Процессы энергетического обмена в организме

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

Ведение

1. Цепи питания

2. Питание как основа жизнеобеспечения. Классификация организмов по способам получения питательных веществ

3. Способы проникновения питательных веществ в клетку

4. Роль энергии в жизни организмов. Энергия в организмах

5. Связь организма с окружающей средой

6. Этапы энергетического обмена

7. Связь различных живых организмов в обеспечении питательными веществами. Связь организмов друг с другом

8. Питательные вещества

9. Энергия

Заключение

питательный клетка энергетический белок



Введение

Организмы в природе связаны общностью энергии и питательных веществ. Всю экосистему можно уподобить единому механизму, потребляющему энергию и питательные вещества для совершения работы. Питательные вещества первоначально происходят из абиотического компонента системы, в который, в конце концов, и возвращаются либо в качестве отходов жизнедеятельности, либо после гибели и разрушения организмов.

Внутри экосистемы содержащие энергию органические вещества создаются автотрофными организмами и служат пищей (источником вещества и энергии) для гетеротрофов. Типичный пример: животное поедает растения. Это животное в свою очередь может быть съедено другим животным, и таким путем может происходить перенос энергии через ряд организмов - каждый последующий питается предыдущим, поставляющим, поставляющим ему сырье и энергию. Такая последовательность называется пищевой цепью, а каждое ее звено - трофическим уровнем.



1. Цепи питания

Ряд взаимосвязанных видов, из которых каждый предыдущий служит пищей последующему, носит название цепи питания. Можно сказать также, что пищевая цепь, или цепь питания, - это перенос энергии от ее источника - растений - через ряд организмов путем поедания одних видов другими. Таким образом, цепи питания - это трофические связи между видами (от греч. trophos - питание). В основе цепей питания лежат зеленые растения, которыми питаются насекомые и позвоночные животные, в свою очередь служащие источником энергии и вещества для построения тела потребителей второго, третьего и других порядков. Общая их закономерность в том, что количество особей, включенных в пищевую цепь, последовательно уменьшается, и численность жертв значительно больше численности их потребителей. Это происходит потому, что в каждом звене пищевой цепи, при каждом переносе энергии, 80-90% ее теряется, рассеиваясь в форме теплоты.Это обстоятельство ограничивает число звеньев в цепи (обычно из 3-5). В среднем из 1 тыс. кг растений образуется 100 кг тела травоядных животных. Хищники, поедающие травоядных, могут построить из этого количества 10 кг своей биомассы, а вторичные хищники только 1 кг. Например, человек съедает большую рыбу. Ее пищу составляют мелкие рыбы, потребляющие зоопланктон, который живет за счет фитопланктона, улавливающего солнечную энергию.

Таким образом, для построения 1 кг тела человека требуется 10 тыс. кг фитопланктона. Следовательно, масса каждого последующего звена в цепи прогрессивно уменьшается. Эта закономерность носит название правила экологической пирамиды. Различают пирамиду чисел, отражающую число особей на каждом этапе пищевой цепи, пирамиду биомассы - количество синтезированного на каждом уровне органического вещества и пирамиду энергии - количество энергии в пище. Все они имеют одинаковую направленность, различаясь в абсолютном значении цифровых величин. В реальных условиях цепи питания могут иметь разное число звеньев. Кроме того, цепи питания могут перекрещиваться, образуя сети питания. Почти все виды животных, за исключением очень специализированных в пищевом отношении, используют не один какой-нибудь источник пищи, а несколько). Чем больше видовое разнообразие в биоценозе, тем он устойчивее. Так, в цепи питания растения-заяц-лиса - всего три звена. Но лиса питается не только зайцами, но и мышами и птицами. Общая закономерность состоит в том, что в начале пищевой цепи всегда находятся зеленые растения, а в конце - хищники. С каждым звеном в цепи организмы становятся крупнее, они медленнее размножаются, их число уменьшается. Виды, занимающие положение низших звеньев, хотя и обеспечены питанием, но сами интенсивно потребляются (мышей, например, истребляют лисы, волки, совы). Отбор идет в направлении увеличения плодовитости. Такие организмы превращаются в кормовую базу высших животных без всяких перспектив прогрессивной эволюции.

В любой геологической эпохе с наибольшей скоростью эволюционировали организмы, стоящие на высшем уровне в пищевых взаимоотношениях, например в девоне - кистепрые рыбы - рыбоядные хищники; в каменноугольном периоде - хищные стегоцефалы. В пермском - рептилии, охотившиеся на стегоцефалов. На протяжении всей мезозойской эры млекопитающие истреблялись хищными рептилиями и только вследствие вымирания последних в конце мезозоя заняли господствующее положение, дав большое число форм.

Пищевые отношения - самый важный, но не единственный тип отношений между видами в биоценозе. Один вид может влиять на другой разными путями. Организмы могут поселяться на поверхности или внутри тела особей другого вида, могут формировать среду обитания для одного или нескольких видов, влиять на движение воздуха, температуру, освещенность окружающего пространства. Примеры связей, влияющих на местообитания видов, многочисленны. Морские желуди - морские ракообразные, ведущие сидячеприкрепленный образ жизни, нередко поселяются на коже китов. Личинки многих мух живут в коровьем навозе. Особенно большая роль в создании или изменении среды для других организмов, принадлежит растениям. В зарослях растений, будь то лес или луг, температура колеблется в меньшей степени, чем на открытых пространствах, а влажность выше.

Нередко один вид участвует в распространении другого. Животные переносят семена, споры, пыльцу растений, а также других более мелких животных. Семена растений могут захватываться животными при случайном соприкосновении, особенно если семена или соплодия имеют специальные зацепки, крючки (череда, лопух). При поедании плодов, ягод, не поддающихся перевариванию, семена выделяются вместе с пометом. Млекопитающие, птицы и насекомые переносят на своем теле многочисленных клещей.

Все эти многообразные связи обеспечивают возможность существования видов в биоценозе, удерживают их друг возле друга, превращая в стабильные саморегулирующиеся сообщества.

2. Питание как основа жизнеобеспечения. Классификация организмов по способам получения питательных веществ

Всем микроорганизмам для осуществления процессов метаболизма, обеспечивающих синтез соединений, из которых построена клетка, а также обеспечивающих расщепление веществ для получения энергии, необходимы питательные вещества.

В качестве питательных веществ и источника энергии микроорганизмы используют различные органические и неорганические соединения.

Процесс питания микроорганизмов имеет ряд особенностей: во - первых, поступление питательных веществ происходит через всю поверхность клетки, во - вторых, микробная клетка обладает исключительной быстротой метаболических реакций, в третьих, микроорганизмы способны довольно быстро адаптироваться к изменяющимся условиям среды обитания.

Разнообразие условий существования микроорганизмов обуславливает различные типы питания.

Обязательными элементами, входящими в состав основного соединения (белка) служат четыре органогена - кислород, водород, углерод и азот.

Источником водорода и кислорода для микроорганизмов служит вода. Вода необходима микробным клеткам и для растворения питательных веществ, так как они могут проникать в клетку только в растворенном виде.

Источником азота и углерода для большинства микроорганизмов являются различные химические соединения (органические и неорганические). Некоторые виды микроорганизмов способны усваивать элементарный азот непосредственно из воздуха, а углерод - из углекислоты.

По типам питания, в основе которых лежит источник азота и углерода, микроорганизмы подразделяются на две группы: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы (от греческого autos - сам, tropha - питание) способны синтезировать сложные органические вещества, используя для этого простые неорганические соединения. Источником углерода и азота для этих микроорганизмов являются углекислота и другие неорганические соединения углерода, молекулярный азот воздуха и аммонийные соли. За счет этих простых соединений автотрофные микроорганизмы синтезируют белки, жиры, углеводы, витамины, ферменты.

Среди автотрофов (прототрофов) есть хемосинтезирующие, которые получают энергию за счет химических реакций, они лишены фотоситетических пигментов и фотосинтезирующие микроорганизмы, получающие энергию солнечного света и содержащие хлорофилоподобные пигменты.

К автотрофам относится меньшая часть микроорганизмов, большая же часть из них является гетеротрофами.

Гетеротрофы (от греческого heteros - другой, tropha - питание) способны ассимилировать углерод только из органических соединений. Что касается источника азота, то здесь могут быть разные источники. Многие гетеротрофы усваивают азот из аммонийных соединений. Есть представители гетеротрофных микробов, которые в качестве источника азота используют аминокислоты, а некоторые (преимущественно патогенные виды) используют нативный (неизмененный) белок.

Среди гетеротрофов, также как и среди атотрофов есть хемосинтезирующие, получающие энергию за счет химических реакций и фотосинтезирующие, получающие энергию солнечных лучей.

Хемосинтезирующие гетеротрофы, подразделяются на хемоорганотрофы (паратрофы) и хемолитотрофы (метатрофы).

Гетеротрофы широко распространены в природе и играют очень важную роль в утилизации мертвых органических веществ растительного и животного происхождения. Они играют важную роль в разложении мертвых органических остатков в почве, в сточных водах, в открытых водоемах.

Такие гетеротрофные микроорганизмы называются сапрофитами (от греческого sapro - гнилой, phyto - растение) или метатрофами (живут за счет инертных органических веществ). Сапрофиты играют значительную роль в процессе минерализации мертвых органических соединений.

Большинство бактерий, дрожжей, плесеней, некоторые простейшие принадлежат именно к этой группе микроорганизмов.

В ходе эволюции в результате прогрессивных или регрессивных процессов (а может быть, тех и других) появились микроорганизмы (бактерии, простейшие, микоплазмы, вирусы и др.) способные существовать не только за счет мертвых органических остатков или продуктов обмена, но и в тканях и жидкостях живых растительных и животных организмов, осуществляя свое питание за счет активного белка высших организмов. Присутствие этих микроорганизмов может вызвать нарушение различных процессов и гибель животного или растительного организма.

Подобные микроорганизмы называют паратрофами или паразитическими (от греческого patogenes - способный вызвать заболевание). Среди них есть факультативные, условно - патогенные и облигатные паразиты. К облигатным (строгим внутриклеточным) паразитам относятся хламидии, риккетсии, вирусы.

Для обеспечения энергетических и биосинтетических потребностей микроорганизмов необходимо наличие в окружающей их среде питательных веществ.

Микроорганизмы используют питательные вещества только в виде относительно небольших молекул. Сложные органические вещества (белки, полисахариды, липиды и пр.) могут быть использованы как источник питания только после их предварительного гидролиза до более простых соединений.

Основным компонентом клетки, осуществляющим транспорт питательных веществ и выход из клетки продуктов метаболизма является цитоплазматическая мембрана.

В основе механизма питания микробной клетки лежат диосмотические процессы. Питательные вещества из растворов воспринимаются микробной клеткой путем осмоса через их полупроницаемую оболочку. Этим же путем, только в обратном направлении, происходит и выделение из клетки продуктов метаболизма.

Оболочка клетки непроницаема для коллоидов. Вещества коллоидной природы могут быть утилизированы только после предварительного гидролитического их расщепления при помощи ферментов, выделяемых микробами в окружающую среду. Так, крахмал могут усваивать только те бактерии, которые выделяют фермент амилазу, расщепляющий крахмал.

Накопление в клетках в результате синтетических процессов коллоидных белковых веществ, которые не имеют обратного выхода из клетки через оболочку, обуславливает рост микробных клеток и их последующее деление.

Главной движущей силой осмотических токов служит разница концентраций веществ между питательными растворами и содержимым клеток. Осмотические процессы, лежащие в основе питания, представляют достаточно сложное явление, в котором большую роль играют и электрические заряды ионов питательных растворов, элементов оболочки, содержимого клеток, физико - химическая структура соединений и целый ряд других факторов.

Благодаря постоянному притоку в клетку воды, ее коллоидные вещества находятся в состоянии разбухания, вследствие чего оказывают давление на оболочку, достигающее больших величин (у бактерий 3 - 6 атмосфер). Внутреннее осмотическое давление обуславливает тургор клеток.

В тех случаях, когда микробные клетки попадают в гипертонические растворы, они резко обезвоживаются, в результате чего их протоплазма сморщивается и отстает от оболочки. Это явление называется плазмолизом.

При обратном соотношении концентраций, когда микробы находятся в гипотонических растворах, клетки разбухают до крайних пределов и в конечном счете тоже погибают. Это явление называется плазмоптисом.

Питательные вещества проникают в клетку несколькими способами.

3. Способы проникновения питательных веществ в клетку

1. Пассивная диффузия, т.е. перемещение веществ через толщу мембраны, в результате чего выравниваются внутренняя концентрация веществ и осмотическое давление по обе стороны оболочки. Таким путем могут проникать питательные вещества, когда концентрация в среде значительно превышает концентрацию веществ в клетке.

2. Облегченная диффузия - проникновение питательных веществ в клетку с помощью активного переноса их особыми молекулами - переносчиками, называемыми пермеазами. Это вещества ферментной природы, которые локализованы на цитоплазматической мембране и обладают специфичностью. Каждая пермеаза адсорбирует соответствующее питательное вещество на наружной стороне цитоплазматической мембраны, вступает с ним во внутреннюю связь и диффундирует через мембрану, отдавая на внутренней стороне транспортируемое ею вещество в цитоплазму. Этот процесс совершается без использования энергии, так как перемещение веществ происходит от более высокой концентрации к более низкой.

3. Активный транспорт питательных веществ осуществляется также с помощью пермеаз, но этот процесс требует затраты энергии. В этом случае питательное вещество не может проникнуть в клетку, если концентрация его в клетке значительно превышает концентрацию в среде.

4. В ряде случаев транспортируемое вещество может подвергаться химической модификации, и такой способ переноса веществ получил название переноса радикалов или транслокации химических групп. По механизму передачи транспортируемого вещества этот процесс сходен с активным транспортом.

Выход веществ из микробной клетки осуществляется или в виде пассивной диффузии, или в процессе облегченной диффузии с участием пермеаз.

Разрушая клетки ткани хозяев и выделяя в окружающую среду продукты своего обмена веществ, микробы отравляют макроорганизм, обуславливая общую его интоксикацию.

4. Роль энергии в жизни организмов. Энергия в организмах

Главным условием жизни как отдельной клетки, так и организма в целом является обмен веществ и энергией с окружающей средой. Энергия необходима для осуществления множества различных жизненно важных процессов.

В клетке непрерывно идут процессы биологического синтеза, или биосинтеза. С помощью ферментов образуются сложные высокомолекулярные соединения: из аминокислот синтезируются белки, из моносахаридов - сложные углеводы, из азотистых оснований - нуклеотиды, а из них - нуклеиновые кислоты.

Разнообразные жиры и масла возникают путем химических превращений сравнительно простых веществ, источником которых служит остаток уксусной кислоты - ацетат. При этом биосинтетические реакции отличаются видовой и индивидуальной специфичностью. Например, клетки наружных покровов членистоногих синтезируют хитин - сложный полисахарид, а у наземных позвоночных - рептилий, птиц, млекопитающих - роговое вещество, основой которого является белок кератин. В конечном счете, структура синтезируемых крупных органических молекул определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК, т. е. генотипом. Синтезируемые вещества используются в процессе роста для построения клеток и их органоидов и для замены израсходованных или разрушенных молекул. Все реакции синтеза идут с поглощением энергии.

Большое количество энергии необходимо для построения органелл клетки и создания новых клеток при делении; активного транспорта веществ в клетку и из клетки; энергетической передачи нервных импульсов; сокращения мышц; поддержания постоянной температуры тела у птиц и млекопитающих и т. д. При этом живым организмам необходим постоянный приток энергии как для осуществления этих процессов, так и для восполнения неизбежных потерь энергии в виде тепла. Источником энергии в этих случаях служит расщепление органических веществ. Совокупность реакций расщепления высокомолекулярных соединений, сопровождающихся выделением энергии, называется энергетическим обменом, или диссимиляцией.

Запас органических веществ, расходуемых в процессе диссимиляции, должен непрерывно пополняться либо за счет пищи (животные), либо путем синтеза из неорганических веществ при использовании света (зеленые растения).

Совокупность всех процессов биосинтеза называется пластическим обменом, или ассимиляцией. Пластический обмен всегда сопровождается поглощением энергии.

Реакции пластического и энергетического обменов находятся в неразрывной связи и дополняют друг друга, составляя в совокупности обмен веществ и энергии в клетке.

Совокупность реакций синтеза (анаболические реакции) и распада (катаболические реакции), протекающих в клетке в любой данный момент, составляют ее обмен веществ (метаболизм).

Анаболизм плюс катаболизм равно метаболизм. Обмен веществ может осуществляться, если организм получает нужные ему вещества из внешней среды и выводит в окружающую среду продукты обмена, т. е. обмен веществ как форма существования живого возможен лишь при условии неразрывной связи организма со средой.

5. Связь организма с окружающей средой

Связь организма с окружающей средой, с физико-химической точки зрения, представляет собой открытую систему, т. е. систему, где биохимические процессы идут постоянно. Исходные вещества поступают из окружающей среды, а вещества, образующиеся также непрерывно, выносятся вовне. Равновесие между скоростью и концентрацией продуктов разнонаправленных реакций в организме является условным, мнимым, т. к. поступление и вынос веществ не прекращаются. Непрерывная связь с окружающей средой и позволяет рассматривать живой организм как открытую систему.

Для всех живых клеток источником энергии является Солнце. Растительные клетки улавливают энергию солнечного света с помощью хлорофилла, используя ее для реакций ассимиляции в процессе фотосинтеза. Клетки животных, грибов, бактерий используют солнечную энергию косвенно, при расщеплении органических веществ, синтезированных земным растением.

Часть питательных веществ клетки расщепляется в процессе клеточного дыхания, поставляя таким образом энергию, необходимую для разного рода клеточной активности. Протекает этот процесс в органеллах, называемых митохондриями. Митохондрия состоит из двух мембран: наружной, отделяющей органеллу от цитоплазмы, и внутренней, образующей многочисленные складики. Главным продуктом дыхания является АТФ. Он покидает митохондрии и используется в качестве источника энергии для многих химических реакций в цитоплазме и клеточной мембране. Если для осуществления клеточного дыхания требуется кислород, то дыхание называют аэробным, если же реакции идут в отсутствие кислорода, то говорят об анаэробном дыхании.

Для любого вида работы, выполняемой в клетке, используется энергия в одной-единственной форме - в форме энергии фосфатных связей АТФ. АТФ - легко подвижное соединение. Образование АТФ происходит на внутренней мембране митохондрий. АТФ синтезируется во всех клетках при дыхании за счет энергии окисления углеводов, жиров и других органических веществ. В клетках зеленых растений основное количество АТФ синтезируется в хлоропластах за счет солнечной энергии. В них при фотосинтезе образуется во много раз больше АТФ, чем в митохондриях. Разлагается АТФ с разрывом фосфорно-кислородных связей и выделением энергии. Это происходит под действием фермента АТФазы в процессе гидролиза АТФ - присоединения воды с отщеплением молекулы фосфорной кислоты. В результате АТФ превращается в АДФ, а если отщепляются две молекулы фосфорной кислоты, то в АМФ. Реакция отщепления каждой грамм-молекулы кислоты сопровождается освобождением 40 кДж. Это очень большой выход энергии, поэтому фосфорно-кислородные связи АТФ принято называть макроэргитическими (высокоэнергетическими).

Использование АТФ в реакциях пластического обмена осуществляется путем их сопряжения с гидролизом АТФ. Молекулы разных веществ заряжаются энергией путем присоединения освобожденной при гидролизе фосфорной группы от молекулы АТФ, т. е. путем фосфорилирования.

Особенность фосфатных производных состоит в том, что они не могут покинуть клетку, хотя их «разряженные» формы свободно проходят через мембрану. Благодаря этому фосфорилированные молекулы остаются в клетке до тех пор, пока они не будут использованы в соответствующих реакциях.

Обратный процесс превращения АДФ в АТФ происходит путем присоединения молекулы фосфорной кислоты к АДФ с выделением воды и поглощением большого количества энергии.

Таким образом АТФ - универсальный и непосредственный источник энергии для деятельности клетки. Это создает единый клеточный фонд энергии и делает возможным ее перераспределение и транспортировку из одних участков клетки в другие.

Перенос фосфатной группы играет важную роль в химических реакциях типа сборки макромолекул из мономеров. Например, аминокислоты могут соединяться в пептиды, лишь будучи предварительно профосфорилированными. Механические процессы сокращения или движения, перенос растворенного вещества против градиента концентрации и другие процессы сопряжены с расходованием энергии, запасенной в АТФ.

Процесс энергетического обмена может быть представлен следующим образом. Высокомолекулярные органические вещества в цитоплазме ферментативно, путем гидролиза превращаются в более простые, из которых они состоят: белки - в аминокислоты, поли- и дисахариды - в моносахариды (+ глюкозу), жиры в глицерин и жирные кислоты. Окислительные процессы отсутствуют, освобождается мало энергии, которая не используется и переходит в тепловую форму. Большинство клеток в первую очередь тратят углеводы. Полисахариды (крахмал у растений и гликоген у животных) гидрализуются до глюкозы. Окисление глюкозы происходит в три фазы: гликолиз, окислительное декарбоксилирование (цикл Кребса - цикл лимонной кислоты) и окислительное фосфорилирование (дыхательная цепь). Гликолиз, в результате которого одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты с выделением двух молекул АТФ, протекает в цитоплазме. При отсутствии кислорода пировиноградная кислота превращается либо в этанол (брожение), либо молочную кислоту (анаэробное дыхание).

Если гликолиз осуществляется в клетках животных, шестиуглеродная молекула глюкозы распадается на две молекулы молочной кислоты. Процесс этот многоступенчатый. Его последовательно осуществляют 13 ферментов. При спиртовом брожении из молекулы глюкозы образуется две молекулы этанола и две молекулы СО2.

Гликолиз - фаза, общая для анаэробного и аэробного дыхания, две остальные осуществляются лишь в аэробных условиях. Процесс бескислородного окисления, при котором выделяется и используется лишь часть энергии метаболитов, для анаэробных организмов является конечным. В присутствии же кислорода пировиноградная кислота переходит в митохондрии, где в результате целого ряда последовательных реакций она полностью окисляется аэробным путем до Н2O и СО2 с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. При этом две молекулы АТФ дает гликолиз, две - цикл Кребса, 34 - дыхательная цепь. Чистый выход при полном окислении одной молекулы глюкозы до Н2O и СО2 составляет 38 молекул.

Таким образом, у аэробных организмов окончательный распад органических веществ осуществляется путем окисления их кислородом воздуха до простых неорганических: СО2 и Н2O. Процесс этот протекает на кристах митохондрий. При этом выделяется максимальное количество свободной энергии, значительная часть которой резервируется в молекулах АТФ. Легко видеть, что аэробное окисление в наибольшей степени обеспечивает клетку свободной энергией.

В результате катаболизма в клетке накапливаются богатые энергией молекулы АТФ, а во внешнюю среду выделяется СО2 и избыточное количество воды.

Молекулы сахаров, не требующиеся для дыхания, могут запасаться в клетке. Избыточные липиды либо расщепляются, после чего продукты их расщепления поступают в митохондрии в качестве субстрата для дыхания, либо отлагаются про запас в цитоплазме в виде жировых капель. Из поступающих в клетку аминокислот строятся белки. Синтез белка происходит в органеллах, называемых рибосомами. Каждая рибосома состоит из двух субчастиц - большой и малой: в состав обеих субчастиц входят белковые молекулы и молекулы РНК.

Рибосомы часто бывают прикреплены к особой системе мембран, состоящей из цистерн и пузырьков, - к так называемому эндоплазматическому ретикулуму (ЭР); в клетках, вырабатывающих много белка, эндоплазматический ретикулум часто развит очень хорошо и весь усеян рибосомами. Некоторые ферменты эффективны лишь в том случае, если они прикреплены к мембране. Здесь находится большая часть ферментов, участвующих в синтезе липидов. Таким образом, эндоплазматический ретикулум - это как бы своеобразный рабочий стол клетки.

Кроме того, ЭР делит цитоплазму на отдельные отсеки, или компартменты, т. е. разобщает различные химические процессы, одновременно протекающие в цитоплазме, и тем самым снижает вероятность того, что эти процессы будут мешать друг другу.

Часто образуемые данной клеткой продукты используются вне этой клетки. В подобных случаях синтезированные на рибосомах белки проходят через мембраны эндоплазматического ретикулума и упаковываются в формирующиеся вокруг них мембранные пузырьки, которые затем отшнуровываются от ЭР. Эти пузырьки, уплощаясь и укладываясь друг на друга, как блины в стопке, образуют характерную структуру, называемую комплексом Гольджи, или аппаратом Гольджи. Во время своего пребывания в аппарате Гольджи, белки претерпевают определенные изменения. Когда для них наступает время покинуть клетку, мембранные пузырьки сливаются с клеточной мембраной и опорожняются, изливая свое содержимое наружу, т. е. секреция происходит путем экзоцитоза.

В аппарате Гольджи образуются также лизосомы - мембранные мешочки, содержащие пищеварительные ферменты. Выяснение того, как клетка производит, упаковывает и экспортирует некоторые белки, а также как она «узнает», какие белки ей следует сохранять для себя, составляет один из увлекательнейших разделов современной цитологии.

Мембраны любой клетки непрерывно перемещаются и видоизменяются. Мембраны ЭР медленно перемещаются по клетке. Отдельные участки этих мембран отделяются и образуют пузырьки, которые на время становятся частью аппарата Гольджи, а затем, в процессе экзоцитоза, сливаются с клеточной мембраной.

Позже мембранный материал возвращается в цитоплазму, где он используется вновь.

6. Этапы энергетического обмена

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 -- глюкоза, аминокислоты и др. -- подвергаются дальнейшему ферментативному распаду без доступа кислорода. Примером может служить ферментативное окисление глюкозы (гликолиз), которая является одним из основных источников энергии для всех живых клеток. Гликолиз -- многоступенчатый процесс расщепления глюкозы в анаэробных (бескислородных) условиях до пировиноградной кислоты (ПВК), а затем до молочной, уксусной, масляной кислот или этилового спирта, происходящий в цитоплазме клетки. Переносчиком электронов и протонов в этих окислительно-восстановительных реакциях служит никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и его восстановленная форма НАД *Н. Продуктами гликолиза являются пировиноградная кислота, водород в форме НАД * Н и энергия в форме АТФ.

При разных видах брожения дальнейшая судьба продуктов гликолиза различна. В клетках животных и многочисленных бактерий ПВК восстанавливается до молочной кислоты. Известное всем молочнокислое брожение (при списании молока, образовании сметаны, кефира и т.д.) вызывается молочнокислыми грибками и бактериями.

При спиртовом брожении продуктами гликолиза являются этиловый спирт и СО2. У других микроорганизмов продуктами брожения могут быть бутиловый спирт, ацетон, уксусная кислота и т.д.

В ходе бескислородного расщепления часть выделяемой энергии рассеивается в виде тепла, а часть аккумулируется в молекулах АТФ.

Третий этап энергетического обмена -- стадия кислородного расщепления, или аэробного дыхания, происходит в митохондриях. На этом этапе в процессе окисления важную роль играют ферменты, способные переносить электроны. Структуры, обеспечивающие прохождение третьего этапа, называют цепью переноса электронов. В цепь переноса электронов поступают молекулы -- носители энергии, которые получили энергетический заряд на втором этапе окисления глюкозы. Электроны от молекул -- носителей энергии, как по ступеням, перемещаются по звеньям цепи с более высокого энергетического уровня на менее высокий. Освобождающаяся энергия расходуется на зарядку молекул АТФ. Электроны молекул -- носителей энергии, отдавшие энергию на «зарядку» АТФ, соединяются в конечном итоге с кислородом. В результате этого образуется вода. В цепи переноса электронов кислород -- конечный приемник электронов. Таким образом, кислород нужен всем живым существам в качестве конечного приемника электронов. Кислород обеспечивает разность потенциалов в цепи переноса электронов и как бы притягивает электроны с высоких энергетических уровней молекул -- носителей энергии на свой низкоэнергетический уровень.

По пути происходит синтез богатых энергией молекул АТФ.

7. Связь различных живых организмов в обеспечении питательными веществами. Связь организмов друг с другом

Все организмы в экологии имеют связь друг с другом, которая осуществляется при помощи обмена питательных веществ и энергии. Сама же энергия считается таким понятием, при помощи которого совершается какая-либо работа. И любые живые организмы очень нуждаются в этой энергии потому что им необходимо поддерживать свою жизнь и жизнедеятельность. Весь же круговорот питательных веществ можно свести к механизму, который потребляет энергию для того чтобы совершать после этого процесса какие-либо определённые действия. Все же питательные вещества появляются в первую очередь именно из абиотического процесса, в который после возвращаются в виде различных погибших организмов или отходов. И именно вот таких образом и осуществляется непрекращающийся круговорот как неживых так и живых компонентов. Такие действия носят название биогеохимических циклов. А самой основной силой благодаря которой и происходят подобного рода все круговороты является энергия самого Солнца. Все живые организмы используют солнечную энергию а также могут передавать её другим живых существам, которые являются представителями абиотического компонента. И именно таким образом и происходит поддержка жизнедеятельности у различных видов организмов. Также главную роль играет факторы температуры и климата с помощью которых и контролируется солнечная энергия. Таким образом при помощи абиотического фактора и происходит влияние питательных веществ на все организмы, которые существуют в той или иной экосистеме.

8. Питательные вещества

Из пищи организм получает все вещества, необходимые для роста и сохранения функций отдельных клеток, тканей и органов. Процесс передачи веществ из внешней среды во внутреннюю среду организма (кровь или лимфу) называется резорбцией. Главным органом, осуществляющим резорбцию, является пищеварительный тракт и, прежде всего, тонкий кишечник. Некоторые вещества всасываются уже в ротовой полости и желудке.

С функциональной точки зрения питательные вещества подразделяются на следующие группы:

1. Строительные вещества, из которых молодой растущий организм образует жизненную материю, а взрослый организм - новые клетки тела взамен изношенных и отмирающих клеток. При помощи строительных веществ организм возмещает материальные потери после временного голодания или болезни. К этим веществам относятся белок, из минеральных веществ - кальций, фосфор, магний и вода.

2. Вещества потребления, которые служат организму источником энергии. Энергия необходима для поддержания теплоты тела, для пищеварения, дыхания, движения, для осуществления всех остальных жизненных процессов. Излишек этих веществ накапливается в организме в виде жирового запаса. К веществам потребления относятся сахар (углеводы), жиры и в определенных условиях также белки.

3. Вещества компенсирующие возмещают организму непрерывную потерю питательных веществ и материи в ходе процессов жизнедеятельности. Компенсирующим веществом является вода, которая растворяет ненужные и вредные продукты пищеварения. Вода непрерывно выделяется из организма в виде мочи, кала, а также пота. Минеральные вещества, которые непрерывно расходуются при биохимических процессах, также относятся к компенсирующим веществам.

4. Вещества, регулирующие масштаб, интенсивность и направленность изменений в клетках. К этим веществам относятся витамины, которые вместе с гормонами и ферментами являются регулятором и катализатором изменений клеток в живом организме.

Лишь немногие виды корма содержат одно питательное вещество, чаще корм представляет собой смесь, состоящую из различного рода углеводов, жиров, белков вместе с водой. Минеральные вещества и витамины содержатся в пище в очень малых количествах, иногда только в виде следов.

Белки

Белки - это органические вещества, образующие основу живой материи. Их химический состав включает углерод, водород, азот, а также серу (у большей части белков). Соотношение между отдельными составными элементами специфично у каждого белка.

Основной «строительной» единицей белков являются аминокислоты. Чем больше содержится в белке аминокислот, тем выше его биологическая и диетическая ценность. Наиболее богаты аминокислотами белки животного происхождения.

Потребность в белках и их использование в организме зависит от соотношения основных питательных веществ в кормовом рационе. Если организм получает большую часть энергии в форме углеродов и жиров, то потребность в белках снижается. Однако организм непременно нуждается в определенном количестве белков и в случае оптимального возмещения энергии посредством углеводов и жиров. Это количество белков называется белковым минимумом. У собаки белковый минимум составляет в среднем 0,5 г белка на 1 кг живой массы в день. Существенно выше белковый минимум у щенной и кормящей суки, у растущих щенков, у рабочих собак, у собак в период выздоровления. Щенки, получающие бедную белками пищу, отстают в росте и развитии, снижается их иммунитет против инфекций. Недостаток белка в пище компенсируется за счет белков собственного тела. Животные худеют и могут погибнуть.

Биологическая ценность белков определяется взаимоотношением и оптимальным составом аминокислот. Из общего количества аминокислот - 22, составляющих. молекулу белка, 10 аминокислот являются крайне необходимыми, т.н. эссенциальными. Организм не может выработать их самостоятельно и должен получить их из пищи. Это аргинин, гистидин, лизин, триптофан, метионин, фенилаланин, муцин, изолейцин, валин, тероин. Если в рационе корма отсутствует хотя бы одна из этих аминокислот, то это приводит к физиологическим нарушениям, т.н. негативному азотному балансу. Это означает, что организм выделяет азота больше, чем получает. Следствием является повышенный распад белковых тканей собственного тела животного.

Углеводы

Углеводы - это безазотистые вещества, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Являются важнейшим источником энергии в организме. Особенно необходимы углеводы для обеспечения физиологической функции центральной нервной системы. Излишки углеводов откладываются в организме в виде жирового запаса. Потребление организмом углеводов выше, чем белков и жиров.

К основным видам углеводов относятся молочный сахар - лактоза, виноградный сахар - глюкоза, фруктовый сахар - фруктоза. Источником углеводов является также крахмал, органические кислоты и, в основном не перевариваемая собакой, грубая клетчатка - существенная составная часть корма растительного происхождения. Минимальная потребность собаки в углеводах неизвестна. Вероятно, собака может обойтись без углеводов, если рацион кормления содержит достаточное количество белков и жиров, обеспечивающее метаболические процессы образования глюкозы в организме.

Жиры

Химический состав жиров включает в себя глицеролы и жирные кислоты. Как и углеводы, жиры являются веществами безазотистыми и состоят из углерода, водорода и кислорода. Жиры представляют собой важный источник энергии, кроме того, они содержат некоторые витамины. Жиры, как углеводы, распространяются в процессе резорбции из пищеварительного тракта к остальным частям тела кровью. Определенное количество жиров откладывается в типичных местах организма (почки, сердце, в подкожной области) и образует защитную мягкую оболочку этих органов и тканей. Резервы углеводов в организме значительно ограничены, а белки не накапливаются. Все излишки питательных веществ превращаются в жиры и откладываются в виде жирового запаса.

Минеральные вещества. Минеральные вещества выполняют очень важные структурные и динамические функции в процессе обмена веществ. Биологическая роль минеральных элементов определяется составом жизненно важных соединений, участвующих в процессах переваривания, всасывания, синтеза и распада веществ в организме животных.

При организации рационального кормления животных следует контролировать и нормировать содержание в рационах кальция, фосфора, натрия, хлора, калия, серы, железа, цинка, марганца, меди, кобальта, йода. В некоторых случаях необходимо учитывать содержание в рационах фтора, бора, селена, молибдена. Кроме того, в связи с возрастающей степенью загрязнения окружающей среды и использованием химической и микробиологической технологии при производстве кормовых средств актуален контроль за содержанием в рационах ртути, свинца, стронция и некоторых других.

При организации полноценного кормления животных следует учитывать наличие сложной взаимосвязи минеральных веществ между собой с питательными и биологически активными веществами. В исследованиях установлена тесная взаимосвязь в обмене между кальцием, фосфором и магнием; кальцием, цинком и медью; железом, калием и магнием; натрием и калием; медью и железом; серой, медью и молибденом.

Обеспеченность животных минеральными веществами зависит от многих факторов и, прежде всего, от взаимоотношения между отдельными элементами в процессе обмена, уровня абсорбции и экскреции, эндогенных потерь, способности к аккумуляции и мобилизации элементов из органов и тканей, химической формы. Все эти факторы необходимо учитывать при уточнении норм потребности животных в минеральных веществах.

Витамины. Во многих случаях они являются коферментами важнейших ферментов и играют огромную роль в нормальном функционировании организма животных.

Важность оптимального обеспечения рационов витаминами возрастает при интенсификации животноводства. Недостаток хотя бы одного витамина в рационе вызывает в той или иной степени функциональные расстройства в обмене веществ и снижение продуктивности животных. Высокая степень витаминной недостаточности приводит к резкому снижению продуктивности животных.

При нормировании витаминного питания свиней наибольшее значение имеют витамины: ретинол (А), или каротин, эргокальцийферол (D), токоферолы (Е), тиамин (B1), рибофлавин (В2), пантотеновая кислота (В3), холин (В4), никотинамид (В5), пиридоксин (В6), цианкобаламин (В12). В организации рационального кормления животных, особенно молодняка, большое значение имеют антибиотики, некоторые ферментные препараты и ряд других биологически активных веществ.

9. Энергия

Потребность организма в энергии контролируется аппетитом. Содержание энергии в рационе зависит от количества и качества углеводов, жиров и белков, которые и определяют энергетический объем пищевой порции. Количество энергии в пище указывается в килокалориях или килоджоулях. 1 килокалория - 4,2 килоджоуля. Из пищи организма получает энергию в результате сжигания питательных веществ, которое происходит в сложных химических реакциях при участии ферментов. Для осуществления полной функции многих ферментов необходимо, присутствие витаминов или минеральных веществ.

Принимая во внимание то, что ни один живой организм, в том числе и собака, не может использовать всю без остатка энергию, содержащуюся в пище, необходимо при составлении рациона кормления рассчитывать количество т.н. метаболической энергии, то есть количество энергии, которая действительно используется организмом.

Энергия используется практически во всех процессах организма - при мышечной работе, при дыхании, при пищеварении. Важной функцией энергии является обеспечение постоянной телесной температуры. Поэтому первоначальным требованием к пище животного является количество энергии. Концентрация энергии должна быть настолько высокой, чтобы обеспечить все функции организма и поддерживать т.н. энергетическое равновесие. Это основное условие, определяющее количество пищи, которое должна потреблять наша собака.



Заключение

Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой, поглощая из нее вещества, необходимые для питания, и выделяя продукты жизнедеятельности. В круговороте органических веществ самыми существенными стали процессы синтеза и распада.

Живые организмы поглощают из окружающей среды различные вещества. Вследствие целого ряда сложных химических превращений вещества из окружающей среды уподобляются веществам живого организма, и из них строится его тело. Эти процессы называются ассимиляцией, или пластическим обменом.

Другая сторона обмена веществ - процессы диссимиляции, в результате которых сложные органические соединения распадаются на простые, при этом утрачивается их сходство с веществами организма и выделяется энергия, необходимая для реакции биосинтеза.

Поэтому диссимиляцию называют энергетическим обменом.

Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава и строения всех частей организма и, как следствие, - постоянство их функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды. Поскольку все организмы состоят из клеток, то каждая клетка должна осуществлять все процессы, от которых зависит ее жизнь, т. е. поглощать пищу, извлекать из нее энергию, избавляться от отходов жизнедеятельности и, наконец, воспроизводить самое себя. В многоклеточном организме каждая клетка выполняет, сверх того, еще некоторые специализированные функции, составляющие ее вклад в общую экономику организма как целого.

В эукариотических клетках для осуществления этих процессов имеются следующие важные структуры:

- клеточная мембрана, регулирующая поступление веществ в клетку и выход их из клетки; эта регуляция удерживает химический состав клеток в неких узких пределах, в которых только возможна жизнь. Липидный слой мембраны на окружает их, а затем вместе с захваченной частицей отшнуровывается, так что частица попадает в клетку, находясь в мембранном пузырьке. Многие клетки для выведения веществ наружу используют обратный процесс - экзоцитоз.

Размещено на Allbest.ru

...