Дать сравнительную характеристику процессов ассимиляции и диссимиляции в клетке и показать их взаимосвязь. В чем суть метаболизма, ассимиляции и диссимиляции

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

Ассимиляция или пластический обмен – совокупность реакций синтеза, которые идут с затратой энергии АТФ. В процессе ассимиляции синтезируются органические вещества, необходимые клетке. обеспечивает рост, развитие, обновление организма и накопление запасов, используемых в качестве источника энергии. Организмы с точки зрения термодинамики представляют собой открытые системы, т. е. могут существовать только при непрерывном притоке энергии извне. Ассимиляция уравновешивается суммой процессов диссимиляции (распада). Примером таких реакций являются фотосинтез, биосинтез белка и репликация ДНК.

Аминокислоты -> Белки

Глюкоза -> Полисахариды

Глицерин + Жирные кислоты -> Жиры

Нуклеотиды -> Нуклеиновые кислоты

Другая сторона обмена веществ - процессы диссимиляции, в результате которых сложные органические соединения распадаются на простые соединения, при этом утрачивается их сходство с веществами организма и выделяется энергия, запасаемая в виде АТФ, необходимая для реакций биосинтеза. Поэтому диссимиляцию называют еще энергетическим обменом. Наиболее важными процессами энергетического обмена являются дыхание и брожение.

Белки -> Аминокислоты

Полисахариды -> Глюкоза

Жиры -> Глицерин + Жирные кислоты

Нуклеиновые кислоты -> Нуклеотиды

Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава и строения всех частей организма и как следствие - постоянство функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды.

Дезоксирибонуклеиновая кислота, ее строение и свойства. Мономеры ДНК. Способы соединения нуклеотидов. Комплементарность нуклеотидов. Антипараллельные полинуклеотидные цепи. Репликация и репарация.

Структура молекулы ДНК была расшифрована в 1953г Уотсоном, Криком, Уилкинсом. Это две спирально закрученные антипараллельные (напротив конца 3 / одной цепи располагается 5 / конец другой) полинуклеотидные цепи. Мономерами ДНК являются нуклеотиды , в состав каждого из них входят: 1) дезоксирибоза; 2) остаток фосфорной кислоты; 3) одно из четырех азотистых оснований (аденин, тимин, гуанин, цитозин).). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид , прикреплена изнутри к клеточной мембране. ДНК - это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков - нуклеотидов. Нуклеотиды соединяются в цепочку благодаря фосфорно-диэфирным связям между дезоксирибозой одного остатка и остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида. Азотистые основания присоединяются к дезоксирибозе и образуют боковые радикалы. Между азотистыми основаниями цепочек ДНК устанавливаются водородные связи (2 между А и Т, 3 между Г и Ц). Строгое соответствие нуклеотидов друг другу в парных цепочках ДНК называется комплементарностью.

РЕПАРАЦИЯ ДНК- особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённой при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физических или химических агентов. Осуществляется специальными ферментными системами клетки. Ряд наследственных болезней (напр., пигментная ксеродерма) связан с нарушениями систем репарации. Каждая из систем репарации включает следующие компоненты:

ДНК-хеликаза - фермент, «узнающий» химически изменённые участки в цепи и осуществляющий разрыв цепи вблизи от повреждения; фермент, удаляющий повреждённый участок;

ДНК-полимераза - фермент, синтезирующий соответствующий участок цепи ДНК взамен удалённого;

ДНК-лигаза - фермент, замыкающий последнюю связь в полимерной цепи и тем самым восстанавливающий её непрерывность.

Репликация молекул ДНК происходит в синтетический период интерфазы. Каждая из двух цепей "материнской" молекулы служит матрицей для "дочерней". После репликации вновь синтезированная молекула ДНК содержит одну "материнскую" цепочку, а вторую - "дочернюю", вновь синтезированную (полуконсервативный способ). Для матричного синтеза новой молекулы ДНК необходимо, чтобы старая молекула была деспирализована и вытянута. Репликация начинается в нескольких местах молекулы ДНК. Участок молекулы ДНК от точки начала одной репликации до точки начала другой называется репликоном . Прокариотическая клетка содержит один репликон, а эукариотическая - содержит много репликонов. Начало репликации активируется праймерами (затравками), состоящими из 100-200 пар нуклеотидов. Фермент ДНК-геликаза раскручивает и разделяет материнскую спираль ДНК на 2 нити, на которых по принципу комплементарности при участии фермента ДНК-полимеразы собираются «дочерние» цепи ДНК . Фермент ДНК-топоизомераза скручивает «дочерние» молекулы ДНК. В каждом репликоне ДНК-полимераза может двигаться вдоль «материнской» нити только в одном направлении (3/ ⇒ 5/). Таким образом, присоединение комплементарных нуклеотидов дочерних нитей идет в противоположных направлениях (антипараллельно). Репликация во всех репликонах идет одновременно. Фрагменты Оказаки и части «дочерних» нитей, синтезированные в разных репликонах, сшиваются в единую нить ферментом лигазой . Репликация характеризуется полуконсервативностью, антипараллельностью и прерывистостью (фрагменты Оказаки).

Механизм репарации основан на наличии в молекуле ДНК двух комплементарных цепей. Искажение последовательности нуклеотидов в одной из них обнаруживается специфическими ферментами. Затем соответствующий участок удаляется и замещается новым, синтезированным на второй комплементарной цепи ДНК. Такую репарацию называют эксцизионной , т.е. с «вырезанием». Она осуществляется до очередного цикла репликации, поэтому ее называют также дорепликативной .

В том случае, когда система эксцизионной репарации не исправляет изменения, возникшего в одной цепи ДНК, в ходе репликации происходит фиксация этого изменения и оно становится достоянием обеих цепей ДНК. Это приводит к замене одной пары комплементарных нуклеотидов на другую либо к появлению разрывов (брешей) во вновь синтезированной цепи против измененных участков. Пострепликативная репарация осуществляется путем рекомбинации (обмена фрагментами) между двумя вновь образованными двойными спиралями ДНК. Пример- восстановление нормальной структуры ДНК при возникновении тиминовых димеров (Т-Т) Ковалентные связи, возникающие между рядом стоящими остатками тимина, делают их не способными к связыванию с комплементарными нуклеотидами. В результате во вновь синтезируемой цепи ДНК появляются разрывы (бреши), узнаваемые ферментами репарации. Восстановление целостности новой полинуклеотидной цепи одной из дочерних ДНК осуществляется благодаря рекомбинации с соответствующей ей нормальной материнской цепью другой дочерней ДНК. Образовавшийся в материнской цепи пробел заполняется затем путем синтеза на комплементарной ей полинуклеотидной цепи. Проявлением такой пострепликативной репарации, осуществляемой путем рекомбинации между цепями двух дочерних молекул ДНК, можно считать нередко наблюдаемый обмен материалом между сестринскими хроматидами.

18. Репликация молекулы ДНК. Репликон. Праймер. Принципы репликации ДНК: полуконсервативность, антипараллельность, прерывистость (фрагменты Оказаки). Фазы репликации: инициации, элонгации, терминации . Особенности репликации ДНК про- и эукариот.

Способность к самокопированию- репликация. Это свойство обеспечивается двухцепочечной структуре. В процессе репликации на каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей цепь. Такой способ удвоения молекул, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь, называют полуконсервативным .

Для осуществления репликации цепи материнской ДНК должны быть отделены друг от друга, чтобы стать матрицами, на которых будут синтезироваться комплементарные цепи дочерних молекул. C помощью фермента геликазы , разрывающего водородные связи, двойная спираль ДНК расплетается в точках начала репликации. Образующиеся одинарные цепи ДНК связываются специальными дестабилизирующими белками, которые растягивают остовы цепей, делая их азотистые основания доступными для связывания с комплементарными нуклеотидами, находящимися в нуклеоплазме. На каждой из цепей, образующихся в области репликационной вилки, при участии фермента ДНК-полимеразы осуществляется синтез комплементарных цепей.

Cинтез второй цепи ДНК осуществляется короткими фрагментами (фрагменты Оказаки ) также в направлении от 5"- к 3"-концу. Синтезу каждого такого фрагмента предшествует образование РНК-затравки длиной около 10 нуклеотидов. Вновь образованный фрагмент с помощью фермента ДНК-лигазы соединяется с предшествующим фрагментом после удаления его РНК-затравки. В связи с указанными особенностями репликационная вилка является асимметричной. Из двух синтезируемых дочерних цепей одна строится непрерывно, ее синтез идет быстрее и эту цепь называют лидирующей . Синтез другой цепи идет медленнее, так как она собирается из отдельных фрагментов, требующих образования, а затем удаления РНК-затравки. Поэтому такую цепь называют запаздывающей (отстающей ). Хотя отдельные фрагменты образуются в направлении 5" → 3", в целом эта цепь растет в направлении 3" → 5". Репликация ДНК у про- и эукариот в основных чертах протекает сходно, однако, скорость синтеза у эукариот на порядок ниже, чем у прокариот. Причиной этого может быть образование ДНК эукариот достаточно прочных соединений с белками, что затрудняет ее деспирализацию, необходимую для осуществления репликативного синтеза.

Праймер - это короткий фрагмент нуклеиновой кислоты, комплементарный ДНК- или РНК-мишени, служит затравкой для синтеза комплементарной цепи с помощью ДНК-полимеразы, а также при репликации ДНК. Затравка необходима ДНК-полимеразам для инициации синтеза новой цепи, с 3"-конца праймера. ДНК-полимераза последовательно добавляет к 3"-концу праймера нуклеотиды, комплементарные матричной цепи.

Репликон - единица процесса репликации участка генома, к-рый находится под контролем одной точки инициации (начала) репликации. От точки инициации репликация идёт в обе стороны, в нек-рых случаях с неравной скоростью. Репликация ДНК - ключевое событие в ходе деления клетки. Принципиально, чтобы к моменту деления ДНК была реплицирована полностью и при этом только один раз. Это обеспечивается определёнными механизмами регуляции репликации ДНК. Репликация проходит в три этапа:

· инициация репликации

· элонгация

· терминация репликации.

Регуляция репликации осуществляется в основном на этапе инициации. Это достаточно легко осуществимо, потому что репликация может начинаться не с любого участка ДНК, а со строго определённого, называемого сайтом инициации репликации . В геноме таких сайтов может быть как всего один, так и много. С понятием сайта инициации репликации тесно связано понятие репликон. Репликон - это участок ДНК, который содержит сайт инициации репликации и реплицируется после начала синтеза ДНК с этого сайта.

Репликация начинается в сайте инициации репликации с расплетания двойной спирали ДНК, при этом формируется репликационная вилка - место непосредственной репликации ДНК. В каждом сайте может формироваться одна или две репликационные вилки в зависимости от того, является ли репликация одно- или двунаправленной. Более распространена двунаправленная репликация. Через некоторое время после начала репликации в электронный микроскоп можно наблюдать репликационный глазок - участок хромосомы, где ДНК уже реплицирована, окружённый более протяжёнными участками нереплицированной ДНК.

Полуконсервативность означает, что каждая дочерняя ДНК состоит из одной матричной цепи и одной вновь синтезированной.

Антипараллельность цепей ДНК: противоположная направленность двух нитей двойной спирали ДНК; одна нить имеет направление от 5" к 3", другая - от 3" к 5".

Каждая цепь ДНК имеет определенную ориентацию. Один конец несет гидроксильную группу (- ОН), присоединенную к 3"-углероду в сахаре дезоксирибозе, на другом конце цепи находится остаток фосфорной кислоты в 5"-положении сахара. Две комплементарные цепи в молекуле ДНК расположены в противоположных направлениях - антипараллельно: одна нить имеет направление от 5" к 3", другая - от 3" к 5". При параллельной ориентации напротив 3"-конца одной цепи находился бы З"-конец другой.

У прокариот одна из нитей ДНК разрывается и один конец ее прикрепляется к клеточной мембране, а на противоположном конце происходит синтез дочерних нитей. Такой синтез дочерних нитей ДНК получил название «катящегося обруча». Репликация ДНК протекает быстро.

"Введение в общую биологию и экологию. 9 класс". А.А. Каменский (гдз)

Ассимиляция и диссимиляция - противоположные процессы метаболизма

Вопрос 1. Почему Солнце - главнейший источник энергии на Земле?
Любая живая клетка, осуществляя многообразные процессы синтеза и распада веществ, подобна сложнейшему химическому комбинату. Для нормального протекания этих химических процессов необходим постоянный обмен веществ между клеткой и окружающей средой, а также постоянное превращение энергии в клетке. Получаемые извне белки, жиры, углеводы, витамины, микроэлементы расходуются клетками на синтез необходимых им соединений, построение клеточных структур. Однако для синтеза веществ необходима энергия. Главный источник энергии для живых организмов - Солнце.

Вопрос 2. Почему ассимиляция невозможна без диссимиляции, и наоборот?
Из поступающих в клетку компонентов пищи под действием биологических катализаторов, ферментов, синтезируются новые молекулы для замены израсходованных веществ, для построения органоидов. Весь набор реакций биологического синтеза веществ в клетке (биосинтеза) получил название ассимиляции, или пластического обмена.
Очевидно, что синтез каких-либо веществ невозможен без затрат энергии. Особенно интенсивно реакции ассимиляции происходят в растущей, развивающейся клетке. Важнейшими из таких реакций являются синтез белка и фотосинтез. Как же клетка получает энергию для реакций биосинтеза? Наряду с процессами синтеза новых веществ в клетках происходит постоянный распад запасенных при ассимиляции сложных органических веществ. При участии ферментов эти молекулы распадаются до более простых соединений; при этом высвобождается энергия. Чаще всего эта энергия запасается в виде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Далее энергия АТФ используется для различных нужд клетки, в том числе и для реакций биосинтеза. Совокупность реакций распада веществ клетки, сопровождающихся выделением энергии, получила название диссимиляции.
Ассимиляция и диссимиляция - противоположные процессы: в первом случае вещества образуются, во втором - разрушаются. Но они тесно взаимосвязаны и друг без друга невозможны. Ведь если в клетке не будут синтезироваться и запасаться сложные вещества, то нечему будет распадаться, когда потребуется энергия. А если вещества не будут распадаться, то где взять энергию для синтеза необходимых веществ?
Таким образом, ассимиляция и диссимиляция - это две стороны единого процесса обмена веществ и энергии, получившего название метаболизма (гр. metabole - превращение).

Вопрос 3. Могли бы какие-либо живые существа выжить на Земле, если бы Солнце погасло?
Солнце является источником энергии для растений, которые благодаря хлорофиллу синтезируют органические вещества. Животные, грибы и бактерии используют эту органику для получения энергии АТФ, затрачиваемой ими для синтеза необходимых соединений, построения клеток. Без солнечной энергии они не смогли бы существовать. Многие виды бактерий, способные синтезировать необходимые им органические соединения из неорганических за счет энергии химических реакций окисления, происходящих в клетке, относятся к хемотрофам. Захватываемые бактерией вещества окисляются, а образующаяся энергия используется на синтез сложных органических молекул из СО 2 и Н 2 O. Этот процесс носит название хемосинтеза.
Важнейшую группу хемосинтезирующих организмов представляют собой нитрифицирующие бактерии. Исследуя их, С.Н. Виноградский в 1887 г. открыл процесс хемосинтеза . Нитрифицирующие бактерии, обитая в почве, окисляют аммиак, образующийся при гниении органических остатков, до азотистой кислоты. Другие виды бактерий способны использовать энергию многих других реакций окисления-восстановления (серобактерии, железобактерии и др.). Микроорганизмы, обмен веществ которых не зависит от солнечной энергии, вполне могли бы выжить, если бы Солнце погасло.

Тема: Ассимиляция и диссимиляция. Метаболизм. Цель урока: Познакомить учащихся с понятием «обмен веществ в организме», ассимиляция, диссимиляция, метаболизм. Задачи урока: Образовательные: конкретизировать знания об обмене веществ (метаболизме) как свойстве живых организмов, познакомить с двумя сторонами обмена, выявить общие закономерности метаболизма; установить связь пластического и энергетического обмена на разных уровнях организации живого и их связь с окружающей средой. Развивающие:формировать умение выделять сущность процесса в изучаемом материале; обобщать и сравнивать, делать выводы; работать с текстом, схемами, другими источниками; реализация творческого потенциала учащихся, развитие самостоятельности. Воспитательные: используя приобретенные знания, понимать перспективы практического использования фотосинтез; понимать влияние обмена веществ на сохранение и укрепление здоровья. Оборудование: компьютер, проектор, презентация. Тип урока: изучение нового материала. Формы работы учащихся: самостоятельная работа с учебником, индивидуальная работа у доски, фронтальная работа.

Скачать:

Предварительный просмотр:

ПЛАН-КОНСПЕКТ УРОКА

Тема: Ассимиляция и диссимиляция. Метаболизм.

Цель урока:

Познакомить учащихся с понятием «обмен веществ в организме», ассимиляция, диссимиляция, метаболизм.

Задачи урока:

Образовательные: конкретизировать знания об обмене веществ (метаболизме) как свойстве живых организмов, познакомить с двумя сторонами обмена, выявить общие закономерности метаболизма; установить связь пластического и энергетического обмена на разных уровнях организации живого и их связь с окружающей средой.

Развивающие:формировать умение выделять сущность процесса в изучаемом материале; обобщать и сравнивать, делать выводы; работать с текстом, схемами, другими источниками;

реализация творческого потенциала учащихся, развитие самостоятельности.

Воспитательные: используя приобретенные знания, понимать перспективы практического использования фотосинтез; понимать влияние обмена веществ на сохранение и укрепление здоровья.

Оборудование: компьютер, проектор, презентация.

Тип урока: изучение нового материала.

Формы работы учащихся: самостоятельная работа с учебником, индивидуальная работа у доски, фронтальная работа.

Ход урока

1. Организационный момент.

II. Повторение материала

1. Проверка правильности заполнения таблицы «Сравнение строения клеток эукариот и прокариот». (Ответ учащегося у доски.)
2. Фронтальная беседа по вопросам:

1. Какую роль выполняет спора у прокариот? Чем она отличается от спор эукариот?
2. Сравнивая строение и процессы жизнедеятельности эукариот и прокариот, выделите признаки, позволяющие предположить, какие клетки исторически более древние, а какие - более молодые.
3. Что такое ферменты? Какова их роль в организме?
4. Что такое обмен веществ? Приведите примеры обмена веществ в организме.

III. Изучение нового материала .

Задание: сравните два определения, найдите, есть ли в них отличие или они сходны. Чем вы это можете объяснить?

Обмен веществ складывается из двух взаимосвязанных процессов – анаболизма и катаболизма.

1. В ходе ассимиляции происходит биосинтез сложных молекул из простых молекул-предшественников или из молекул веществ, поступивших из внешней среды.

2. Важнейшими процессами ассимиляции являются синтез белков и нуклеиновых кислот (свойственный всем организмам) и синтез углеводов (только у растений, некоторых бактерий и цианобактерий).

3. В процессе ассимиляции при образовании сложных молекул идет накопление энергии, главным образом в виде химических связей.

1. При разрыве химических связей в молекулах органических соединений энергия высвобождается и запасается в виде АТФ.

2. Синтез АТФ у эукариот происходит в митохондриях и хлоропластах, а у прокариот – в цитоплазме, на мембранных структурах.

3. Диссимиляция обеспечивает все биохимические процессы в клетке энергией.

Всем живым клеткам постоянно нужна энергия, необходимая для протекания в них различных биологических и химических реакций. Одни организмы для этих реакций используют энергию солнечного света (при фотосинтезе), другие – энергию химических связей органических веществ, поступающих с пищей. Извлечение энергии из пищевых веществ осуществляется в клетке путем их расщепления и окисления кислородом, поступающим в процессе дыхания. Поэтому этот процесс называют биологическим окислением , или клеточным дыханием .

Биологическое окисление с участием кислорода называют аэробным , без кислорода – анаэробным . Процесс биологического окисления идет многоступенчато. При этом в клетке происходит накопление энергии в виде молекул АТФ и других органических соединений.

IV. Закрепление изученного материала.

1. Что такое ассимиляция? Приведите примеры реакций синтеза в клетке.
2. Что такое диссимиляция? Приведите примеры реакций распада в клетке.
3. Докажите, что ассимиляция и диссимиляция - две стороны единого процесса обмена веществ и энергии - метаболизма.

Задание. Установите соответствие между процессами, протекающими в клетках организмов, и их принадлежностью к ассимиляции или диссимиляции: