64520

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ

Контрольная

Биология и генетика

Энергетический обмен диссимиляция катаболизм совокупность реакций расщепления органических соединений сопровождающихся выделением энергии. Питание процесс потребления энергии и веществ.

Русский

2014-07-07

253.64 KB

0 чел.

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ

Метаболизм – совокупность химических реакций в живой клетке, складывающихся из противоположных процессов пластического и энергетического обменов.

Пластический обмен – (ассимиляция, анаболизм) – совокупность реакций, обеспечивающих синтез органических соединений в клетке (фотосинтез, биосинтез белков).

Энергетический обмен – (диссимиляция, катаболизм) – совокупность реакций расщепления органических соединений, сопровождающихся выделением энергии.

Питание – процесс потребления энергии и веществ. По способу питания, т.е. по способу извлечения энергии и по источникам энергии организмы бывают автотрофами (греч. “аутос” – сам, “трофос” – питание) и гетеротрофами (греч. “гетерос” – различный).

Гетеротрофами называются организмы, не способные синтезировать органические соединения из неорганических, использующие в виде пищи (источника энергии) готовые органические соединения из окружающей среды. Это большинство бактерий, грибы, животные.

Автотрофами называются организмы, создающие из неорганических веществ окружающей среды (почвы, воды, воздуха) органические вещества с помощью энергии света или химической энергии минеральных веществ, используемые для построения их тела. Автотрофы – это некоторые бактерии и почти все растения. Автотрофные организмы используют различные источники энергии. Для некоторых из них источником энергии служит свет, такие организмы называются фототрофами. Другие используют энергию, освобождающуюся при окислительно – восстановительных реакциях минеральных веществ и называются хемотрофами.

  1.  БИОСИНТЕЗ БЕЛКОВ

См в курсе лекций

  1.  ФОТОСИНТЕЗ

Фотосинтез – синтез органических соединений из неорганических, идущий за счет энергии света. В основе лежит окислительно-восстановительный процесс, в ходе которого от донора –восстановителя (у зеленых растений это вода) к акцептору – окислителю (углекислому газу) переносятся электроны. При этом образуются восстановленные соединения – углеводы и выделяется кислород. Источником энергии в этом процессе служит солнечный свет. Фотосинтезировать могут зеленые растения, цианобактерии и пурпурные бактерии.

История фотосинтеза

Древнегреческий ученый и философ Аристотель учил, что растение – это животное, поставленное на голову: органы размножения у него на верху, а голова – внизу. С помощью корней, играющих роль рта, растение и извлекает из земли совершенно готовую пищу.

Проверить предположение Аристотеля решил Ян Гельмонт. Он знал, что растениям нужна и почва, и вода, но что же важнее? Ян Гельмонт посадил в горшок ветку ивы. И ветку, и землю он предварительно взвесил. Растение поливал только дождевой водой, а землю закрывал крышкой. Через пять лет Гельмонт взвесил выросшее растение и высушенную землю из горшка. Растение стало тяжелее на 164 фунта и 3 унции (примерно 65,3 кг), а земля потеряла в весе всего лишь 2 унции (60 г). Из этого опыта ученый сделал вывод, что основным источником пищи для растений является вода. Так возникла водная теория питания растений.

Многие ученые повторяли этот опыт и поддерживали эту теорию, хотя она была совершенно неверная. Но были ученые, которых не удовлетворило такое объяснение питания растений. Например, М.Ломоносов, задумываясь о том, как на скудных северных землях вырастают такие большие деревья, предполагал, что часть питания растения берут из воздуха, впитывая листьями. Во времена Ломоносова мысль о воздушном питании растений еще нельзя было подтвердить экспериментально, т.к. не была известна природа газов.

Английский химик Джозеф Пристли искал способ очистки воздуха, испорченного горением и дыханием людей и животных. Он помещал под колокол вместе с горящей свечой или живой мышью разные вещи. Так под колокол попал пучок мяты, который там рос и делал воздух пригодным для горения и дыхания.

Шведский исследователь К. Шееле попытался повторить опыты Пристли в своей домашней лаборатории, где он проводил эксперименты в свое свободное время – в основном по ночам. Но в его опытах растения не улучшали воздух, а делали его непригодным для горения и дыхания. На основании своих опытов Шееле обвинил Пристли в обмане. Пристли стал повторять опыты, и тут стало все непонятно. Растения то улучшали воздух, то нет.

Точку в этом вопросе поставил Ян Ингенхауз. Он проделал 500 опытов с веточкой элодеи. На солнечном свету из растения поднимались пузырьки газа. Ингенхауз собрал газ и проверил, что это чистейший кислород. Но оказалось, что пузырьки выделялись только на свету, причем не зеленые части растений пузырьков не выделяли. Таким образом Ингенхауз доказал, что растения действительно улучшают воздух, но только на свету.

Сенебье – углекислый газ является хлебом насущным для растений.

Соссюр – растение берет CO2 из воздуха.

Майер – энергия солнечных лучей находится в химических связях вещества, которое образует растение.

Фотосинтез – сложный, многоступенчатый, двухфазный процесс, протекающий с участием хлорофилла хлоропластов растительных клеток.

Световая фаза фотосинтеза.

Центральная роль здесь принадлежит хлорофиллу – органическому веществу, пигменту растительных клеток зеленого цвета, которое преобразует энергию света в энергию химических связей. Не все клетки растения автотрофные. Не содержат хлоропластов и не способны к фотосинтезу клетки корня, лепестков цветков, камбия и др. Фотосинтезировать могут только зеленые части растений (фотосинтезирующая ткань листа). Молекулы хлорофилла встроены в мембранные структуры хлоропласта (граны) и находятся в окружении молекул белков, липидов и других веществ.

Процесс фотосинтеза начинается с освещения хлоропласта видимым светом и поглощения хлорофиллом кванта красного цвета – установлено К.А.Тимирязевым. Фотон, попав в молекулу хлорофилла, обогащает ее энергией и электроны перескакивают на высшие орбиты. Один из таких возбужденных е переходит на молекулу – переносчика, который уносит его и переправляет на другую сторону мембраны. Молекула хлорофилла восстанавливает потерю е, отбирая его от молекулы воды. Эта энергия используется для образования молекул – носителей энергии – АТФ.

Схема

Ионы водорода Н+ и электроны е, необходимые для восстановления молекул – носителей энергии образуется при расщеплении молекул воды в хлоропластах ферментом под воздействием света – это фотолиз. Ионы гидроксила ОНотдают свои электроны другим молекулам и превращаются в свободные радикалы ОН. Радикалы ОН взаимодействуют друг с другом, в результате чего образуются вода и молекулярный О2.

Следовательно, источником свободного О2, выделяющегося в атмосферу, служит вода. Итак, в конечном итоге, в результате потери электронов молекулы воды разлагаются на протоны и атомы кислорода, из которых образуется молекулярный кислород,  диффундирующий через мембрану и накапливаются в гране. Таким образом, по одну сторону мембраны собираются положительные заряженные протоны, по другую – отрицательно заряженные электроны. По мере накопления по обеим сторонам мембраны противоположно заряженных частиц нарастает разность потенциалов (протонный потенциал). В мембраны хлоропластов (граны) встроены молекулы фермента, синтезирующего АТФ - АТФ – синтетаза, внутри которого имеется канал, через который могут пройти протоны. Когда величина протонного потенциала достигает критического уровня, сила электрического поля проталкивает протоны через канал. Освобождающаяся при этом энергия тратится на синтез АТФ. Протоны, оказавшиеся на другой стороне мембраны, встречаются здесь с электронами, доставленные молекулами – переносчиками. Они превращаются в атомы водорода, которые переправляются в те места хлоропласта, где идет синтез углеводов.

Таким образом, энергия солнечного излучения порождает три процесса: образование молекулярного О2 в результате разложения воды, синтез АТФ, образование атомарного водорода. Эти три процесса происходят на свету и являются составляющими световой фазы фотосинтеза.

Темновая фаза

Дальнейшие реакции фотосинтеза связаны с фиксацией атмосферного СО2 и образованием углеводов (например глюкозы) в строме хлоропласта, они протекают как на свету, так и в темноте и называются темновой фазой, которая представляет собой ряд последовательных реакций (цикл Кальвина), в результате которых из оксида углерода (IV) и водорода образуются углеводы.

Для темновых реакций в хлоропласт непрерывно поступают исходные вещества и энергия. Углекислый газ поступает в лист из окружающей атмосферы фиксируемый ферментом, водород образуется в световую фазу фотосинтеза в результате расщепления воды. Источником энергии служит АТФ, которая синтезируется в световую фазу фотосинтеза.

Общее уравнение

Значение фотосинтеза

Большой вклад по изучению фотосинтеза внес К.А.Тимирязев, он говорил о космической роли зеленых растений: “Это процесс, от которого в конечной инстанции зависят все проявления жизни на нашей планете”.

  1.  Фотосинтез – единственный процесс, который приводит к увеличению энергии в биосфере за счет внешнего источника Солнца. В процессе фотосинтеза происходит преобразование электромагнитной энергии Солнца в химическую энергию органических веществ. Сами автотрофы и все другие живые организмы использую эту энергию. Ежегодно на Земле образуется около 150 млрд. т органических веществ.
  2.  Запасенная в прошлом в процессе фотосинтеза энергии в виде различных видов топлива используется как основной источник энергии для человечества (уголь, газ, нефть, торф).
  3.  В процессе фотосинтеза в атмосферу ежегодно выделяется 200 млрд. О2, который используется при дыхании живых организмов. Из О2 образуется озон О3, защищающий все живое от УФ.
  4.  Фотосинтез регулирует содержание СО2 в атмосфере, что препятствует  повышению температуры на планете.
  5.  Возникновение фотосинтеза обеспечивало условия для дальнейшей эволюции.                                         

    

Фотосинтез в цифрах:

  1.  ежегодно растительность Земли связывает 1,7 ∙108 т углерода;
  2.  извлечение миллиардов тонн азота, фосфора, серы, кальция, магния, калия и т.д.;
  3.  ежегодный синтез примерно 4 ∙10 7 т органического вещества;
  4.  но процесс медленный и малоэффективный: зеленый лист использует для фотосинтеза всего около 1 % падающего на него солнечного излучения;
  5.  продуктивность фотосинтеза 1 грамм органического вещества на 1 м2 листа в час;
  6.  летом за одни сутки 1 м2 листвы вырабатывает примерно 15 – 16 г органических веществ;
  7.  повышает эффективность фотосинтеза: улучшение освещенности, водоснабжение, повышение концентрации СО2 (это и повышает урожайность сельскохозяйственных растений).

Растения, как и многие другие аэробные живые существа дышат – т.е. поглощают кислород для окисления органических веществ с высвобождением энергии и выделением углекислого газа.

Днем наряду с дыханием растительные клетки преобразуют световую энергию в химическую: они синтезируют органические вещества. При этом в качестве побочного продукта выделяется молекулярный кислород. Количество кислорода выделяемого растительными клетками в процессе фотосинтеза в 20 – 30 раз больше, чем кислорода, поглощаемого в одновременно идущем днем и ночью дыхании.

Бактериальный фотосинтез

Бактериальный фотосинтез в отличие от растительного идет без выделения кислорода, т.к. донором водорода при восстановлении оксида углерода (IV) является не вода, а сероводород, спирты, органические кислоты.

Фотосинтезирующие пурпурные бактерии часто образуют скопления на дне водоемов в виде пурпурного налета, особенно там, где в илах скапливается сероводород.

Хемосинтез

Другая группа автотрофных организмов – хемосинтезирующие бактерии – хемотрофы. Хемосинтез открыт русским микробиологом С.Н.Виноградским в 1889 – 1890 годах.

Хемосинтез – синтез органических соединений из неорганических за счет энергии, получаемой при окислении неорганических веществ.

Для биосинтеза они используют энергию химических реакций неорганических соединений. Такие бактерии способны окислять ионы аммония, нитрита, сульфида, Feжелезо2+, элементарную серу, молекулярный водород и СО. Так, разные группы нитрифицирующих бактерий последовательно окисляют аммиак до нитрита, а затем из нитрита образуется нитрат.

нитрифицирующие бактерии

Деятельность всех этих бактерий – нитрифицирующих, окисляющих железо и серу переводит нерастворимые минералы в легко растворимые, а это – играет важную роль в круговороте веществ в природе, образовании полезных ископаемых, накоплении в почве минеральных веществ, повышении плодородия почв и очистке сточных вод.

Энергетический обмен

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме АТФ и других высокоэнергетических соединений. АТФ — универсальный источник энергообеспечения клетки. Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования — присоединения неорганического фосфата к АДФ.

У аэробных организмов (живущих в кислородной среде) выделяют три этапа энергетического обмена: подготовительный, бескислородное окисление и кислородное окисление; у анаэробных организмов (живущих в бескислородной среде) и аэробных при недостатке кислорода — два этапа: подготовительный, бескислородное окисление.

Подготовительный этап

Заключается в ферментативном расщеплении сложных органических веществ до простых: белковые молекулы — до аминокислот, жиры — до глицерина и карбоновых кислот, углеводы — до глюкозы, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. Распад высокомолекулярных органических соединений осуществляется или ферментами желудочно-кишечного тракта или ферментами лизосом. Вся высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла. Образовавшиеся небольшие органические молекулы могут быть использованы в качестве «строительного материала» или могут подвергаться дальнейшему расщеплению.

Бескислородное окисление, или гликолиз

Этот этап заключается в дальнейшем расщеплении органических веществ, образовавшихся во время подготовительного этапа, происходит в цитоплазме клетки и в присутствии кислорода не нуждается. Главным источником энергии в клетке является глюкоза. Процесс бескислородного неполного расщепления глюкозы — гликолиз.

Потеря электронов называется окислением, приобретение — восстановлением, при этом донор электронов окисляется, акцептор восстанавливается.

Следует отметить, что биологическое окисление в клетках может происходить как с участием кислорода:

А + О2 → АО2,

так и без его участия, за счет переноса атомов водорода от одного вещества к другому. Например, вещество «А» окисляется за счет вещества «В»:

АН2 + В → А + ВН2

или за счет переноса электронов, например, двухвалентное железо окисляется до трехвалентного:

Fe2+ → Fe3+ + e.

Гликолиз — сложный многоступенчатый процесс, включающий в себя десять реакций. Во время этого процесса происходит дегидрирование глюкозы, акцептором водорода служит кофермент НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид). Глюкоза в результате цепочки ферментативных реакций превращается в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), при этом суммарно образуются 2 молекулы АТФ и восстановленная форма переносчика водорода НАД·Н2:

С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 + 2НАД+ → 2С3Н4О3 + 2АТФ + 2Н2О + 2НАД·Н2.

Дальнейшая судьба ПВК зависит от присутствия кислорода в клетке. Если кислорода нет, у дрожжей и растений происходит спиртовое брожение, при котором сначала происходит образование уксусного альдегида, а затем этилового спирта:

  1.  С3Н4О3 → СО2 + СН3СОН,
  2.  СН3СОН + НАД·Н2 → С2Н5ОН + НАД+.
  3.  У животных и некоторых бактерий при недостатке кислорода происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:
  4.  С3Н4О3 + НАД·Н2 → С3Н6О3 + НАД+.
  5.  В результате гликолиза одной молекулы глюкозы высвобождается 200 кДж, из которых 120 кДж рассеивается в виде тепла, а 80% запасается в связях АТФ.
  6.  Кислородное окисление, или дыхание
  7.  Заключается в полном расщеплении пировиноградной кислоты, происходит в митохондриях и при обязательном присутствии кислорода.
  8.  Пировиноградная кислота транспортируется в митохондрии (строение и функции митохондрий — лекция №7). Здесь происходит дегидрирование (отщепление водорода) и декарбоксилирование (отщепление углекислого газа) ПВК с образованием двухуглеродной ацетильной группы, которая вступает в цикл реакций, получивших название реакций цикла Кребса. Идет дальнейшее окисление, связанное с дегидрированием и декарбоксилированием. В результате на каждую разрушенную молекулу ПВК из митохондрии удаляется три молекулы СО2; образуется пять пар атомов водорода, связанных с переносчиками (4НАД·Н2, ФАД·Н2), а также одна молекула АТФ.

Суммарная реакция гликолиза и разрушения ПВК в митохондриях до водорода и углекислого газа выглядит следующим образом:

С6Н12О6 + 6Н2О → 6СО2 + 4АТФ + 12Н2.

Две молекулы АТФ образуются в результате гликолиза, две — в цикле Кребса; две пары атомов водорода (2НАДЧН2) образовались в результате гликолиза, десять пар — в цикле Кребса.

Последним этапом является окисление пар атомов водорода с участием кислорода до воды с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. Водород передается трем большим ферментным комплексам (флавопротеины, коферменты Q, цитохромы) дыхательной цепи, расположенным во внутренней мембране митохондрий. У водорода отбираются электроны, которые в матриксе митохондрий в конечном итоге соединяются с кислородом:

О2 + e → О2.

Протоны закачиваются в межмембранное пространство митохондрий, в «протонный резервуар». Внутренняя мембрана непроницаема для ионов водорода, с одной стороны она заряжается отрицательно (за счет О2), с другой — положительно (за счет Н+). Когда разность потенциалов на внутренней мембране достигает 200 мВ, протоны проходят через канал фермента АТФ-синтетазы, образуется АТФ, а цитохромоксидаза катализирует восстановление кислорода до воды. Так в результате окисления двенадцати пар атомов водорода образуется 34 молекулы АТФ.

1 — наружная мембрана; 2 — межмембранное пространство, протонный резервуар; 3 — цитохромы; 4 — АТФ-синтетаза.

При перфорации внутренних митохондриальных мембран окисление НАД·Н2 продолжается, но АТФ-синтетаза не работает и образования АТФ в дыхательной цепи не происходит, энергия рассеивается в форме тепла (клетки «бурого жира» млекопитающих).

Суммарная реакция расщепления глюкозы до углекислого газа и воды выглядит следующим образом:

С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + 38АТФ + Qт,

где Qт — тепловая энергия.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

85440. Реализация алгоритмов вычислительной математики с разработкой соответствующего программного обеспечения для ЭВМ 1.04 MB
  Цель курсовой работы – получение практических навыков в написании программ для решения задач моделирования и анализа данных с использованием языка программирования С, С++ и математических пакетов Scilab, изучение теоретических основ и особенностей алгоритмической реализации основных численных методов.
85441. РАСЧЁТ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГОРНОГО УЧАСТКА НА МЕСЯЦ ПРИ СИСТЕМЕ ПОДЭТАЖНОГО ОБРУШЕНИЯ ВАРИАНТ «ЗАКРЫТЫЙ ВЕЕР» 311.5 KB
  Минеральное вещество, из которого технически возможно и экономически целесообразно извлекать полезные компоненты, называют рудой, горные породы, не содержащие полезных минералов или содержащие их в недостаточном количестве - пустыми породами.
85442. Планово-предупредительные ремонты электрооборудования цеха 78.26 KB
  Система планово-предупредительного ремонта (ППР) представляет собой комплекс организационно-технических мероприятий предупредительного характера, проводимых в плановом порядке для обеспечения работоспособности предприятия в течение всего предусмотренного срока службы.
85443. Создание предприятия 353.5 KB
  Предполагается также, что на создаваемом предприятии преобладают сборочные операции: предприятие получает необходимые для производственного процесса материалы и комплектующие изделия в форме поставок от других предприятий.
85444. Технико–экономические показатели для предметно-замкнутого участка для детали Вал 320.08 KB
  Важнейшими задачами промышленности являются более полное удовлетворение потребностей народного хозяйства в средствах производства, а населения в товарах народного потребления, повышение качества продукции на основе всемерного использования достижений научно – технического прогресса.
85446. Разработка конструкции ПП. Предварительный расчет надежности 627.55 KB
  Печатная плата ПП - изделие состоящее из плоского изоляционного основания с отверстиями пазами вырезами и системой токопроводящих полосок металла проводников которые используют для установки и коммутации электрорадиоизделия ЭРИ и функциональных узлов в соответствии с электрической принципиальной схемой
85448. Расчет кинематических параметров манипулятора и моделирование в среде SimMechanics 383.02 KB
  Расчет кинематических параметров манипулятора и моделирование в среде SimMechanics. На Рис.1 показана схема четырехзвенного манипулятора. Необходимо: Определить параметры манипулятора по представлению Денавита - Хартенберга (системы координат и параметры звеньев).