Метаболизм
-
Метаболизм и его функции
- Метаболизм — совокупность химических реакций, поддерживающих жизнь в организмах.
- Основные функции: преобразование энергии, превращение пищи в строительные блоки, выведение отходов.
- Реакции катализируются ферментами, которые позволяют организмам расти и размножаться.
-
Классификация метаболических реакций
- Катаболические реакции расщепляют соединения, высвобождая энергию.
- Анаболические реакции образуют соединения, потребляя энергию.
- Метаболические пути организованы в последовательные этапы, каждый из которых катализируется ферментом.
-
Ферменты и их роль
- Ферменты позволяют организмам запускать желаемые реакции, требующие энергии.
- Ферменты регулируют скорость метаболических реакций в ответ на изменения в окружающей среде.
-
Основные биохимические вещества
- Аминокислоты, углеводы, нуклеиновые кислоты и липиды — ключевые биохимические вещества.
- Аминокислоты и белки участвуют в энергетическом метаболизме и клеточных процессах.
- Липиды выполняют структурные функции и используются для получения энергии.
- Углеводы хранят и транспортируют энергию, а также выполняют структурные функции.
- Нуклеиновые кислоты хранят и используют генетическую информацию.
-
Коферменты и их роль
- Коферменты — промежуточные продукты переноса групп, используемые в метаболизме.
- АТФ — центральный кофермент, передающий химическую энергию между реакциями.
- Витамины функционируют как коферменты, например, NAD+ как акцептор водорода.
-
Формы NAD+/NADH и NADP+/NADPH
- NAD+/NADH важен в катаболических реакциях
- NADP+/NADPH используется в анаболических реакциях
-
Минералы и кофакторы
- Неорганические элементы важны для обмена веществ
- Органические соединения содержат углерод и азот, кислород и водород
- Ионы поддерживают осмотическое давление и рН
- Переходные металлы присутствуют в виде микроэлементов
-
Катаболизм
- Катаболизм расщепляет крупные молекулы на более мелкие
- Организмы классифицируются по источникам энергии и углерода
- Животные используют сложные органические молекулы для получения энергии
-
Пищеварение
- Макромолекулы расщепляются на более мелкие части
- Ферменты расщепляют белки и полисахариды
- Аминокислоты и сахара поступают в клетки через транспортные белки
-
Энергия, получаемая из органических соединений
- Углеводы расщепляются на глюкозу и пируват
- Пируват превращается в ацетил-КоА и включается в цикл лимонной кислоты
- Жиры расщепляются на жирные кислоты и глицерин
- Аминокислоты используются для синтеза белков или окисляются до мочевины
-
Энергетические преобразования
- Окислительное фосфорилирование использует энергию электронов для производства АТФ
- Хемолитотрофия использует неорганические соединения для получения энергии
- Фотосинтез использует солнечный свет для получения энергии и фиксации углерода
-
Реакционные центры фотосинтеза
- Фотосинтезирующие бактерии имеют один тип реакционных центров, растения и цианобактерии — два.
- Фотосистема II использует световую энергию для удаления электронов из воды и высвобождения кислорода.
- Электроны направляются к комплексу цитохрома b6f, который перекачивает протоны через тилакоидную мембрану.
- Электроны проходят через фотосистему I и восстанавливают кофермент NADP+.
-
Анаболизм
- Анаболизм — это синтез сложных молекул из более мелких предшественников.
- Включает производство предшественников, их активацию и сборку в сложные молекулы.
- Автотрофы создают сложные молекулы из простых, гетеротрофы нуждаются в сложных веществах.
-
Фиксация углерода
- Фотосинтез расщепляет воду и образует кислород.
- В растениях и цианобактериях фиксация углерода осуществляется ферментом РуБисКО.
- У прокариот фиксация углерода может быть через цикл Кэлвина-Бенсона или карбоксилирование ацетил-КоА.
-
Углеводы и гликаны
- Глюконеогенез преобразует пируват в глюкозо-6-фосфат.
- У позвоночных жирные кислоты не могут быть преобразованы в глюкозу, поэтому вырабатываются кетоновые тела.
- Полисахариды образуются путем добавления моносахаридов к акцепторной гидроксильной группе.
-
Жирные кислоты, изопреноиды и стерол
- Жирные кислоты образуются из ацетил-КоА-звеньев.
- Терпены и изопреноиды образуются из изопентенилпирофосфата и диметилаллилпирофосфата.
- Биосинтез стеролов включает соединение звеньев изопрена в сквален и ланостерин.
-
Белки
- Организмы различаются по способности синтезировать аминокислоты.
- Аминокислоты соединяются в пептидные связи, образуя белки.
- Аминоацил-тРНК образуется из аминокислот и транспортной РНК.
-
Синтез и восстановление нуклеотидов
- Нуклеотиды образуются из аминокислот, углекислого газа и муравьиной кислоты.
- Пурины синтезируются из инозинмонофосфата, пиримидины — из оротата.
-
Ксенобиотики и окислительно-восстановительный метаболизм
- Ксенобиотики выводятся из организма с помощью ферментов.
-
Метаболизм ксенобиотиков
- Оксидазы цитохрома Р450, UDP-глюкуронозилтрансферазы и глутатион-S-трансферазы участвуют в метаболизме ксенобиотиков.
- Ксенобиотики окисляются, присоединяют водорастворимые группы и выводятся из клеток.
- В экологии эти реакции важны для биодеградации загрязняющих веществ.
-
Окислительный стресс
- Аэробные организмы подвержены окислительному стрессу из-за окислительного фосфорилирования и образования дисульфидных связей.
- Антиоксидантные метаболиты и ферменты удаляют вредные окислители.
-
Термодинамика живых организмов
- Живые организмы подчиняются законам термодинамики, поддерживая порядок, создавая беспорядок.
- Метаболизм связывает спонтанные процессы катаболизма с анаболизмом.
-
Регулирование и контроль метаболизма
- Метаболические пути регулируются для поддержания гомеостаза и взаимодействия с окружающей средой.
- Внутренняя регуляция включает аллостерическую регуляцию ферментов.
- Внешний контроль включает сигналы от других клеток через гормоны и факторы роста.
-
Эволюция метаболизма
- Основные пути метаболизма, такие как гликолиз и цикл лимонной кислоты, присутствуют у всех живых организмов.
- Эволюция может приводить к потере метаболических функций у паразитов и эндосимбиотических организмов.
-
Расследование и манипулирование метаболизмом
- Классические методы включают использование радиоактивных индикаторов и идентификацию ферментов.
- Современные методы используют геномные данные для реконструкции метаболических сетей.
- Метаболическая инженерия использует генетические модификации для улучшения биотехнологических процессов.
-
Происхождение термина «метаболизм»
- Термин «метаболизм» происходит от древнегреческого слова μεταβολή, означающего «изменение».
- Аристотель в «Частях тела животных» описал модель открытого потока метаболизма.
-
История изучения метаболизма
- Первые контролируемые эксперименты по изучению метаболизма человека были проведены Санторио Санторио в 1614 году.
- В 19 веке Луи Пастер открыл ферменты, катализирующие ферментацию сахара в спирт.
- Фридрих Велер в 1828 году синтезировал мочевину, что доказало, что органические соединения и химические реакции в клетках аналогичны другим химическим реакциям.
-
Развитие биохимии
- Открытие ферментов Эдуардом Бюхнером в начале 20 века отделило изучение химических реакций метаболизма от биологического изучения клеток.
- Ганс Кребс внес значительный вклад в изучение метаболизма, открыв цикл мочевины и другие метаболические пути.
- Современные биохимические исследования стали возможными благодаря разработке новых методов, таких как хроматография и ЯМР-спектроскопия.
-
Современные метаболические теории
- Современные метаболические теории включают антропогенный метаболизм, антиметаболиты, калориметрию и другие методы.
- Врожденные нарушения обмена веществ и гипотеза железосернистого мира также важны для понимания метаболизма.
-
Рекомендации и ресурсы
- Дальнейшее чтение и онлайн-книги доступны для углубленного изучения метаболизма.
- Ресурсы в вашей библиотеке и других библиотеках также доступны для изучения.