Metabolisme

Metabolisme adalah sekumpulan proses transformasi biokimia bahan dan tenaga dalam organisma hidup (sinonimnya adalah metabolisme), yang bertujuan untuk menjaga proses penting dan menjaga keteguhan persekitaran dalaman mereka. [1]

Proses metabolik

Proses metabolik

Metabolisme merangkumi dua kumpulan proses penting - katabolisme (metabolisme tenaga) dan anabolisme (biosintesis, atau metabolisme plastik). [3]

  • Katabolisme adalah sekumpulan proses pemecahan nutrien yang berlaku terutamanya disebabkan oleh reaksi pengoksidaan. Akibatnya, tenaga dibebaskan. Bentuk utama katabolisme dalam mikroorganisma ialah penapaian dan pernafasan. Semasa fermentasi, penguraian bahan organik kompleks yang tidak lengkap berlaku dengan pembebasan sejumlah kecil tenaga dan pengumpulan produk akhir yang kaya dengan tenaga. Semasa bernafas (aerobik), pengoksidaan lengkap sebatian biasanya dilakukan dengan pembebasan sejumlah besar tenaga. [3]
  • Anabolisme menggabungkan sintesis molekul dari bahan yang lebih sederhana yang terdapat di persekitaran. Reaksi anabolisme dikaitkan dengan penggunaan tenaga bebas, yang dihasilkan dalam proses pernafasan, penapaian. Untuk aliran metabolisme plastik, nutrien perlu masuk ke dalam badan, yang mana, dengan penyertaan tenaga yang dilepaskan semasa katabolisme, komponen struktur sel diperbaharui, pertumbuhan dan perkembangan berlaku. [3]

Katabolisme dan anabolisme berlaku secara selari, banyak reaksi dan perantaraannya adalah biasa. Namun, dalam jangka masa yang berlainan, intensiti metabolisme plastik dan tenaga berbeza-beza. Jadi, pada serangga pada masa pembiakan, molting, pada fasa awal perkembangan (telur, larva), proses sintetik berlaku berbanding proses pembusukan. Pada masa yang sama, perubahan degeneratif tertentu dalam tubuh (penuaan, penyakit) dapat menyebabkan dominasi intensitas katabolisme terhadap anabolisme, yang kadang-kadang mengancam kematian benda hidup. [3] (foto)

Penukaran sulfoksida menjadi sulfon

Metabolisme racun perosak

Metabolisme racun perosak - penukaran racun perosak di bawah pengaruh produk buangan dari pelbagai organisma hidup - bakteria, kulat, tumbuhan dan haiwan yang lebih tinggi. [4]

Hasil daripada biotransformasi bahan toksik, dalam kebanyakan kes kurang produk toksik (metabolit) terbentuk, lebih larut dan mudah dikeluarkan dari badan. Dalam beberapa kes, ketoksikan metabolit lebih tinggi daripada bahan yang memasuki badan. Pertukaran racun industri adalah mungkin kerana reaksi pengoksidaan, pengurangan, pembelahan hidrolitik, metilasi, asilasi, dan lain-lain. [1]

Dalam metabolisme racun perosak, pengoksidaan atom sulfur dalam molekul bahan tertentu sangat penting, yang khas, misalnya, untuk racun serangga dari kumpulan turunan asid karbamat dan fosforik. Pengoksidaan sulfur sebatian ini berlaku tanpa mengira struktur molekul selebihnya, dengan pembentukan sulfoksida dan sulfon yang sesuai:.

Pengoksidaan Thionophosphate

A - thionophosphate, B - fosfat, 1 dan 2 - radikal bebas, residu 3 - asid

Reaksi metabolik yang berlaku pada tumbuhan menyebabkan kesan racun serangga yang panjang untuk sebilangan ester asid fosforik dengan radikal thioether. Pengoksidaan tionofosfat dalam pelbagai organisma dianggap sebagai langkah pengaktifan proses metabolisme zat-zat ini. [2] (foto)

Ketoksikan produk tindak balas kepada mamalia dan serangga meningkat puluhan dan beratus kali ganda berbanding dengan bahan permulaan. Walau bagaimanapun, metabolit toksik ini mudah dihidrolisis dan oleh itu disimpan dalam media biologi untuk masa yang singkat. [2]

Metabolisme pada tumbuhan

Beri perhatian! Metabolisme adalah salah satu tanda kehidupan yang penting: dengan penghentian metabolisme, kehidupan tumbuhan berhenti.

Di dalam badan tumbuhan, fotosintesis dan pernafasan melalui banyak tindak balas kimia berturut-turut di mana beberapa bahan berubah menjadi yang lain..

Organisma hidup sentiasa menerima dari persekitaran bahan-bahan yang diperlukan, yang kemudiannya diubah dan diubah menjadi zat tubuh badan itu sendiri. Ini berlaku semasa pemakanan. Organisma memerlukan tenaga untuk menjalankan proses penting. Organisma hidup menerima tenaga melalui pernafasan. Menyerap oksigen, mereka mengoksidakan sebatian organik kompleks kepada yang lebih sederhana. Ini membebaskan tenaga.

Tumbuhan adalah organisma autotrofik; mereka dapat mensintesis bahan organik dari bahan bukan organik semasa fotosintesis. Oleh itu, dua nutrien dapat dibezakan dalam tanaman - tanah dan udara. Dari tanah dengan bantuan akar tanaman, bahan mineral dan air diperoleh, yang digunakan dalam sintesis bahan organik. Dalam cahaya di udara, proses fotosintesis berlaku, dan bahan organik terbentuk.

Seperti semua organisma hidup yang lain, tumbuhan ini bernafas. Dalam kes ini, tenaga dilepaskan, yang merangkumi semua proses fungsi penting sel, termasuk sintesis bahan organik lain yang diperlukan oleh tumbuhan untuk membina tubuhnya. Jadi dari gula yang terbentuk semasa fotosintesis, tumbuhan diperoleh melalui pelbagai reaksi kimia pati, serat, protein, lemak dan vitamin. Juga, dengan memecahkan sebilangan sebatian organik kepada karbon dioksida dan air, tumbuhan menerima tenaga.

Oleh itu, fotosintesis, nutrisi mineral dan pernafasan memberikan metabolisme kepada tumbuhan, yang merupakan sekumpulan tindak balas kimia yang mengubah beberapa bahan menjadi bahan lain.

Metabolisme pada tumbuhan

Metabolisme dengan persekitaran adalah syarat utama kehidupan organisma. Walau bagaimanapun, penyerapan dan pembebasan zat hanyalah manifestasi luaran metabolisme. Asas kehidupan adalah transformasi intraselular zat yang disebut metabolisme..

Asas metabolisme adalah dua proses yang saling berkait dan saling bergantung: asimilasi dan penyebaran. Asimilasi - asimilasi nutrien, sintesis protein khas (ciri untuk organisma tertentu), asid nukleik, lipid, karbohidrat dan sebatian lain. Proses asimilasi berkaitan dengan penggunaan tenaga. Penyebaran - pemisahan zat, baik yang berasal dari luar dan yang merupakan bahagian sel-sel badan. Tenaga yang dikeluarkan semasa pengoksidaan mereka digunakan untuk pelbagai proses kehidupan. Sebagai tambahan, penyebaran membekalkan semua jenis perantaraan yang diperlukan untuk tindak balas sintetik..

Tumbuhan mengikut jenis pemakanan adalah organisma autotrofik. Keistimewaan metabolisme mereka adalah bahawa mereka dapat mensintesis semua bahan organik yang diperlukan untuk hidup dari mineral. Tumbuhan menggunakan tenaga suria untuk mensintesis sebatian organik dari karbon dioksida dan air (lihat Fotosintesis). Proses unik lain yang hanya berlaku pada tumbuhan adalah penukaran nitrogen dari bentuk mineral menjadi bentuk organik, pembentukan asid amino yang digunakan untuk biosintesis protein. Asid amino penting yang disebut (lisin, valin, leusin, isoleusin, metionin, dan lain-lain) mesti dimasukkan dalam makanan manusia dan haiwan.

Metabolisme fosfor pada tumbuhan dikurangkan kepada pembentukan ikatan antara sisa asid fosforik dan molekul satu atau bahan organik yang lain. Kepentingan sebatian organofosforus yang terbentuk dalam proses ini sangat besar. Ini adalah asid trifosfat adenosin (ATP) - pembawa tenaga dalam sel, dan asid nukleik (DNA, RNA), yang menyimpan dan menghantar maklumat keturunan, dan fosfolipid - komponen membran biologi dan sebatian lain.

Yang penting dalam metabolisme adalah kalium, kalsium, magnesium, zat besi dan unsur-unsur lain dari nutrien dan vitamin mineral. Sebahagiannya, ia dimasukkan ke dalam sebatian organik. Peranan utama mereka adalah pengawalseliaan.

Oleh itu, metabolisme adalah banyak proses kimia terkoordinasi. Peranan penting dalam pengawalseliaannya dimainkan oleh enzim - biokatalis spesifik protein, yang merangkumi vitamin dan ion logam. Bilangan enzim dan setnya dikawal oleh alat genetik. Membran sel sama pentingnya. Mereka mengawal kadar masuk dan keluar zat, membentuk kompartemen mikroskopik di dalam sel, di mana sistem enzim tertentu berada dan metabolisme berlaku. Koordinasi metabolisme dalam organisma integral disediakan dengan aktiviti hormon (lihat. Phytohormones).

Apa-apa penyakit, kekurangan zat makanan menyebabkan gangguan metabolik dalam tubuh, yang dinyatakan dalam perubahan sifat transformasi zat, dalam pengumpulan menengah, dan kadang-kadang tidak khas dari metabolisme normal produk. Rawatan gangguan ini harus ditujukan untuk menghilangkan penyebab yang menyebabkannya..

Kekhususan metabolisme pada tumbuhan

Proses yang berlaku semasa percambahan biji benih

Apabila benih bercambah, fasa berikut dibezakan:

1. Penyerapan air - biji kering menyerap air dari udara atau dari substrat sehingga kelembapan kritikal berlaku. Petunjuk ini boleh berkisar antara 25% dalam millet hingga 104 pada kekacang dan 120% bit gula.

2. Fasa bengkak. Benih mencapai kelembapan kritikal, enzim kelas hidrolase diaktifkan, nutrien digerakkan (protein dipecah menjadi asid amino, lemak menjadi gliserol dan asid lemak, karbohidrat kompleks kepada yang sederhana), pernafasan dan pembahagian sel meningkat.

3. Pertumbuhan akar primer diperhatikan dari saat pembelahan sel mereka. Secara morfologi, ia muncul apabila akar utama muncul di atas membran benih - mematuk. Dalam kes ini, pertumbuhan akar dijamin oleh bahan simpanan embrio.

4. Perkembangan tunas bermula dengan kemunculannya dan berlaku disebabkan oleh bahan simpanan endosperma. Fasa ini berakhir dengan penampilan coleoptile dalam bijirin, atau buah pinggang pada tanaman lain..

5. Kemunculan anak benih adalah fasa terakhir. Ia berterusan sehingga peralihannya menjadi pemakanan autotrofik sepenuhnya.

Bahagian: Pertukaran dan pengangkutan bahan organik di tumbuh-tumbuhan

1. Kekhususan metabolisme pada tumbuhan

2. Laluan metabolik zat organik terpenting dalam badan tumbuhan (metabolisme karbohidrat, metabolisme protein, metabolisme lemak)

3. Hubungan proses pertukaran

4. Bentuk pengangkutan utama bahan organik dalam tumbuhan, komposisi jus floem

5. Struktur floem

6. Mekanisme pengangkutan bahan organik

Tumbuhan mengikut jenis pemakanan adalah autotrof, jadi ciri utamanya adalah keupayaan untuk mensintesis dari CO2, N2O dan mineral adalah sekumpulan besar bahan organik sederhana dan kompleks, menggunakan cahaya matahari. Walau bagaimanapun, hanya sel yang mengandungi kloroplas (sel mesofil daun, pucuk hijau, buah-buahan, dan lain-lain) yang dicirikan oleh jenis pemakanan ini. Semua sel organisma tumbuhan yang lain makan secara heterotrofik dan oleh itu bergantung kepada bahan organik yang memasukinya dari organ fotosintetik. Peranan penting dimainkan oleh sistem pengangkutan.

Di setiap sel organisma tumbuhan, ribuan reaksi berlaku secara serentak. Keseluruhan reaksi biokimia yang berlaku semasa hidup organisma disebut metabolisme atau metabolisme. Produk yang terbentuk semasa tindak balas ini adalah metabolit. Urutan tindak balas biokimia yang berkaitan dengan biosintesis dan penukaran bahan tertentu atau kumpulan sebatian yang serupa secara struktural disebut jalur metabolik..

Reaksi metabolik berada dalam keadaan interaksi berterusan antara satu sama lain, dan juga dengan persekitaran; ketertiban, fokus dan kepantasan mereka dicapai berkat enzim, mekanisme peraturan hormon dan tertakluk kepada semua undang-undang termodinamik.

Metabolisme dalam mana-mana organisma terdiri daripada dua proses anabolisme dan katabolisme yang berlainan arah dan berkait rapat.

Dalam tindak balas anabolisme atau metabolisme plastik, sintesis sebatian organik daripada yang sederhana berlaku. Ini memerlukan perbelanjaan tenaga yang besar. Jenis tindak balas ini adalah sintesis protein, karbohidrat, lemak, bahan asal sekunder.

Dalam tindak balas katabolisme atau metabolisme tenaga, molekul kompleks terurai menjadi molekul sederhana dengan pembebasan tenaga. Tenaga ini dapat digunakan pada reaksi anabolik. Reaksi katabolisme merangkumi hidrolisis, pernafasan, dan penapaian..

Reaksi anabolik hanya boleh berlaku apabila ia berinteraksi dengan katabolik. Tetapi lebih banyak tenaga harus selalu dibebaskan daripada diserap dalam reaksi sintesis. Juga diperlukan ialah kehadiran pembawa tenaga ATP dan nukleotida berkurang (NADH, NADP · N2, FAD · N2).

Dalam proses metabolisme asas, sebatian organik primer yang paling penting disintesis. Dengan sifat produk yang terbentuk, metabolisme karbohidrat, metabolisme purin dan pyrimidine, metabolisme lipid, metabolisme vitamin dan metabolisme asid organik dibezakan..

Seiring dengan tindak balas ini, metabolisme asal sekunder (glikosida, alkaloid, tanin, mudah menguap, dan lain-lain) dijalankan. Bahan-bahan ini bukan simpanan dan tenaga, mereka tidak bergerak di sekitar kilang, tetapi mereka melakukan fungsi pelindung.

Sumber untuk sintesis semua bahan organik adalah proses fotosintesis, atau semasa percambahan biji benih, zat simpanan embrio. Metabolit perantaraan dari mana hampir semua sebatian terbentuk adalah 3-PHA.

2. Laluan metabolik sebatian organik penting

Karbohidrat adalah bahan terpenting yang membentuk tumbuhan. Mereka membentuk 75-80% bahan kering dan berfungsi sebagai bahan pemakanan dan struktur utama sel tisu tumbuhan.

Sumber pembentukan karbohidrat adalah proses fotosintesis, sehingga terbentuknya asimilasi sukrosa atau kanji.

fruktosa-6 fosfat → sakarofosfat + UDP → sukrosa + pH

glukosa-6 fosfat + UTP → UFDG + PP (pirofosfat)

glukosa-1 fosfat → amilase

Enzim yang terlibat dalam sintesis sukrosa adalah sintetase fosfat gula. Dalam kes ini, residu glukosa dipindahkan dari UDFG ke fruktosa dengan pembentukan sakarofosfat, dan kemudian sukrosa membentuk sukrosa dengan pembebasan fosforus.

Dalam sintesis amilosa, enzim R atau fosforilasi terlibat, yang menghubungkan molekul glukosa dengan ikatan 1.4 glikosidik. Amylopectin terbentuk dengan penyertaan Q-enzim, menghubungkan glukosa 1,4 dan 1,6 glikosidik pautan. Polisakarida yang dihasilkan dihubungkan oleh enzim amilase dengan kanji yang lebih kompleks..

Selanjutnya, sukrosa dapat dengan mudah diangkut ke organ pemakai. Pati asimilasi diuraikan menjadi glukosa, yang digunakan untuk proses neoplasma, baik diangkut atau diubah menjadi sukrosa, diangkut ke organ penyimpanan (umbi, rimpang, biji, dll.), Di mana ia diubah menjadi pati penyimpanan mengikut skema reaksi transglikosidasi, di mana penderma aktif residu glikosid adalah gula nukleosida UDFG dan ADPH.

Sukrosa + UDF Ф UDFG + fruktosa

UDFG + "biji" (G)n ↔ UDF + pati

atau ADPH + "biji" (G)n ↔ ADP + pati

Benih adalah polisakarida yang terdiri daripada 3-4 residu glukosa.

Dalam benih bercambah atau semasa pertumbuhan tanaman abadi, pati dihidrolisis secara aktif di bawah tindakan enzim hidrolitik amilase, atau di bawah pengaruh fosforilosa glukosa-1 fosfat, yang dapat dimasukkan dalam proses sintetik, atau dioksidasi menjadi karbon dioksida dan air semasa bernafas.

STOKOK α-amilase glukosa

Metabolisme protein adalah sebahagian daripada pertukaran purin dan pirimidin, di mana nukleotida, asid nukleik, asid amino dan protein ditukarkan.

Di dalam badan tumbuhan, protein kompleks - proteid adalah komponen utama sitoplasma dan memainkan peranan penting dalam penyusunan struktur sel. Protein sederhana - protein menjalankan fungsi penyimpanan dan disimpan dalam biji, umbi, rimpang.

Dalam biji masak, zat protein disintesis daripada bentuk nitrogen bukan organik. Amonia, diserap dalam bentuk ammonia atau terbentuk akibat pengurangan nitrat, memasuki reaksi aminasi dengan asid keto dan asid amino terbentuk yang digunakan dalam biosintesis protein.

NH3 + Asid amino pike → polipeptida → protein

Untuk biosintesis protein langsung, lihat bahagian 1.

Dalam benih bercambah, tindak balas berjalan ke arah yang bertentangan, iaitu protein menjalani hidrolisis kepada asid amino, yang termasuk dalam sintesis protein baru atau dioksidasi selanjutnya dalam reaksi pernafasan. Pada masa yang sama, asid amino bebas mengalami deaminasi, yang boleh bersifat oksidatif dengan penyertaan oksidase, hidrolitik dengan penyertaan air dan amidase, atau reduktif dengan penyertaan hidrogenase. Dengan sebarang jenis deaminasi, asid keto dan amonia terbentuk..

proteinase endopeptidase dipeptidase

Protein → polipeptida → asid amino → asid keto + NH3

Amonia dinetralkan, termasuk dalam komposisi asparagine, yang berfungsi sebagai penderma kumpulan amino dalam sintesis asid amino lain. Oleh itu, jumlah sebatian nitrogen semasa percambahan hampir tidak berubah..

Metabolisme lemak terdiri daripada sintesis dan pereputannya. Lemak terdapat di mana-mana sel tumbuhan. Mereka tidak larut dalam air, tidak bergerak di sekitar tumbuhan, dan biosintesisnya berlaku di semua organ dan tisu dari gula larut yang memasuki organ ini..

Proses penukaran lemak dikaji oleh ahli biokimia Soviet S.L. Ivanov. Lemak disintesis dari gliserol dan asid lemak, yang seterusnya terbentuk dari produk pemecahan glukosa: gliserin dari 3-PHA, dan asid lemak dari asetil

CoA. Enzim utama yang terlibat dalam sintesis trigliserida (lemak) adalah acyltransferase memindahkan sisa asid lemak ke molekul gliserol.

3-PHA → gliserol-3fosfat → gliserin

Asid Lemak CoA

Pecahan lemak berlaku dengan penyertaan enzim hidrolitik lipase, yang, dengan penambahan air, memecah lemak menjadi gliserol dan asid lemak bebas. Lipase meluas di tumbuh-tumbuhan. Setiap spesies mempunyai lipase sendiri. Walau bagaimanapun, kekhususan lipase sangat rendah, sebarang lipase dapat memecahkan lemak. Lipase kastor mempunyai kekhususan yang tinggi.

Gliserin 3-PHA fruktosa-1,6 di fosfat dan karbohidrat lain

Asid lemak β-pengoksidaan asetil

PIKE → FEP → karbohidrat

glikolisis terbalik (glukoniogenesis)

Dua peringkat pertama adalah glikoksisom, kitaran asid tricarboxylic di mitokondria, dan peringkat terakhir adalah sitoplasma.

Gula yang terbentuk semasa pemecahan kanji dan lemak mudah larut dalam air, diangkut ke tempat penggunaan dan digunakan untuk pertumbuhan dan pernafasan. Lebih-lebih lagi, jumlah mereka berkurang.

Tarikh Ditambah: 2014-01-05; Pandangan: 1882; Pelanggaran hak cipta?

Pendapat anda penting bagi kami! Adakah bahan yang diterbitkan bermanfaat? Ya | Tidak

Metabolisme sel. Metabolisme tenaga dan fotosintesis. Tindak balas sintesis matriks.

Konsep metabolisme

Metabolisme adalah jumlah semua tindak balas kimia yang berlaku pada organisma hidup. Kepentingan metabolisme adalah mencipta bahan-bahan yang diperlukan untuk tubuh dan membekalkannya dengan tenaga.

Terdapat dua komponen metabolisme - katabolisme dan anabolisme.

Komponen metabolisme

BahagianCiriContohKos tenagaKatabolisme (metabolisme tenaga, penyebaran)Keseluruhan tindak balas kimia yang membawa kepada pembentukan zat sederhana dari yang lebih kompleksHidrolisis polimer kepada monomer dan pembelahan yang terakhir kepada sebatian berat molekul rendah karbon dioksida, air, ammonia dan bahan lainTenaga dibebaskanAnabolisme (pertukaran plastik, asimilasi)Kumpulan tindak balas kimia untuk sintesis bahan kompleks dari yang lebih mudahPembentukan karbohidrat dari karbon dioksida dan air semasa fotosintesis, reaksi sintesis matriksTenaga diserap

Proses metabolisme plastik dan tenaga saling berkaitan. Semua proses sintetik (anabolik) memerlukan tenaga yang dibekalkan semasa reaksi penyebaran. Reaksi pembelahan (katabolisme) berlaku hanya dengan penyertaan enzim yang disintesis semasa asimilasi.

Peranan FTF dalam metabolisme

Tenaga yang dikeluarkan semasa penguraian bahan organik tidak segera digunakan oleh sel, tetapi disimpan dalam bentuk sebatian bertenaga tinggi, biasanya dalam bentuk adenosin trifosfat (ATP). Dengan sifat kimianya, ATP merujuk kepada mononukleotida.

ATP (asam adenosin trifosfat) adalah mononukleotida yang terdiri daripada adenin, ribosa dan tiga residu asid fosforik, saling berkaitan dengan ikatan makroergik.

Ikatan ini menyimpan tenaga yang dibebaskan apabila ia putus:
ATP + H2O → ADP + H3PO4 + Q1
ADP + H2O → AMP + H3PO4 + Q2
AMP + H2O → adenin + ribosa + H3PO4 + Q3,
di mana ATP adalah asid trifosfat adenosin; ADP - asid difosforik adenosin; AMP - asid monofosforik adenosin; Q1 = Q2 = 30.6 kJ; Q3 = 13.8 kJ.
Bekalan ATP dalam sel terhad dan diisi semula kerana proses fosforilasi. Fosforilasi - penambahan residu asid fosforik ke ADP (ADP + F → ATP). Ia berlaku dengan intensiti yang berbeza semasa pernafasan, fermentasi dan fotosintesis. ATP dikemas kini dengan sangat cepat (pada manusia, jangka hayat satu molekul ATP kurang dari 1 min).
Tenaga yang terkumpul dalam molekul ATP digunakan oleh tubuh dalam reaksi anabolik (reaksi biosintesis). Molekul ATP adalah penjaga dan pembawa tenaga sejagat untuk semua makhluk hidup.

Pertukaran tenaga

Tenaga yang diperlukan untuk hidup, kebanyakan organisma menerima hasil pengoksidaan bahan organik, iaitu sebagai akibat reaksi katabolik. Sebatian terpenting yang bertindak sebagai bahan bakar adalah glukosa.
Organisma dibahagikan kepada tiga kumpulan berkenaan dengan oksigen bebas..

Pengelasan organisma berkenaan dengan oksigen bebas

KumpulanCiriOrganisma
Aerob (wajib aerob)Organisma yang mampu hidup hanya dengan oksigenHaiwan, tumbuhan, beberapa bakteria dan kulat
Anaerob (mewajibkan anaerob)Organisma tidak dapat hidup dalam oksigenSebilangan bakteria
Bentuk pilihan (anaerob pilihan)Organisma mampu hidup baik dengan kehadiran oksigen dan tanpanyaSebilangan bakteria dan kulat

Dalam mewajibkan aerob dan anaerob fakultatif dengan adanya oksigen, katabolisme berlaku dalam tiga peringkat: persediaan, bebas oksigen, dan oksigen. Akibatnya, bahan organik terurai menjadi sebatian bukan organik. Dalam mewajibkan anaerob dan anaerob fakultatif dengan kekurangan oksigen, katabolisme berlaku dalam dua peringkat pertama: persediaan dan bebas oksigen. Hasilnya adalah pembentukan sebatian organik perantaraan, yang masih kaya dengan tenaga.

Tahap katabolisme

1. Peringkat pertama - persediaan - adalah penguraian enzimatik sebatian organik kompleks menjadi lebih sederhana. Protein dipecah menjadi asid amino, lemak - kepada gliserol dan asid lemak, polisakarida - kepada monosakarida, asid nukleik - kepada nukleotida. Pada organisma multiselular, ini berlaku di saluran gastrointestinal, pada organisma uniselular, di lisosom di bawah pengaruh enzim hidrolitik. Tenaga yang dilepaskan dalam kes ini akan hilang dalam bentuk haba. Sebatian organik yang terhasil dioksidakan lebih lanjut atau digunakan oleh sel untuk mensintesis sebatian organik mereka sendiri.
2. Tahap kedua - pengoksidaan tidak lengkap (bebas oksigen) - terdiri daripada pembelahan bahan organik selanjutnya, yang dilakukan di sitoplasma sel tanpa oksigen. Sumber tenaga utama dalam sel adalah glukosa. Pengoksidaan glukosa bebas oksigen dan tidak lengkap disebut glikolisis. Hasil daripada glikolisis satu molekul glukosa, dua molekul asid piruvat (PVA, piruvat) CH terbentuk3COCOOH, ATP dan air, serta atom hidrogen yang terikat oleh molekul pembawa NAD + dan disimpan sebagai NAD · N.
Formula glikolisis total adalah seperti berikut:
C6H12O6 + 2H3PO4 + 2ADP + 2NAD + → 2C3N4O3 + 2H2O + 2ATP + 2NAD · N.
Selanjutnya, dengan ketiadaan oksigen di persekitaran, produk glikolisis (PVC dan NAD · N) diproses sama ada menjadi etil alkohol - fermentasi alkohol (dalam ragi dan sel tumbuhan dengan kekurangan oksigen)
CH3COCOOH → CO2 + CH3TIDUR
CH3TIDUR + 2 NAD · N → S2N5OH + 2 KE ATAS +,
atau dalam asid laktik - penapaian asid laktik (dalam sel haiwan dengan kekurangan oksigen)
CH3COCOOH + 2 OVER · N → C3N6O3 + 2AD +.
Dengan adanya oksigen di persekitaran, produk glikolisis mengalami penurunan lebih lanjut kepada produk akhir.
3. Tahap ketiga - pengoksidaan lengkap (respirasi) - terdiri daripada pengoksidaan PVC ke karbon dioksida dan air, dilakukan di mitokondria dengan penyertaan oksigen wajib.
Ia terdiri daripada tiga peringkat:
A) pembentukan asetil koenzim A;
B) pengoksidaan asetil koenzim A dalam kitaran Krebs;
C) fosforilasi oksidatif dalam rantai pengangkutan elektron.

A. Pada peringkat pertama, PVC dipindahkan dari sitoplasma ke mitokondria, di mana ia berinteraksi dengan enzim matriks dan membentuk 1) karbon dioksida, yang dikeluarkan dari sel; 2) atom hidrogen, yang diangkut oleh molekul ke membran mitokondria dalam; 3) asetil koenzim A (asetil-CoA).
B. Pada peringkat kedua, asetil koenzim A dioksidakan dalam kitaran Krebs. Kitaran Krebs (kitaran asid trikarboksilat, kitaran asid sitrik) adalah rantai tindak balas berurutan di mana 1) dua molekul karbon dioksida terbentuk dari satu molekul asetil-CoA, 2) molekul ATP, dan 3) empat pasang atom hidrogen dipindahkan ke pembawa - NAD dan FAD. Oleh itu, akibat glikolisis dan kitaran Krebs, molekul glukosa dipecah menjadi CO2, dan tenaga yang dikeluarkan dalam kes ini dibelanjakan untuk sintesis 4 ATP dan terkumpul dalam 10 NAD · N dan 4 FAD · N2.
B. Pada peringkat ketiga, atom hidrogen dengan NAD · N dan FAD · N2 dioksidakan oleh oksigen molekul O2 dengan pembentukan air. Satu NAD · N mampu membentuk 3 ATP, dan satu FAD · N2–2 ATP. Oleh itu, tenaga yang dikeluarkan dalam kes ini disimpan dalam bentuk 34 ATP yang lain.
Proses ini berjalan seperti berikut. Atom hidrogen tertumpu di bahagian luar membran mitokondria dalaman. Mereka kehilangan elektron, yang diangkut di sepanjang rantai molekul pembawa (sitokrom) rantai pengangkutan elektron (ETC) ke bahagian dalam membran dalaman, di mana ia bergabung dengan molekul oksigen:
TENTANG2 + e - → Mengenai2 -.
Hasil daripada aktiviti enzim rantai pemindahan elektron, membran mitokondria dalaman dikenakan secara negatif dari dalam (kerana O2 - ), tetapi di luarnya positif (kerana H +), jadi kemungkinan perbezaan dibuat antara permukaannya. Molekul synthetase ATP dengan saluran ion tertanam dalam membran mitokondria dalam. Apabila perbezaan potensi pada membran mencapai tahap kritikal, zarah H + bermuatan positif oleh daya medan elektrik mula didorong melalui saluran ATPase dan, berada di permukaan dalaman membran, berinteraksi dengan oksigen untuk membentuk air:
1/2 O2 - +2H + → H2TENTANG.
Tenaga ion hidrogen H + yang diangkut melalui saluran ion membran mitokondria dalam digunakan untuk memfosforilasi ADP dalam ATP:
ADP + F → ATP.
Pembentukan ATP dalam mitokondria yang melibatkan oksigen disebut fosforilasi oksidatif..
Jumlah persamaan untuk pemecahan glukosa dalam proses pernafasan selular:
C6H12O6 + 6O2 + 38H3PO4 + 38ADP → 6CO2 + 44H2O + 38ATF.
Oleh itu, 2 molekul ATP terbentuk semasa glikolisis, 36 molekul ATP lebih banyak semasa respirasi sel, dan 38 molekul ATP secara keseluruhan, semasa pengoksidaan glukosa lengkap.

Pertukaran plastik

Pertukaran plastik, atau asimilasi, adalah sekumpulan reaksi yang memberikan sintesis sebatian organik kompleks dari yang lebih sederhana (fotosintesis, kemosintesis, biosintesis protein, dll.).

Organisma heterotrofik membina bahan organik mereka sendiri dari komponen organik makanan. Asimilasi heterotrofik pada dasarnya dikurangkan kepada penyusunan semula molekul:
bahan makanan organik (protein, lemak, karbohidrat) → molekul organik sederhana (asid amino, asid lemak, monosakarida) → makromolekul badan (protein, lemak, karbohidrat).
Organisma autotrofik dapat mensintesis sepenuhnya bahan organik daripada molekul bukan organik yang dimakan dari persekitaran. Dalam proses foto dan kemosintesis, pembentukan sebatian organik sederhana berlaku, dari mana makromolekul disintesis selanjutnya:
bahan bukan organik (CO2, N2Molec) → molekul organik sederhana (asid amino, asid lemak, monosakarida) → makromolekul badan (protein, lemak, karbohidrat).

Fotosintesis

Fotosintesis adalah sintesis sebatian organik dari bahan bukan organik kerana tenaga cahaya. Ringkasan persamaan untuk fotosintesis:

Fotosintesis berlaku dengan penyertaan pigmen fotosintetik, yang mempunyai sifat unik mengubah tenaga cahaya matahari menjadi tenaga pengikat kimia dalam bentuk ATP. Pigmen fotosintetik adalah bahan seperti protein. Yang paling penting ialah pigmen klorofil. Pada eukariota, pigmen fotosintetik tertanam di membran dalaman plastid, di prokariota dalam invaginasi membran sitoplasma.
Struktur kloroplas sangat mirip dengan struktur mitokondria. Membran dalaman granula thylakoid mengandungi pigmen fotosintetik, serta protein rantai pemindahan elektron dan molekul ATP synthetase.
Proses fotosintesis terdiri daripada dua fasa: cahaya dan gelap.
1. Fasa cahaya fotosintesis hanya berlaku pada cahaya membran thylakoid granul..
Ini termasuk penyerapan kuanta cahaya oleh klorofil, pembentukan molekul ATP, dan fotolisis air..
Di bawah pengaruh kuantum cahaya (hv), klorofil kehilangan elektron, memasuki keadaan teruja:

Elektron ini dihantar oleh pembawa ke bahagian luar, iaitu permukaan membran thylakoid menghadap ke matriks, di mana mereka terkumpul.
Pada masa yang sama, fotolisis air berlaku di dalam thylakoids, iaitu penguraiannya di bawah pengaruh cahaya:

Elektron yang dihasilkan dihantar oleh pembawa ke molekul klorofil dan memulihkannya. Molekul klorofil kembali ke keadaan stabil.
Proton hidrogen terbentuk semasa fotolisis air terkumpul di dalam thylakoid, mewujudkan takungan H +. Akibatnya, permukaan dalam membran thylakoid dicas positif (kerana H +), dan bahagian luar - dicas negatif (kerana e -). Oleh kerana pengumpulan zarah-zarah bermuatan yang berlawanan pada kedua sisi membran, perbezaan potensi meningkat. Apabila nilai kritikal perbezaan berpotensi dicapai, kekuatan medan elektrik mula mendorong proton melalui saluran ATP synthetase. Tenaga yang dikeluarkan dalam kes ini digunakan untuk fosforilasi molekul ADP:
ADP + F → ATP.

Pembentukan ATP dalam proses fotosintesis di bawah pengaruh tenaga cahaya disebut fotofosforilasi.
Ion hidrogen, berada di permukaan luar membran thylakoid, terdapat di sana dengan elektron dan membentuk hidrogen atom, yang mengikat molekul pembawa hidrogen NADP (nikotinamid adenin dinukleotida fosfat):
2Н + + 4е - + NADP + → NADP · N2.
Oleh itu, semasa fasa cahaya fotosintesis, tiga proses berlaku: pembentukan oksigen akibat penguraian air, sintesis ATP dan pembentukan atom hidrogen dalam bentuk NADP · N2. Oksigen meresap ke atmosfera, sementara ATP dan NADP · N2 mengambil bahagian dalam proses fasa gelap.
2. Fasa fotosintesis gelap berlaku dalam matriks kloroplas baik dalam cahaya dan dalam gelap dan mewakili satu siri transformasi berturut-turut CO2, datang dari udara, dalam kitaran Calvin. Tindak balas fasa gelap dilakukan kerana tenaga ATP. Dalam kitaran CO Calvin2 mengikat hidrogen dari NADP · N2 dengan pembentukan glukosa.
Dalam proses fotosintesis, selain monosakarida (glukosa, dll.), Monomer sebatian organik lain disintesis - asid amino, gliserin dan asid lemak. Oleh itu, berkat fotosintesis, tumbuhan menyediakan zat organik dan oksigen yang diperlukan untuk diri mereka sendiri dan seluruh kehidupan di Bumi..
Ciri perbandingan fotosintesis dan pernafasan eukariota ditunjukkan dalam jadual..

Ciri perbandingan fotosintesis dan pernafasan eukariota

TandaFotosintesisNafasPersamaan tindak balas6CO2 + 6H2Tenaga cahaya O + → C6H12O6 + 6O2C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2Tenaga O + (ATP)Bahan permulaanAir karbon dioksidaBahan organik, oksigenProduk tindak balasBahan organik, oksigenAir karbon dioksidaNilai dalam kitaran bahanSintesis Sebatian Organik dari AnorganikPenguraian bahan organik menjadi bukan organikPenukaran tenagaTransformasi tenaga cahaya menjadi tenaga ikatan kimia bahan organikPenukaran tenaga ikatan kimia bahan organik menjadi tenaga ikatan makroergik ATPTahap yang paling pentingFasa cahaya dan gelap (termasuk kitaran Calvin)Pengoksidaan yang tidak lengkap (glikolisis) dan pengoksidaan lengkap (termasuk kitaran Krebs)Lokasi prosesKloroplasHyaloplasm (pengoksidaan tidak lengkap) dan mitokondria (pengoksidaan lengkap)

Maklumat genetik dalam semua organisma disimpan dalam bentuk urutan spesifik nukleotida DNA (atau RNA dalam virus yang mengandung RNA). Prokariota mengandungi maklumat genetik dalam bentuk molekul DNA tunggal. Dalam sel eukariotik, bahan genetik diedarkan dalam beberapa molekul DNA yang disusun menjadi kromosom.
DNA terdiri daripada kawasan pengekodan dan bukan pengekodan. Kawasan pengekodan mengekod RNA. Kawasan bukan kod DNA melakukan fungsi struktur, yang membolehkan bahagian bahan genetik dikemas dengan cara tertentu, atau fungsi pengawalseliaan, yang berpartisipasi dalam penyertaan gen yang memandu sintesis protein.
Kawasan pengekodan DNA adalah gen. Gen - bahagian molekul DNA yang menyandikan sintesis satu mRNA (dan, dengan itu, polipeptida), rRNA atau tRNA.
Kawasan kromosom di mana gen berada disebut lokus. Kumpulan gen nukleus sel adalah genotip, kumpulan gen set kromosom haploid adalah gen, kumpulan gen DNA nuklear ekstra (mitokondria, plastid, sitoplasma) adalah plasmon.
Pelaksanaan maklumat yang dicatat dalam gen melalui sintesis protein disebut ekspresi gen (manifestasi). Maklumat genetik disimpan sebagai urutan spesifik nukleotida DNA, dan dilaksanakan sebagai urutan asid amino dalam protein. RNA bertindak sebagai perantara, pembawa maklumat. Artinya, pelaksanaan maklumat genetik berlaku seperti berikut:
DNA → RNA → protein.
Proses ini dijalankan dalam dua peringkat:
1) transkripsi;
2) siaran.

Transkripsi (dari lat. Transcriptio - transkripsi) - Sintesis RNA menggunakan DNA sebagai templat. Akibatnya, mRNA, tRNA dan rRNA terbentuk. Proses transkripsi memerlukan sejumlah besar tenaga dalam bentuk ATP dan dilakukan oleh enzim RNA polimerase.

Pada masa yang sama, tidak seluruh molekul DNA ditranskrip, tetapi hanya segmennya sahaja. Segmen sedemikian (transcripton) bermula dengan promoter - laman DNA di mana RNA polymerase bergabung dan dari mana transkripsi bermula, dan berakhir dengan terminator - laman DNA yang mengandungi isyarat akhir transkripsi. Transcripton adalah gen dari segi biologi molekul.
Transkripsi, seperti replikasi, didasarkan pada kemampuan asas nitrogen nukleotida untuk mengikat pelengkap. Pada masa transkripsi, helai DNA berganda pecah, dan sintesis RNA dilakukan di sepanjang satu helai DNA.

Semasa transkripsi, urutan nukleotida DNA disalin ke molekul mRNA yang disintesis, yang bertindak sebagai matriks dalam proses biosintesis protein.
Gen prokariotik hanya terdiri daripada urutan nukleotida pengekodan.

Gen eukariotik terdiri daripada laman pengekodan (exon) dan bukan kod (intron) yang bergantian.

Selepas transkripsi, kawasan mRNA yang sesuai dengan intron dihapus semasa penyambungan, yang merupakan bahagian yang tidak terpisahkan dari pemprosesan.

Pemprosesan adalah proses pembentukan mRNA matang dari pra-mRNA pendahulunya. Ia merangkumi dua acara utama. 1. Lampiran urutan nukleotida pendek ke hujung mRNA, menunjukkan tempat permulaan dan tempat akhir terjemahan. Penyambungan - penghapusan urutan mRNA yang tidak bermaklumat yang sesuai dengan intron DNA. Sebagai hasil penyambungan, berat molekul mRNA menurun sebanyak 10 kali. Terjemahan (dari lat. Translatio - terjemahan) - sintesis rantai polipeptida menggunakan mRNA sebagai templat.

Ketiga-tiga jenis RNA terlibat dalam terjemahan: mRNA adalah matriks maklumat; tRNA memberikan asid amino dan mengenali kodon; rRNA bersama dengan protein membentuk ribosom yang menahan mRNA, tRNA dan protein dan menjalankan sintesis rantai polipeptida.

Peringkat Siaran

PentasCiriPermulaanPemasangan kompleks yang terlibat dalam sintesis rantai polipeptida. Subunit kecil dari ribosom bergabung dengan metrnc permulaan, dan kemudian dengan mrnc, selepas itu pembentukan keseluruhan ribosom, yang terdiri daripada subunit kecil dan besar.PemanjanganPemanjangan rantai polipeptida. Ribosom bergerak di sepanjang mRNA, yang disertai dengan pengulangan berulang kitaran penambahan asid amino seterusnya ke rantai polipeptida yang berkembang.PenamatanPenyelesaian sintesis molekul polipeptida. Ribosom mencapai salah satu daripada tiga kodon berhenti mRNA, dan kerana tidak ada tRNA dengan antikodon yang melengkapi kodon berhenti, sintesis rantai polipeptida berhenti. Ia dilepaskan dan dipisahkan dari ribosom. Subpartikel ribosom berasingan, terpisah dari mRNA dan boleh mengambil bahagian dalam sintesis rantai polipeptida seterusnya.

Tindak balas sintesis matriks. Reaksi sintesis matriks merangkumi

  • Penggandaan diri DNA (replikasi);
  • pembentukan mRNA, tRNA dan rRNA pada molekul DNA (transkripsi);
  • biosintesis protein pada mRNA (terjemahan).

Semua reaksi ini disatukan oleh fakta bahawa molekul DNA dalam satu kes atau molekul mRNA yang lain bertindak sebagai matriks di mana pembentukan molekul yang sama berlaku. Reaksi sintesis matriks adalah asas kemampuan organisma hidup untuk menghasilkan semula jenisnya sendiri.
Peraturan ekspresi gen. Tubuh organisma multiselular dibina dari pelbagai jenis sel. Mereka berbeza dalam struktur dan fungsi, iaitu, mereka dibezakan. Perbezaannya dinyatakan dalam bahawa, selain protein yang diperlukan untuk sel apa pun di dalam badan, sel setiap jenis juga mensintesis protein khusus: keratin terbentuk di epidermis, hemoglobin terbentuk dalam sel darah merah, dan lain-lain. Pembezaan sel disebabkan oleh perubahan dalam set gen yang dinyatakan dan tidak disertai oleh mana-mana perubahan yang tidak dapat dipulihkan dalam struktur urutan DNA itu sendiri.

Metabolisme

Metabolisme (dari bahasa Yunani: μεταβολή metabolē, "perubahan") adalah rangkaian transformasi kimia dalam sel-sel organisma hidup yang diperlukan untuk mengekalkan kehidupan. Tiga tujuan utama metabolisme adalah penukaran makanan / bahan bakar menjadi tenaga untuk memicu proses sel, penukaran makanan / bahan bakar menjadi blok bangunan untuk protein, lipid, asid nukleik dan karbohidrat tertentu, dan penghapusan sisa nitrogen. Reaksi enzimatik ini membolehkan tubuh tumbuh dan membiak, mengekalkan strukturnya dan bertindak balas terhadap persekitaran. Kata "metabolisme" juga dapat merujuk kepada jumlah semua reaksi kimia yang terjadi pada organisma hidup, termasuk pencernaan dan pengangkutan zat ke dan antara sel yang berlainan, dalam hal ini banyak reaksi dalam sel disebut metabolisme menengah. Metabolisme biasanya terbahagi kepada dua kategori: katabolisme, pemecahan bahan organik, misalnya, melalui pernafasan sel, dan anabolisme, penciptaan komponen sel, seperti protein dan asid nukleik. Biasanya, apabila dibelah, tenaga dibebaskan, dan ketika terbentuk, ia habis..

Reaksi metabolik kimia disusun dalam jalur metabolik di mana satu sebatian kimia diubah melalui serangkaian langkah ke sebatian lain, menggunakan urutan enzim. Enzim sangat penting untuk metabolisme kerana membolehkan organisma melakukan reaksi yang diinginkan, yang memerlukan tenaga yang tidak akan berlaku sendiri, dengan menghubungkannya dengan reaksi spontan yang melepaskan tenaga. Enzim bertindak sebagai pemangkin yang membolehkan tindak balas berjalan dengan lebih pantas. Enzim juga membolehkan anda mengatur laluan metabolik sebagai tindak balas kepada perubahan persekitaran sel atau isyarat dari sel lain. Sistem metabolisme organisma tertentu menentukan bahan mana yang akan berkhasiat dan mana yang akan beracun. Sebagai contoh, sebilangan prokariota menggunakan hidrogen sulfida sebagai nutrien, tetapi gas ini beracun kepada haiwan. 1) Kadar metabolisme mempengaruhi berapa banyak makanan yang diperlukan oleh badan, dan juga berapa banyak makanan yang dapat diambil oleh makanan ini. Ciri khas metabolisme adalah kesamaan jalur metabolik utama dan komponen antara spesies yang sama sekali berbeza. Sebagai contoh, banyak asid karboksilat, yang paling terkenal sebagai perantaraan dalam kitaran Krebs, terdapat di semua organisma yang diketahui. Mereka telah dijumpai dalam spesies yang beragam seperti bakteria E. coli uniselular dan organisma multiselular gergasi seperti gajah. Kesamaan yang mencolok dalam jalur metabolik ini mungkin berkaitan dengan penampilan awal mereka dalam sejarah evolusi, dan pemuliharaannya kerana keberkesanannya. 2)

Bahan asas biokimia

Sebilangan besar struktur yang membentuk haiwan, tumbuhan, dan mikroba terdiri daripada tiga kelas molekul utama: asid amino, karbohidrat, dan lipid (sering disebut lemak). Oleh kerana molekul-molekul ini sangat penting untuk hidup, reaksi metabolik memberi tumpuan kepada pengeluaran molekul-molekul ini semasa pembinaan sel dan tisu, atau pada pembelahan dan penggunaannya sebagai sumber tenaga, dalam proses pencernaan mereka. Biokimia ini dapat bergabung antara satu sama lain untuk membentuk polimer seperti DNA dan protein, yang penting untuk kehidupan makromolekul..

Asid amino dan protein

Protein terdiri daripada asid amino yang disusun dalam rantai linier, saling berkaitan dengan ikatan peptida. Banyak protein adalah enzim yang menjadi pemangkin reaksi kimia dalam metabolisme. Protein lain mempunyai fungsi struktur atau mekanikal, seperti protein yang membentuk sitoskeleton, sistem yang mengekalkan bentuk sel. Protein juga memainkan peranan penting dalam pemberian isyarat sel, tindak balas imun, lekatan sel, pengangkutan aktif merentasi membran, dan kitaran sel. Asid amino juga menyumbang kepada metabolisme tenaga sel dengan menyediakan sumber karbon untuk memasuki kitaran asid sitrik (kitaran asid tricarboxylic), terutama apabila sumber tenaga utama, seperti glukosa, tidak mencukupi, atau ketika sel mengalami tekanan metabolik. 3)

Lipid

Lipid adalah kumpulan bahan biokimia yang paling pelbagai. Kegunaan struktur utama mereka adalah sebagai sebahagian daripada membran biologi, baik dalaman dan luaran, seperti membran sel, atau sebagai sumber tenaga. Lipid biasanya ditakrifkan sebagai molekul biologi hidrofobik atau amphipatik, tetapi larut dalam pelarut organik seperti benzena atau kloroform. Lemak adalah sekumpulan besar sebatian yang mengandungi asid lemak dan gliserin; molekul gliserol yang melekat pada tiga ester asid lemak dipanggil triacylglyceride. Terdapat beberapa variasi struktur asas ini, termasuk kerangka alternatif, seperti sphingosine dalam sphingolipid, dan kumpulan hidrofilik, seperti fosfat, dalam fosfolipid. Steroid seperti kolesterol adalah kelas penting lipid 4).

Karbohidrat

Karbohidrat adalah aldehid atau keton, dengan sebilangan besar kumpulan hidroksil yang melekat, yang boleh wujud dalam bentuk rantai atau cincin lurus. Karbohidrat adalah molekul biologi yang paling biasa, dan melakukan banyak fungsi, seperti menyimpan dan mengangkut tenaga (kanji, glikogen) dan komponen struktur (selulosa pada tumbuhan, kitin pada haiwan). Unit asas karbohidrat disebut monosakarida dan termasuk galaktosa, fruktosa, dan yang paling penting, glukosa. Monosakarida dapat dihubungkan antara satu sama lain, membentuk polisakarida. 5)

Nukleotida

Dua asid nukleik, DNA dan RNA, adalah polimer nukleotida. Setiap nukleotida terdiri daripada fosfat yang melekat pada kumpulan gula ribosa atau deoksiribosa, yang melekat pada asas nitrogen. Asid nukleik sangat penting untuk menyimpan dan menggunakan maklumat genetik dan tafsirannya melalui proses transkripsi protein dan biosintesis. Maklumat ini dilindungi oleh mekanisme pembaikan DNA dan disebarkan melalui replikasi DNA. Banyak virus mempunyai genom RNA, seperti HIV, yang menggunakan transkripsi terbalik untuk membuat templat DNA dari genom RNA virus. RNA dalam ribozim seperti spliceosomes dan ribosom mirip dengan enzim, kerana ia dapat menjadi pemangkin reaksi kimia. Nukleosida individu dibuat dengan melampirkan gula ribosa ke pangkalan nukleik. Pangkalan ini adalah cincin heterosiklik yang mengandungi nitrogen dan dikelaskan sebagai purin atau pyrimidin. Nukleotida juga bertindak sebagai koenzim dalam reaksi pemindahan kumpulan metabolik. 6)

Koenzim

Metabolisme merangkumi pelbagai tindak balas kimia, tetapi kebanyakan tindak balas ini termasuk dalam beberapa jenis reaksi asas, yang merangkumi pemindahan kumpulan fungsi atom dan ikatannya dalam molekul. Reaksi kimia ini membolehkan sel menggunakan sekumpulan perantara metabolik yang kecil untuk memindahkan kumpulan kimia di antara tindak balas yang berbeza. Pengantara dalam reaksi pemindahan kumpulan ini disebut koenzim. Setiap kelas reaksi pemindahan kumpulan dilakukan oleh koenzim tertentu, yang merupakan substrat untuk sejumlah enzim yang menghasilkannya, serta sejumlah enzim yang memakannya. Oleh itu, koenzim ini terus dihasilkan, dimakan, dan kemudian digunakan semula. 7) Salah satu koenzim pusat adalah adenosin trifosfat (ATP), sumber tenaga sejagat untuk sel. Nukleotida ini digunakan untuk memindahkan tenaga kimia antara tindak balas kimia yang berbeza. Hanya sejumlah kecil ATP yang ada di dalam sel, tetapi sejak itu terus tumbuh semula, tubuh manusia dapat menggunakan sejumlah ATP sehari, yang kira-kira beratnya sendiri. ATP bertindak sebagai "jambatan" antara katabolisme dan anabolisme. Katabolisme merosakkan molekul, dan anabolisme menyatukannya. Reaksi katabolik mewujudkan ATP, dan reaksi anabolik memakannya. ATP juga berfungsi sebagai pembawa kumpulan fosfat dalam tindak balas fosforilasi. Vitamin adalah sebatian organik yang diperlukan dalam jumlah kecil yang tidak dapat dihasilkan dalam sel. Dalam pemakanan manusia, kebanyakan vitamin berfungsi sebagai koenzim setelah pengubahsuaian; sebagai contoh, semua vitamin larut dalam air fosforilat atau mengikat nukleotida apabila ia digunakan dalam sel. Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD +), turunan vitamin B3 (niasin), adalah koenzim penting yang bertindak sebagai akseptor hidrogen. Ratusan jenis dehidrogenase individu mengeluarkan elektron dari substratnya dan mengembalikan NAD + ke NADH. Bentuk koenzim yang dikurangkan ini adalah substrat bagi mana-mana reduktase dalam sel yang perlu memperbaiki substratnya. 8) Nikotinamide adenine dinucleotide wujud dalam dua bentuk yang berkaitan di dalam sel, NADH dan NADPH. Bentuk NAD + / NADH lebih penting dalam tindak balas katabolik, sementara NADP + / NADPH digunakan dalam reaksi anabolik.

Mineral dan Kofaktor

Unsur anorganik memainkan peranan penting dalam metabolisme; sebahagian daripadanya banyak terdapat di dalam badan (misalnya, natrium dan kalium), sementara yang lain bertindak dalam kepekatan minimum. Kira-kira 99% jisim mamalia terdiri daripada karbon, nitrogen, kalsium, natrium, klorin, kalium, hidrogen, fosforus, oksigen dan sulfur. Sebatian organik (protein, lipid dan karbohidrat) mengandungi sebahagian besar karbon dan nitrogen; kebanyakan oksigen dan hidrogen terdapat di dalam air. 9) Unsur anorganik yang banyak berfungsi sebagai elektrolit ionik. Ion yang paling penting ialah ion natrium, kalium, kalsium, magnesium, klorida, fosfat dan bikarbonat organik. Mengekalkan kecerunan ion yang tepat dalam membran sel mengekalkan tekanan dan pH osmotik. Ion juga penting untuk fungsi saraf dan otot, kerana potensi tindakan dalam tisu ini terbentuk dengan pertukaran elektrolit antara cairan ekstraselular dan cairan sel, sitosol. Elektrolit masuk dan keluar sel menggunakan protein dalam membran sel, yang disebut saluran ion. Sebagai contoh, pengecutan otot bergantung pada pergerakan kalsium, natrium, dan kalium melalui saluran ion dalam membran sel dan T-tubulus. Logam peralihan, sebagai peraturan, terdapat dalam organisma sebagai unsur surih, sementara zink dan zat besi terkandung dalam tubuh dalam kepekatan tertinggi. Logam ini digunakan sebagai kofaktor dalam beberapa protein dan penting untuk aktiviti enzim, seperti katalase dan protein pengangkut oksigen, seperti hemoglobin. Kofaktor logam berkait rapat dengan laman web tertentu dalam protein; walaupun kofaktor enzimatik dapat diubah semasa pemangkinan, mereka selalu kembali ke keadaan semula pada akhir reaksi pemangkin. Unsur surih logam diserap dalam organisma menggunakan alat pengangkutan tertentu dan mengikat protein penyimpanan, seperti ferritin atau metallothionein, apabila tidak digunakan. 10)

Katabolisme

Katabolisme adalah kumpulan proses metabolik yang memecah molekul besar. Proses ini merangkumi pemecahan dan pengoksidaan molekul makanan. Matlamat reaksi katabolik adalah untuk memberikan tenaga dan komponen yang diperlukan semasa reaksi anabolik. Sifat tepat tindak balas katabolik ini berbeza dalam pelbagai organisma. Organisma boleh dikelaskan berdasarkan sumber tenaga dan karbonnya (kumpulan makanan utama mereka). Molekul organik digunakan sebagai sumber tenaga oleh organotrof, sementara lithotrophs menggunakan substrat anorganik, dan fototrof menggunakan cahaya matahari sebagai tenaga kimia. Walau bagaimanapun, semua bentuk metabolisme yang berbeza ini bergantung pada tindak balas redoks, yang merangkumi pemindahan elektron dari molekul penderma yang berkurang, seperti molekul organik, air, amonia, hidrogen sulfida atau ion besi, ke molekul akseptor seperti oksigen, nitrat atau sulfat. Pada haiwan, reaksi ini merangkumi molekul organik kompleks yang terurai menjadi molekul yang lebih sederhana, seperti karbon dioksida dan air. Dalam organisma fotosintetik, seperti tumbuhan dan cyanobacteria, reaksi pemindahan elektron ini tidak melepaskan tenaga, tetapi digunakan sebagai cara untuk menyimpan tenaga yang diserap dari cahaya matahari. 11) Reaksi katabolik yang paling biasa pada haiwan boleh dibahagikan kepada tiga peringkat utama. Pada peringkat pertama, molekul organik besar, seperti protein, polisakarida atau lipid, dipecah menjadi komponen yang lebih kecil di luar sel. Selanjutnya, molekul kecil ini ditangkap oleh sel dan diubah menjadi molekul yang lebih kecil, biasanya menjadi asetil koenzim A (asetil CoA), yang membebaskan sejumlah tenaga. Dan akhirnya, kumpulan asetil pada CoA mengoksidasi kepada air dan karbon dioksida dalam kitaran asid sitrik dan rantai pemindahan elektron, membebaskan tenaga yang disimpan dengan memulihkan koenzim nikotinamida adenin dinukleotida (NAD +) di NADH.

Pencernaan

Makromolekul, seperti kanji, selulosa atau protein, tidak dapat ditangkap dengan cepat oleh sel dan mesti dipecah menjadi unit yang lebih kecil sebelum dapat digunakan dalam metabolisme sel. Beberapa kelas enzim biasa mencerna polimer ini. Enzim pencernaan ini merangkumi protease, yang mengubah protein menjadi asam amino, serta hidrolase glikosida, yang mengubah polisakarida menjadi gula sederhana, yang dikenal sebagai monosakarida. Mikroba hanya mengeluarkan enzim pencernaan ke persekitaran, sementara haiwan mengeluarkan enzim ini hanya dari sel khusus di usus mereka. Asid amino atau gula yang dikeluarkan oleh enzim ekstraselular ini kemudian dipam ke dalam sel menggunakan protein pengangkutan aktif. 12)

Tenaga dari Sebatian Organik

Katabolisme karbohidrat adalah pemecahan karbohidrat menjadi unit yang lebih kecil. Karbohidrat biasanya dibawa ke dalam sel apabila dicerna menjadi monosakarida. Sekali di dalam badan, laluan pemecahan utama adalah glikolisis, di mana gula seperti glukosa dan fruktosa ditukar menjadi piruvat dan ATP dihasilkan. Pyruvate adalah perantaraan dalam beberapa jalur metabolik, tetapi sebahagian besar piruvat ditukar menjadi asetil-CoA dan terlibat dalam kitaran asid sitrik. Walaupun sebahagian ATP dihasilkan dalam kitaran asid sitrik, produk yang paling penting adalah NADH, yang dihasilkan dari NAD + ketika asetil-CoA dioksidakan. Semasa pengoksidaan ini, karbon dioksida dibebaskan sebagai produk sampingan. Dalam keadaan anaerobik, glikolisis menghasilkan laktat melalui enzim dehidrogenase laktat, mengoksidasi semula NADH hingga NAD + untuk digunakan semula dalam glikolisis. Kaedah alternatif untuk memecah glukosa adalah laluan pentosa fosfat, yang memulihkan koenzim NADPH dan menghasilkan pentosa, seperti ribosa, komponen gula asid nukleik. Lemak dikatabolisme semasa hidrolisis untuk membebaskan asid lemak dan gliserol. Gliserin memasuki glikolisis dan asid lemak dipecah oleh pengoksidaan beta, melepaskan asetil-CoA, yang kemudian terlibat dalam kitaran asid sitrik. Asid lemak menghasilkan lebih banyak tenaga semasa pengoksidaan daripada karbohidrat, kerana karbohidrat mengandungi lebih banyak oksigen dalam strukturnya. Steroid juga dibelah oleh bakteria tertentu dalam proses yang serupa dengan pengoksidaan beta, dan proses pembelahan ini dikaitkan dengan pembebasan sejumlah besar asetil-CoA, propionil-CoA dan piruvat, yang dapat digunakan oleh sel untuk menghasilkan tenaga. M. tuberkulosis juga dapat tumbuh pada kolesterol lipid sebagai satu-satunya sumber karbon, dan gen yang terlibat dalam penggunaan kolesterol telah disetujui sebagai penting pada pelbagai peringkat kitaran hidup jangkitan tuberkulosis 13). Asid amino sama ada digunakan untuk mensintesis protein dan biomolekul lain, atau dioksidakan menjadi urea dan karbon dioksida sebagai sumber tenaga. Jalur pengoksidaan bermula dengan penyingkiran kumpulan amino menggunakan transaminase. Kumpulan amino memasuki kitaran urea, meninggalkan kerangka karbon deaminasi dalam bentuk asam keto. Sebilangan asid keto ini merupakan perantaraan dalam kitaran asid sitrik, sebagai contoh, penyahbauan glutamat membawa kepada pembentukan α-ketoglutarate. Asid amino glukogen juga dapat diubah menjadi glukosa melalui glukoneogenesis.

Penukaran tenaga

Fosforilasi Oksidatif

Semasa fosforilasi oksidatif, elektron dikeluarkan dari molekul organik di kawasan seperti kitaran asid protagonik dan dipindahkan ke oksigen, dan tenaga yang dilepaskan digunakan untuk menghasilkan ATP. Dalam eukariota, ini dilakukan oleh serangkaian protein dalam membran mitokondria, yang disebut rantai pemindahan elektron. Di prokariota, protein ini terletak di membran dalaman sel. Protein ini menggunakan tenaga yang dilepaskan dari elektron yang lewat dari molekul yang berkurang, seperti NADH, ke dalam oksigen untuk mengepam proton melalui membran. 14) Pengepaman proton dari mitokondria menimbulkan perbezaan kepekatan proton melalui membran, dan menghasilkan kecerunan elektrokimia. Ini menyebabkan proton bergerak kembali ke mitokondria melalui asas enzim yang disebut ATP synthase. Aliran proton menyebabkan subunit berputar, akibatnya kawasan aktif domain synthase berubah bentuk dan fosforilat ADP, mengubahnya menjadi ATP.

Tenaga dari sebatian bukan organik

Chemolithotrophy adalah sejenis metabolisme dalam prokariota di mana tenaga dihasilkan oleh pengoksidaan sebatian anorganik. Organisma ini boleh menggunakan hidrogen, sebatian sulfur yang dikurangkan (seperti sulfida, hidrogen sulfida dan tiosulfat), besi besi (FeII) atau amonia sebagai sumber keupayaan pengurangan, dan mereka menerima tenaga dari pengoksidaan sebatian ini dengan penerima elektron seperti oksigen atau nitrit. Proses mikroba ini memainkan peranan penting dalam kitaran biogeokimia global, seperti asetogenesis, nitrifikasi, dan denitrifikasi, dan sangat penting untuk kesuburan tanah. lima belas)

Tenaga ringan

Tenaga cahaya matahari digunakan oleh tumbuhan, cyanobacteria, bakteria ungu, bakteria belerang hijau dan beberapa protozoa. Proses ini sering dikaitkan dengan penukaran karbon dioksida menjadi sebatian organik sebagai sebahagian daripada fotosintesis. Sistem penangkapan tenaga dan fiksasi karbon, bagaimanapun, dapat berfungsi secara terpisah di prokariota, kerana bakteria ungu dan bakteria belerang hijau dapat menggunakan sinar matahari sebagai sumber tenaga semasa pertukaran antara fiksasi karbon dan fermentasi sebatian organik. 16) Dalam banyak organisma, penangkapan tenaga suria pada dasarnya mirip dengan fosforilasi oksidatif, kerana ia merangkumi penyimpanan tenaga dalam bentuk kecerunan kepekatan proton. Daya penggerak proton ini kemudian membawa kepada sintesis ATP. Elektron yang diperlukan untuk rantai pengangkutan elektron ini berasal dari protein pengumpul cahaya yang disebut pusat tindak balas fotosintetik atau rhodopsin. Pusat tindak balas dibahagikan kepada dua jenis bergantung pada jenis pigmen fotosintetik, dengan kebanyakan bakteria fotosintetik hanya mempunyai satu jenis, sementara tumbuhan dan sianobakteria mempunyai dua. Pada tumbuhan, alga dan cyanobacteria, fotosistem II menggunakan tenaga cahaya untuk mengeluarkan elektron dari air, melepaskan oksigen sebagai produk sampingan. Elektron kemudian dipindahkan ke kompleks sitokrom b6f, yang menggunakan tenaga mereka untuk mengepam proton melalui membran thylakoid dalam kloroplas. Proton ini bergerak kembali melalui membran ketika mereka mengawal sintase ATP, seperti sebelumnya. Elektron kemudian melalui sistem fotos I dan kemudian boleh digunakan untuk memulihkan koenzim NADP +, untuk digunakan dalam kitaran Calvin, atau diproses untuk generasi ATP selanjutnya. 17)

Anabolisme

Anabolisme adalah sekumpulan proses metabolik konstruktif di mana tenaga yang dikeluarkan oleh katabolisme digunakan untuk mensintesis molekul kompleks. Secara umum, molekul kompleks yang membentuk struktur selular dibina dari prekursor kecil dan sederhana. Anabolisme merangkumi tiga peringkat utama. Pertama, penghasilan prekursor, seperti asid amino, monosakarida, isoprenoid dan nukleotida, kedua, pengaktifan mereka ke dalam bentuk aktif secara kimia menggunakan tenaga dari ATP, dan ketiga, pemasangan prekursor ini menjadi molekul kompleks, seperti protein, polisakarida, lipid dan asid nukleik. Organisma yang berbeza dapat membina bilangan molekul yang berlainan dalam sel. Autotrof, seperti tumbuhan, dapat membina molekul organik kompleks dalam sel, seperti polisakarida dan protein, dari molekul sederhana seperti karbon dioksida dan air. Organisme heterotrofik, sebaliknya, memerlukan sumber bahan yang lebih kompleks, seperti monosakarida dan asid amino, untuk menghasilkan molekul kompleks ini. Organisma dapat dikelaskan lebih lanjut mengikut sumber tenaga utamanya: photoautotrophs dan photoheterotrophs menerima tenaga dari cahaya, sementara chemoautotrophs dan chemoheterotrophs menerima tenaga dari reaksi pengoksidaan anorganik..

Fiksasi karbon

Fotosintesis adalah sintesis karbohidrat dari cahaya matahari dan karbon dioksida (CO2). Pada tumbuhan, sianobakteria dan alga, fotosintesis oksigen memecah air, dan oksigen dilepaskan sebagai produk sampingan. Proses ini menggunakan ATP dan NADPH yang dihasilkan oleh pusat tindak balas fotosintetik, seperti yang dijelaskan di atas, untuk menukar CO2 menjadi 3-fosfat gliserat, yang kemudian dapat diubah menjadi glukosa. Reaksi fiksasi karbon ini dilakukan menggunakan enzim Rubisco sebagai sebahagian daripada kitaran Kelvin-Benson. Pada tumbuhan, terdapat tiga jenis fotosintesis, fiksasi karbon C3, fiksasi karbon C4 dan fotosintesis CAM. Mereka berbeza dalam laluan yang menggunakan karbon dioksida untuk kitaran Calvin, dengan tanaman C3 memperbaiki CO2 secara langsung, sementara fotosintesis C4 dan CAM pertama kali menggabungkan CO2 ke sebatian lain sebagai alat untuk menangani cahaya matahari yang kuat dan keadaan kering. Dalam prokariota fotosintetik, mekanisme penetapan karbon lebih pelbagai. Di sini, karbon dioksida dapat diperbaiki menggunakan kitaran Kelvin-Benson, kitaran asid sitrik terbalik, atau karboksilasi asetil-CoA. Kemoautotrof prokariotik juga menangkap CO2 melalui kitaran Kelvin-Benson, tetapi menggunakan tenaga dari sebatian anorganik untuk menjalankan tindak balas. lapan belas)

Karbohidrat dan Glycans

Dengan anabolisme karbohidrat, asid organik sederhana dapat ditukar menjadi monosakarida, seperti glukosa, dan kemudian digunakan untuk menyusun polisakarida, seperti kanji. Penjanaan glukosa dari sebatian seperti piruvat, laktat, gliserin, gliserat 3-fosfat dan asid amino disebut glukoneogenesis. Gluconeogenesis mengubah piruvat menjadi glukosa-6-fosfat melalui satu siri perantaraan, banyak yang diperhatikan semasa glikolisis. Walau bagaimanapun, jalan ini bukan hanya glikolisis yang mengalir ke arah yang berlawanan, kerana beberapa langkah dikatalisis oleh enzim bukan glikolitik. Ini penting kerana ia membolehkan anda mengatur pembentukan dan pemecahan glukosa secara berasingan, dan juga mencegah aliran serentak kedua-dua jalur dalam kitaran sia-sia. Walaupun lemak adalah cara biasa menyimpan tenaga, pada vertebrata seperti manusia, asid lemak yang terdapat di dalam gudang ini tidak dapat ditukarkan menjadi glukosa melalui glukoneogenesis, kerana organisma ini tidak dapat menukar asetil-CoA menjadi piruvat; tumbuhan, tidak seperti haiwan, mempunyai mekanisme enzimatik yang diperlukan. Akibatnya, setelah berpuasa lama, vertebrata perlu menghasilkan badan keton dari asid lemak untuk menggantikan glukosa dalam tisu seperti otak, yang tidak dapat memetabolismekan asid lemak. Dalam organisma lain, seperti tumbuhan dan bakteria, masalah metabolik ini diselesaikan dengan menggunakan kitaran glikoksilat, yang melewati tahap dekarboksilasi dalam kitaran asid sitrik dan mendorong penukaran asetil-CoA menjadi oksaloasetat, di mana ia dapat digunakan untuk pengeluaran glukosa. Polisakarida dan glisans dihasilkan dengan menambahkan monosakarida secara berurutan dengan glikosil transferase dari penderma gula fosfat reaktif seperti glukosa difosfat uridin (glukosa UDP) kepada akseptor kumpulan hidroksil pada polisakarida yang semakin meningkat. Oleh kerana mana-mana kumpulan hidroksil pada cincin substrat boleh menjadi akseptor, polisakarida yang dihasilkan boleh mempunyai struktur lurus atau bercabang. Polisakarida yang dihasilkan dapat memiliki fungsi struktur atau metabolik per se, atau dipindahkan ke lipid dan protein menggunakan enzim yang disebut transferig oligosakarya..

Asid lemak, isoprenoid dan steroid

Asid lemak dihasilkan oleh sintase asid lemak, yang berpolimerisasi dan kemudian mengurangkan unit asetil-CoA reduktase. Rantai asil dalam asid lemak ini diperpanjang dengan kitaran tindak balas yang menambahkan kumpulan asil, mengembalikannya kepada alkohol, mengeringkannya menjadi kumpulan alkena, dan kemudian mengembalikannya kepada kumpulan alkana sekali lagi. Enzim biosintesis asid lemak dibahagikan kepada dua kumpulan: pada haiwan dan kulat, semua reaksi sintase asid lemak ini dilakukan oleh satu protein jenis I pelbagai fungsi, sementara pada plastid tumbuhan dan bakteria, enzim jenis II individu melakukan setiap langkah sepanjang proses ini. Terpenes dan isoprenoid mewakili kelas besar lipid yang merangkumi karotenoid dan membentuk kelas terbesar produk semula jadi berasaskan tumbuhan. Sebatian ini dibuat dengan memasang dan mengubah unit isoprena yang disumbangkan dari prekursor reaktif isopentenil pyrophosphate dan dimethylallyl pyrophosphate. Prekursor ini dapat dihasilkan dengan cara yang berbeza. Pada haiwan dan archaebacteria, jalur mevalonat menghasilkan sebatian ini dari asetil-CoA, sementara pada tumbuhan dan bakteria, jalur bukan-mevalonat menggunakan piruvat dan gliseraldehid-3-fosfat sebagai substrat. 19) Salah satu reaksi penting menggunakan penderma isoprena aktif ini adalah biosintesis steroid. Di sini, unit isoprena bergabung bersama untuk menghasilkan squalene, dan kemudian membentuk satu set cincin untuk menghasilkan lanosterol. Lanosterol kemudian boleh ditukar menjadi steroid lain seperti kolesterol dan ergosterol.

Tupai

Organisma berbeza dalam kemampuannya mensintesis 20 asid amino biasa. Sebilangan besar bakteria dan tumbuhan dapat mensintesis dua puluh asid amino, tetapi mamalia dapat mensintesis hanya sebelas asid amino tidak penting, jadi sembilan asid amino penting mesti diperoleh dari makanan. Beberapa parasit sederhana, seperti bakteria Mycoplasma pneumoniae, sama sekali tidak mampu menghasilkan asid amino dan membawanya terus dari organisma tuan rumah. Semua asid amino disintesis dari glikolisis perantaraan, kitaran asid sitrik, atau laluan fosfat pentosa. Nitrogen disediakan oleh glutamat dan glutamin. Sintesis asid amino bergantung pada pembentukan asid alfa-keto yang sepadan, yang kemudian ditransaminasi untuk membentuk asid amino. Asid amino disatukan menjadi protein, menghubungkan satu sama lain dalam rantai ikatan peptida. Setiap protein individu mempunyai urutan residu asid amino yang unik: ini adalah struktur utamanya. Sama seperti huruf-huruf abjad dapat digabungkan untuk membentuk ragam kata yang hampir tidak terhingga, asid amino dapat dihubungkan dalam satu urutan atau yang lain, membentuk sejumlah besar protein. Protein terdiri daripada asid amino yang telah diaktifkan dengan melekat pada molekul pembawa RNA melalui hubungan ether. Prekursor aminoacyl tRNA ini dihasilkan dalam reaksi bergantung ATP menggunakan synthetase aminoacyl tRNA. Aminoacyl-tRNA ini adalah substrat untuk ribosom yang mengikat asid amino pada rantai protein lanjutan menggunakan maklumat urutan dalam messenger RNA. dua puluh)

Sintesis nukleotida

Nukleotida dibuat dari asid amino, karbon dioksida dan asid formik dengan cara yang memerlukan banyak tenaga metabolik. Akibatnya, kebanyakan organisma mempunyai sistem yang berkesan untuk menyelamatkan nukleotida yang telah terbentuk. Purin disintesis sebagai nukleosida (asas dalam ribosis). Kedua-dua adenin dan guanin terbuat dari prekursor nukleosida-inosin-monofosfat, yang disintesis menggunakan atom dari asid amino glisin, glutamin dan asam aspartat, serta format yang dipindahkan dari koenzim tetrahidrofolat. Pyrimidines, sebaliknya, disintesis dari orotat asas, yang terbentuk dari glutamin dan aspartat. 21)

Metabolisme Xenobiotik dan Redoks

Semua organisma selalu terdedah kepada sebatian yang tidak dapat mereka gunakan sebagai makanan dan yang boleh memudaratkan jika terkumpul di dalam sel, kerana mereka tidak mempunyai fungsi metabolik. Sebatian yang berpotensi berbahaya ini disebut xenobiotik. Xenobiotik, seperti ubat sintetik, racun semula jadi dan antibiotik, didetoksifikasi oleh sejumlah enzim yang memetabolisme xenobiotik. Dalam tubuh manusia, enzim ini merangkumi sitokrom P450 oksidase, UDP-glukuronil transferase dan glutathione S-transferase. Sistem enzim ini beroperasi dalam tiga tahap, pertama, dengan mengoksidasi xenobiotik (fasa I), dan kemudian mengkonjugasi kumpulan larut air pada molekul (fasa II). Xenobiotik larut air yang diubah suai kemudian dapat dipam keluar dari sel dan, dalam organisma multisel, dapat dimetabolismekan lebih jauh sebelum dikeluarkan dari badan (fasa III). Dalam ekologi, tindak balas ini sangat penting dalam biodegradasi mikrobial pencemar dan bioremediasi tanah dan tumpahan minyak yang tercemar. Sebilangan besar reaksi mikroba ini diperhatikan pada organisma multisel, tetapi kerana pelbagai spesies mikroba yang luar biasa, organisma ini dapat menangani pelbagai jenis xenobiotik yang lebih luas daripada organisma multisel, dan mereka juga dapat memecah pencemar organik yang berterusan seperti organoklorin. 22) Masalah yang berkaitan untuk organisma aerobik adalah tekanan oksidatif. Di sini, proses termasuk fosforilasi oksidatif dan pembentukan ikatan disulfida semasa lipatan protein menghasilkan spesies oksigen reaktif seperti hidrogen peroksida. Oksidan yang merosakkan ini dikeluarkan oleh metabolit antioksidan seperti glutathione dan enzim seperti katalase dan peroksidase..

Termodinamik organisma hidup

Organisma hidup mesti mematuhi undang-undang termodinamik, yang menggambarkan pemindahan haba dan kerja. Undang-undang termodinamik kedua menyatakan bahawa dalam sistem tertutup jumlah entropi (gangguan) tidak dapat dikurangkan. Walaupun kerumitan organisma hidup yang luar biasa nampaknya bertentangan dengan undang-undang ini, kehidupan adalah mungkin, kerana semua organisma adalah sistem terbuka yang menukar bahan dan tenaga dengan alam sekitar. Oleh itu, sistem hidup tidak berada dalam keseimbangan, tetapi adalah sistem disipatif yang mempertahankan keadaan kerumitannya yang tinggi, menyebabkan peningkatan entropi persekitaran mereka yang lebih besar. Metabolisme sel mencapainya dengan menggabungkan proses katabolisme spontan dalam proses anabolisme bukan spontan. Dari segi termodinamik, metabolisme mengekalkan ketertiban dengan mewujudkan gangguan. 23)

Peraturan dan kawalan

Oleh kerana persekitaran kebanyakan organisma terus berubah, reaksi metabolik mesti diatur dengan tepat untuk menjaga keadaan yang tetap di dalam sel, suatu keadaan yang disebut homeostasis. Peraturan metabolik juga membolehkan organisma bertindak balas terhadap isyarat dan berinteraksi secara aktif dengan persekitarannya. Dua konsep yang berkait rapat penting untuk memahami bagaimana jalan metabolik dikawal. Pertama, pengawalan enzim di sepanjang jalan, kerana aktivitinya meningkat dan menurun sebagai tindak balas terhadap isyarat. Kedua, pengawalan enzim ini adalah kesan perubahan ini pada tahap umum jalan (mengalir melalui jalan). Sebagai contoh, enzim boleh menunjukkan perubahan besar dalam aktiviti (iaitu, ia diatur dengan ketat), tetapi jika perubahan ini tidak banyak mempengaruhi aliran jalur metabolik, maka enzim ini tidak terlibat dalam kawalan jalur. 24) Terdapat beberapa tahap regulasi metabolik. Dengan peraturan dalaman, jalan metabolik mengatur diri, bertindak balas terhadap perubahan tahap substrat atau produk; sebagai contoh, pengurangan jumlah produk boleh meningkatkan aliran melalui jalan pampasan. Jenis peraturan ini sering melibatkan peraturan alosterik dari aktiviti beberapa enzim sepanjang perjalanan. Peraturan luaran melibatkan sel dalam organisma multiselular, mengubah metabolisme sebagai tindak balas kepada isyarat dari sel lain. Isyarat ini biasanya dalam bentuk utusan larut, seperti hormon dan faktor pertumbuhan, dan dikesan oleh reseptor tertentu di permukaan sel. Kemudian isyarat ini dihantar di dalam sel menggunakan sistem messenger sekunder, yang sering terlibat dalam fosforilasi protein. Contoh peraturan luaran yang sangat baik adalah pengaturan metabolisme glukosa oleh hormon insulin. Insulin dihasilkan sebagai tindak balas kepada peningkatan glukosa darah. Pengikatan hormon dengan reseptor insulin pada sel kemudian mengaktifkan lata protein kinase, yang menyebabkan sel mengambil glukosa dan mengubahnya menjadi molekul penyimpanan seperti asid lemak dan glikogen. Metabolisme glikogen dikendalikan oleh aktiviti fosforilase, enzim yang memecah glikogen, dan glikogen sintase, enzim yang menghasilkannya. Enzim ini saling diatur, sementara fosforilasi menghalang glikogen sintase, tetapi mengaktifkan fosforilasi. Insulin memprovokasi sintesis glikogen dengan mengaktifkan fosfatase protein dan mengurangkan fosforilasi enzim ini.

Evolusi

Jalur metabolik pusat yang dijelaskan di atas, seperti glikolisis dan kitaran asid sitrik, terdapat di ketiga kerajaan makhluk hidup dan terdapat pada nenek moyang terakhir. Sel kelahiran sejagat ini adalah prokariotik dan mungkin metanogen, yang mempunyai metabolisme asid amino, nukleotida, karbohidrat dan lipid yang luas. Pemeliharaan jalur kuno ini semasa evolusi akhir mungkin disebabkan oleh kenyataan bahawa reaksi ini adalah penyelesaian terbaik untuk masalah metabolik spesifik mereka, sementara jalan seperti glikolisis dan kitaran asid sitrik menghasilkan produk akhir mereka dengan kecekapan tinggi dan dengan jumlah minimum tahap. Jalur metabolisme berasaskan enzim pertama mungkin merupakan sebahagian daripada metabolisme nukleotida purin, sementara jalur metabolik sebelumnya adalah sebahagian dari RNA dunia kuno. Banyak model telah diusulkan untuk menerangkan mekanisme dengan cara jalur metabolik baru berkembang. Mereka termasuk penambahan berurutan enzim baru ke saluran kelahiran pendek, penduaan, dan kemudian perbezaan keseluruhan jalan, serta pemilihan enzim yang ada dan penyatuannya dalam jalur reaksi baru. Kepentingan relatif mekanisme ini tetap tidak jelas, tetapi kajian genomik menunjukkan bahawa enzim di jalur mungkin berkongsi silsilah yang sama, menunjukkan bahawa banyak laluan berkembang selangkah demi selangkah dengan fungsi baru yang dibuat dari langkah-langkah laluan yang ada. Model alternatif didasarkan pada kajian yang menelusuri evolusi struktur protein dalam rangkaian metabolik; ini menunjukkan bahawa enzim ditaip secara meluas, meminjam enzim untuk melakukan fungsi yang serupa dalam jalur metabolik yang berbeza. Proses pengambilan ini membawa kepada mosaik enzimatik evolusi. Kemungkinan ketiga adalah mungkin ada beberapa bagian metabolisme, seperti "modul", yang dapat digunakan kembali dengan cara yang berbeda dan melakukan fungsi serupa pada molekul yang berlainan. Seperti evolusi jalan metabolik baru, evolusi juga boleh menyebabkan kehilangan fungsi metabolik. Sebagai contoh, dalam beberapa parasit, proses metabolik yang tidak diperlukan untuk kelangsungan hidup hilang dan asid amino, nukleotida dan karbohidrat pracampuran dapat dikeluarkan dari inang. Keupayaan metabolik yang dikurangkan serupa diperhatikan pada organisma endosymbiotik. 25)

Penyelidikan dan manipulasi

Secara klasik, metabolisme dikaji dalam pendekatan reduksionis yang memfokuskan pada satu jalan metabolisme. Nilai tertentu adalah penggunaan label radioaktif di seluruh badan, tisu dan pada tahap sel, yang menentukan jalan dari prekursor hingga produk akhir dengan mengenal pasti perantara berlabel radioaktif dan produk lain. Enzim yang menjadi pemangkin reaksi kimia ini kemudiannya dapat disucikan dan kinetik serta tindak balas mereka terhadap perencat diperiksa. Pendekatan selari adalah untuk mengenal pasti molekul kecil dalam sel atau tisu; satu set lengkap molekul ini disebut metabolom. Secara umum, kajian ini memberikan idea yang baik mengenai struktur dan fungsi jalan metabolik sederhana, tetapi tidak mencukupi apabila diterapkan pada sistem yang lebih kompleks, seperti metabolisme keseluruhan sel. 26) Kini telah memungkinkan untuk menggunakan data genom ini untuk membina semula rangkaian reaksi biokimia lengkap dan menghasilkan model matematik yang lebih koheren yang dapat menjelaskan dan meramalkan tingkah laku mereka. Model-model ini sangat berkesan apabila digunakan untuk mengintegrasikan data jalur dan metabolik yang diperoleh menggunakan kaedah klasik dengan data mengenai ekspresi gen kajian proteomik dan kajian mikroarray DNA. Dengan menggunakan kaedah ini, model metabolisme manusia sedang dibuat yang akan memandu penemuan ubat-ubatan baru dan kajian biokimia di masa depan. Model-model ini kini digunakan dalam analisis rangkaian untuk mengklasifikasikan penyakit manusia ke dalam kumpulan yang berkongsi protein atau metabolit. 27) Jaringan metabolik bakteria adalah contoh utama organisasi "ikatan tali", seni bina yang mampu memperkenalkan pelbagai nutrien dan menghasilkan pelbagai jenis produk dan makromolekul kompleks dengan menggunakan sebilangan kecil perantaraan. Aplikasi teknologi utama maklumat ini adalah kejuruteraan metabolik. Di sini, organisma seperti ragi, tumbuhan, atau bakteria diubahsuai secara genetik, yang menjadikannya lebih berguna dalam bioteknologi dan menyumbang kepada pengeluaran ubat seperti antibiotik, atau bahan kimia industri seperti 1,3-propanediol dan asid shikimik. Pengubahsuaian genetik ini biasanya bertujuan untuk mengurangkan jumlah tenaga yang digunakan untuk menghasilkan produk, meningkatkan jumlah pengeluaran dan mengurangkan pengeluaran sisa.

Cerita

Istilah "metabolisme" berasal dari μεταβολισμός Yunani - "Metabolismos", yang bermaksud "perubahan", atau "rampasan kuasa". Rujukan pertama mengenai metabolisme yang didokumentasikan dibuat oleh Ibn al-Nafis dalam karyanya bertarikh 1260 M yang berjudul Al-Risalah al-Kamiliyyah fil Siera al-Nabawiyyah (risalah Kamil mengenai biografi Nabi), yang merangkumi frasa berikut "dan tubuh dan "Bahagiannya dalam keadaan larut dan pemakanan berterusan, jadi mereka pasti mengalami perubahan yang berterusan." Sejarah kajian saintifik metabolisme merangkumi beberapa abad dan bermula dari kajian keseluruhan haiwan pada kajian awal hingga pertimbangan reaksi metabolik individu dalam biokimia moden. Eksperimen terkawal pertama mengenai metabolisme manusia diterbitkan oleh Santorio pada tahun 1614 dalam bukunya Ars de statica Medicina. Dia menggambarkan bagaimana dia menimbang dirinya sebelum dan sesudah makan, tidur, bekerja, melakukan hubungan seks, berpuasa, minum, dan pergi ke tandas. Dia mendapati bahawa sebahagian besar makanan yang dimakannya hilang semasa proses yang disebutnya "berpeluh yang tidak dapat dilihat." Dalam kajian awal ini, mekanisme proses metabolik ini tidak dikenal pasti, dan dipercayai bahawa kekuatan hidup menghidupkan semula tisu hidup. Pada abad ke-19, ketika mempelajari fermentasi gula menjadi alkohol oleh ragi, Louis Pasteur menyimpulkan bahawa fermentasi dikatalisis oleh zat-zat dalam sel ragi, yang disebutnya "enzim." Dia menulis bahawa "fermentasi alkohol berkaitan dengan kehidupan dan organisasi sel-sel ragi, dan bukan dengan kematian atau pembusukan sel." Penemuan ini, bersama dengan karya Friedrich Wöhler pada tahun 1828 mengenai sintesis kimia urea, dibezakan oleh fakta bahawa ia adalah sebatian organik pertama yang diperoleh daripada prekursor tidak organik sepenuhnya. Ini membuktikan bahawa sebatian organik dan tindak balas kimia dalam sel tidak berbeza pada asasnya dengan bahagian kimia lain. Penemuan enzim pada awal abad ke-20 oleh Eduard Buchner memisahkan kajian reaksi metabolik kimia dari kajian biologi sel, dan juga menandakan kelahiran biokimia. Pengetahuan biokimia meningkat dengan pesat sepanjang separuh pertama abad ke-20. Salah satu ahli biokimia yang paling produktif pada masa itu adalah Hans Krebs, yang memberikan sumbangan besar dalam kajian metabolisme. 28) Dia membuka kitaran urea, dan kemudian, bekerja dengan Hans Kornberg, kitaran asid sitrik dan kitaran glikoksilat. Kajian biokimia moden telah memberikan sumbangan besar kepada pengembangan kaedah baru, seperti kromatografi, difraksi sinar-X, spektroskopi NMR, pelabelan radioisotop, mikroskop elektron, dan pemodelan dinamika molekul. Kaedah ini membolehkan penemuan dan analisis terperinci mengenai banyak molekul dan jalur metabolik dalam sel..

Baca Mengenai Faktor Risiko Diabetes