного центру;
4) щоб фермент був активний,
потрібна певна кислотність середовища, тобто певна концентрація іонів
Гідрогену, і певна температура;
5) для ферментів як у клітині, так і
в організмі в цілому характерна закономірна локалізація, оскільки процес розщеплення
або синтезу будь-якої речовини в клітині або в організмі поділений на ряд
хімічних операцій, які закономірно йдуть одна за одною. Кожну з цих операцій
каталізує свій фермент. Група ферментів, які каталізують ланцюг таких хімічних
реакцій, є ніби своєрідним біохімічним конвеєром.
Вуглеводи
Хімічний склад вуглеводів відповідає
формулі Сn(Н2O)m, де n дорівнює трьом та більше. У клітинах тварин і людини
вміст вуглеводів незначний (близько 5 %). У клітинах рослин їх значно більше
(близько 90 %).
Залежно від кількості мономерів, що
входять до складу молекул, вуглеводи поділяють на моносахариди, олігосахариди
та полісахариди.
Моносахариди залежно від кількості
атомів Карбону поділяють на тріози (3 атоми), тетрози (4), пентози (5), гексози
(6). У природі найбільш поширені гексози (наприклад, глюкоза і фруктоза). Серед
пентоз важливе значення мають рибоза і дезоксирибоза, які входять до складу
нуклеїнових кислот та АТФ.
Олігосахариди — сполуки, що
складаються з 2-10 послідовно з’єднаних моносахаридів. Серед них найбільш
поширені дисахариди, які утворюються сполученням двох молекул моносахаридів
(наприклад, сахароза складається із залишків глюкози і фруктози; мальтоза —
лише з залишків глюкози). Дисахариди мають солодкий смак, добре розчинні у
воді.
Полісахариди — полімери, молекулярна
маса яких може сягати кількох мільйонів. Полісахариди відрізняються між собою
складом мономерів, довжиною та розгалуженістю ланцюгів. Полісахариди майже не
розчиняються у воді й не мають солодкого смаку.
Крохмаль — один із найпоширеніших
полісахаридів. Він синтезується в процесі фотосинтезу в клітинах рослин і
складається із залишків глюкози. Крохмаль у значній кількості відкладається в
клітинах рослин, насамперед листків, насіння, бульб тощо.
Целюлоза — міцний, волокнистий,
нерозчинний у воді полісахарид. Деревина, кора, бавовна складаються переважно з
целюлози.
Глікоген — запасний полісахарид у
грибів, тварин і людини. Він відкладається здебільшого в м’язах і клітинах
печінки.
Хітин — полісахарид, який входить до
складу клітинних стінок деяких грибів і зелених водоростей, кутикули
членистоногих.
Функції вуглеводів:
- енергетична. При розщепленні 1 г
вуглеводів вивільнюється 17,2 кДж.
- структурна. Вуглеводи входять до
складу опорних елементів організму (целюлоза, хітин).
- запасаюча. Вуглеводи можуть
відкладатись у клітинах у вигляді зерен (крохмаль, глікоген).
ЦЕ ЦІКАВО
Вуглеводи є основною складовою
частиною харчового раціону людини. Впродовж життя людина в середньому споживає
близько 14 тонн вуглеводів (що приблизно в 4 рази більше, ніж білків і жирів),
у тому числі більше 2,5 тонни простих вуглеводів. При змішаному харчуванні
вуглеводи забезпечують близько 60 % добової потреби в енергії, а решту — білки
й жири разом узяті. Вуглеводи в організмі використовуються переважно як джерело
енергії для м'язової роботи.
Потреба організму у вуглеводах тим
більша, чим інтенсивніше фізичне навантаження. При малорухливому способі життя
потреба у вуглеводах зменшується, тому їх споживання слід обмежити. Не
забуваймо, що легкозасвоювані вуглеводи, які містяться в хлібі, картоплі,
кондитерських виробах, перетворюються в організмі на жири. Це виснажує певну І
групу ферментів, що спричиняє порушення обміну речовин.
Ліпіди
Ліпіди (від грец. lіроs — жир) — органічні сполуки, нерозчинні у воді. Ліпіди
здатні утворювати складні сполуки з білками, вуглеводами, залишками фосфатної
кислоти тощо.
Властивості: нерозчинні у воді, але
добре розчинні в органічних розчинниках (бензині, хлороформі та ін.). Структурними одиницями молекул ліпідів можуть
бути прості карбонові ланцюги або замісники складних циклічних молекул.
Залежно від хімічної природи, ліпіди
поділяють на жири і ліпоїди (жироподібні речовини). Жири (триацилгліцероли, нейтральні
жири) є основною групою ліпідів. Являють собою складні ефіри триатомного спирту
гліцерину і жирних кислот або суміш вільних жирних кислот і тригліцеридів
(жирові включення або краплини жиру в клітинах діатомових водоростей, жирової
тканини свиней, тюленів, китів; рідкі жири (олії) в насінні льону, соняшника,
арахісу тощо).Трапляються в живих клітинах і вільні жирні кислоти:
пальмітинова, стеаринова, лінолева, рицинолева.
Ліпоїди — жироподібні речовини, до
яких належать фосфатиди, стероїди, різнівоски і воскоподібні сполуки, а також
жиророзчинні сполуки: пігменти (хлорофіли, каротини), вітаміни (A, D, Е, К).
Функції ліпідів:
— енергетична (у разі повного
окиснення 1 г жирів до вуглекислого газу і води виділяється 38,9 кДж енергії).
Джерело ендогенної води (при окисненні 100 г жирів виділяється 105 г води);
— структурна — основна
складова клітинних мембран;
— захисна — механічний
захист від ударів, тепло- і гідроізоляція;
— запасаюча — підшкірний
жир у ссавців, «жирове тіло» у комах.
Нуклеїнові кислоти
Нуклеїнові кислоти (від лат. nucleus — ядро) — біополімери, виявлені в
1869 р. в ядрі клітин. Мономерами нуклеїнових кислот є нуклеотиди — сполуки, що
складаються з залишків трьох речовин: моносахариду
(дезоксирибози в
молекулі ДНК, рибози в молекулі РНК), нітрогеновмісної основи та фосфатної
кислоти. Нітрогеновмісні основи є похідними пурину (аденін і гуанін) та
піримідину (цитозин, урацил, тимін).
Нуклеотиди умовно позначають
великими літерами відповідно до назв нітрогеновмісних основ: нуклеотид з аденіном — А (аденіловий), з
гуаніном (гуаніловий) — Г, з цитозином (цитйдиловий) — Ц, з урацилом
(уридиловий) — У, з тиміном (тимідиловий) — Т.
У полімерних ланцюгах нуклеотиди
з’єднані між собою фосфодіефірними зв’язками між фосфатною групою одного нуклеотиду та З’-гідроксигрупою моносахариду іншого нуклеотиду. Завдяки цьому на одному кінці
полінуклеотидного ланцюга міститься залишок фосфатної кислоти, приєднаний до
5’-гідроксигрупи моносахариду,
на іншому —
З’-гідроксигрупа моносахариду.
Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК)
утворена сполученням чотирьох видів нуклеотидів: аденілового, гуанілового,
тимідилового та цитидилового.
У 1950 р. американський учений Е.
Чаргафф виявив за допомогою рентгеноструктурного
аналізу такі
закономірності кількісного вмісту залишків нітрогеновмісних основ у молекулі
ДНК: кількість аденілових залишків у молекулі дорівнює кількості тимідилових (А
= Т), а кількість гуанілових залишків дорівнює кількості цитидилових (Г = Ц). Також рівні між собою суми: А + Г = Т + Ц.
У 1953 р. Джеймс Уотсон (американський біохімік) та Френсіс
Крік (англійський фізик) запропонували модель просторової структури ДНК.
Відповідно до цієї моделі молекула ДНК являє собою закручену праворуч спіраль
діаметром 2 нм, що складається з двох антипаралельних полінуклеотидних ланцюгів,
сполучених водневими зв’язками за принципом комплементарності
(від лат. соmрlеmеntum — доповнення): пуринова основа сполучається тільки з
піримідиновою, і навпаки, тобто аденін сполучається з тиміном (два зв’язки), а
гуанін — з цитозином (три зв’язки). Завдяки цьому послідовність основ одного
полінуклеотидного ланцюга чітко визначає їх послідовність у другому ланцюгу. Ця
властивість лежить в основі утворення нових молекул ДНК у процесі реплікації.
Установлення просторової структури
ДНК дозволило пояснити механізм запису генетичної інформації в молекулах ДНК.
За відкриття молекулярної структури ДНК
Д. Уотсон, Ф. Крік, М.
Уілкінс були удостоєні Нобелівської премії (1962 р.).
ДНК зберігає спадкову інформацію в
організмі та забезпечує її передачу дочірнім клітинам під час поділу
материнської.
В еукаріотичних клітинах ДНК
розміщена в ядрі, мітохондріях і хлоропластах.
Рибонуклеїнова кислота (РИК) —
одноланцюговий полінуклеотид, молекули якого мають уридиловий нуклеотид замість тимідилового. РНК розміщена
в ядрі, рибосомах, мітохондріях, хлоропластах і цитоплазмі. У клітинах є три
основні види РНК:
— матрична (або інформаційна) РНК
(мРНК або ІРНК) — це полінуклеотид, що являє собою матрицю, яку використовують
рибосоми при переведенні генетичної інформації з ДНК у вигляді послідовності
нуклеотидів в амінокислотну послідовність білків. Кожна мРНК кодує один або
кілька поліпептидних ланцюгів;
— транспортна РНК (тРНК) — це
полінуклеотид із специфічною конфігурацією. Кожній з амінокислот відповідає
одна чи кілька тРНК, які зв’язують цю амінокислоту, переносять до рибосоми і є «адаптером» при переведенні закодованої в мРНК
генетичної інформації в амінокислотну послідовність білків;
— рибосомні РИК (рРНК) беруть участь
у структурній організації рибосом (разом з білками є основним їх компонентом),
а також у виконанні рибосомами біосинтетичної функції.
РНК бере участь в процесі
трансляції. Трансляція — синтез поліпептидних ланцюгів. У цьому процесі
молекула іРНК рухається між двома субодиницями рибосом, і до неї послідовно
приєднуються молекули тРНК з амінокислотами. При цьому за принципом
комплементарності кодони ІРНК вступають у зв’язок з антикодонами тРНК.
Послідовність розташування амінокислот при цьому визначається порядком
чергування триплетів у молекулі ІРНК.
Аденозинтрифосфатна кислота (АТФ)
Аденозинтрифосфатна кислота (АТФ) —
універсальне джерело енергії, оскільки в її молекулі залишки фосфатної кислоти
з’єднані між собою високоенергетичними (макроергічними) зв’язками. При гідролітичному
відщепленні фосфатної групи від 1 моль АТФ вивільняється 40 кДж енергії та
утворюється АДФ, яка може піддаватися подальшому гідролізу з утворенням АМФ.
Вивільнена енергія використовується для здійснення різноманітних процесів:
транспорт речовин, синтез білка, м’язове скорочення тощо. У зворотньому
процесі, при утворенні АТФ з АДФ і неорганічного фосфату, відбувається акумуляція
в макроергічних зв’язках енергії, що виділилась, наприклад, під час розщеплення
вуглеводів і ліпідів або фотосинтезу.
Процеси розщеплення і утворення АТФ
відбуваються постійно відповідно до схеми:
Так, наприклад, у людини кожна
молекула АТФ розщеплюється і знову утворюється приблизно 2400 разів за добу.
Порівняння ДНК і РНК
Ознаки
|
ДНК
|
РНК
|
Мономери
|
Нуклеотиди
|
Нуклеотиди
|
Відмінності
у будові мономера:
|
||
а)
нітрогеновмісні основи
|
А,
Г, Ц, Т
|
А,
Г, Ц, У
|
б)
пентоза
|
дезоксирибоза
|
рибоза
|
Структура
|
Подвійна
спіраль (еукаріоти)
|
Один
ланцюг
|
Місце
перебування
|
Ядро,
мітохондрії, пластиди
|
Ядро, цитоплазма,
рибосоми, мітохондрії, хлоропласти
|
Розташування
у ядрі
|
Хромосоми
|
Ядерце
|
Немає коментарів:
Дописати коментар