【Издательство PEP】Биология для старших классов, обязательный курс, часть 1: Каталитический центр жизнедеятельности — клеточный метаболизм и открытие ферментов

Представьте, что каждая ваша клетка — это миниатюрная фабрика, работающая без остановки. Все химические реакции, происходящие в этой фабрике каждую секунду, называютсяклеточный метаболизм (cellular metabolism). Без какого-либо вмешательства эти реакции при обычной температуре и давлении протекали бы настолько медленно, что почти остановились бы. Однако жизнь бурно развивается благодаря удивительному «биологическому катализатору» —ферментам (enzyme), которые ускоряют скорость реакций в миллионы раз.

Границы метаболизма и транспорт веществ

До начала метаболизма вещества должны проходить через клеточную мембрану. Малые молекулы перемещаются с помощьютранспортных белков (белков-переносчиков и канальных белков) путем облегченной диффузии или активного транспорта; а крупные молекулы, такие как белки, — посредствомэндоцитоза (endocytosis)иэкзоцитоза (exocytosis), используя текучесть мембраны для упаковки в везикулы и «трансмембранной доставки».

Природа ферментов: ускорители жизни

Природа: ферменты — это органические вещества с каталитической функцией, вырабатываемые живыми клетками; большинство из них — белки, некоторые — РНК.
Принцип: они значительно снижают «энергию активации», необходимую для химических реакций, обеспечивая эффективное и стабильное протекание сложного метаболизма даже в среде с концентрацией $H^+$, например $150\text{ ммоль}\cdot\text{л}^{-1}$.

💡 Научная дискуссия

Спор Пастера и Либиха учит нас: истина в науке часто скрывается на пересечении противоположных точек зрения. Бухнер, разрушая клетки, сохранил «вещество», на котором настаивал Либих, и признал «клеточное происхождение», которое исследовал Пастер.

ВОПРОС 1

В 1773 году Спалланцани поместил кусочки мяса в маленькую металлическую клетку и скормил их орлу. 1. Зачем нужно было класть мясо в металлическую клетку? 2. Какое вещество заставило мясо исчезнуть? 3. Как можно доказать ваше предположение?

1. Чтобы предотвратить механическое перетирание желудком; 2. Химическое вещество в желудочном соке; 3. Собрать желудочный сок и провести эксперимент in vitro.

1. Чтобы защитить желудок орла; 2. Разложение бактериями; 3. Увеличить физическую активность орла.

ВОПРОС 2

В супермаркете йогурт вздулся. Йогурт содержит молочнокислые бактерии и дрожжи. Проанализируйте причину вздутия и оцените, верно ли следующее объяснение: молочнокислые бактерии в анаэробных условиях производят углекислый газ, что приводит к вздутию упаковки.

Неверно. Продукт брожения молочнокислых бактерий — только молочная кислота, газов они не выделяют; вздутие вызвано выделением $CO_2$ дрожжами.

Верно. После истечения срока годности молочнокислые бактерии меняют тип метаболизма и начинают выделять газ.

ВОПРОС 3

Культуру дрожжей разделили на: А (надосадочная жидкость после разрушения — цитоплазма), Б (осадок — органеллы), В (целые клетки). Добавили равное количество глюкозы. В аэробных условиях $CO_2$ и $H_2O$ в итоге образуются в:

Пробирке В

Пробирках А и Б

ВОПРОС 4

Назовите типы клеточного дыхания дрожжей и различие в продуктах каждого типа.

Факультативные анаэробы: в присутствии кислорода образуют $CO_2$ и $H_2O$; в бескислородной среде — спирт и $CO_2$.

Только аэробное дыхание: образуют $CO_2$ и $H_2O$; без кислорода погибают.

ВОПРОС 5

Какой фермент вызывает гидролиз амилазы слюны?

A. Амилаза

B. Протеаза

C. Липаза

D. Мальтаза

Анализ кейса: научное исследование природы ферментов

Логические взаимосвязи и научное познание

От споров XIX века о природе брожения до выделения Самнером кристаллической уреазы из канавалий и доказательства ее белковой природы, а затем до открытия каталитической функции некоторых РНК. Этот путь не только определил понятие фермента, но и продемонстрировал методологию научного исследования.

1. Опираясь на вклад Пастера, Либиха, Бухнера и Самнера, кратко охарактеризуйте логику развития науки. (Письменное задание: ~85 слов)

Ответ:
Развитие науки — это непрерывный процесс наблюдения, экспериментов и корректировки. Пастер подчеркивал роль живых клеток, Либих фокусировался на химических веществах; Бухнер, разрушая клетки, доказал, что каталитическое вещество (фермент) может существовать отдельно от живых клеток, объединив спорные точки зрения; Самнер с помощью химических методов окончательно раскрыл материальную природу ферментов. Научная истина приближается через сомнения и проверку.

2. В процессе пищеварения в желудке каким образом пепсин выделяется в полость желудка? Как он влияет на энергию активации?

Ответ:
Пепсин — это крупномолекулярный белок, выделяющийся путем экзоцитоза. Как катализатор, он значительно снижает энергию активации, необходимую для гидролиза белков, позволяя реакции быстро протекать при температуре тела.