Обмен веществ и энергии, Биология

  • Видеоурок: Обмен веществ и превращения энергии. Стадии энергетического обмена
  • Лекция: Обмен веществ и превращения энергии – свойства живых организмов
  • Обмен веществ
  • Обмен веществ (метаболизм) – это химические процессы, являющиеся жизнью.
  • Базовой основой процесса жизни является синтез собственных веществ из продуктов расщепления полученных. Рассматриваются две разновидности метаболитических процессов:
  • пластический обмен – анаболизм или синтез, при котором происходит накопление потенциальной энергии в виде химических связей.
  • энергетический обмен – катаболизм, представляющий собой разложение веществ, с выделением энергии при разрыве связей.

Обе группы взаимосвязаны. Для синтеза нужна энергия, ее организм получает посредством катализа (расщепления).

Получение энергии посредством катализа

Жизнь возможна за счет использования химической и световой энергии. Автотрофные растения синтезируют глюкозу с помощью солнечного света из воды и углекислого газа.

Многие бактерии живут за счет хемосинтеза – процесса окисления неорганических веществ, используя серные, азотные, углеродные соединения. Грибы и животные получают энергию и материю для синтеза, потребляя созданные растениями сахара и другие органические соединения.

Некоторые организмы могут иметь смешанные виды питания и являться миксотрофами – эвглена, росянка.

Обмен веществ и энергии, Биология

Очень важна роль ферментов – они ускоряют химические реакции до необходимых для поддержания жизнедеятельности скоростей, в сотни тысяч раз. Без них жизнь невозможна, из-за низких скоростей химических реакций.

Ферменты имеют белковую структуру, каждый является катализатором одного вида реакций.

Свойства ферментов определяются их структурой – в молекуле белка-фермента имеется активный центр, взаимодействующий с целевыми химическими веществами.

Уровень активности ферментов определяется различными параметрами:

  • Температурой. С ее ростом активность повышается.
  • Кислотностью среды. Для работы большей части ферментов необходима нейтральная среда, кислая – предпочтительна для пищеварения млекопитающих, щелочная — для ферментов секрета поджелудочной железы.
  • Количеством субстрата.

Названия белков-ферментов оканчиваются на -аза.

Особенностью энергетического обмена, характерной для аэробных организмов является его поэтапное прохождение. Выделяется три этапа:

  • Подготовительный. Это пищеварение, происходящее в пищеварительных вакуолях лизосом простейших, в ЖКТ у многоклеточных. Функционально – это процесс разложения макромолекул на мономеры.
  • Гликолиз. Происходит в цитоплазме. Это бескислородное превращение глюкозы с ее окислением. Происходит несколько каскадных химических реакций. В их результате из глюкозы получается 2 молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) и 2 молекулы АТФ. Частично выделяющаяся в ходе реакций энергия запасается обратно в АТФ, часть ее – в виде тепла рассеивается в пространство.
  • Кислородный этап. Это – каскадный двуступенчатый процесс: цикл Кребса с последующим окислительным фосфорилированием (дыханием). Пируват на этом этапе превращается в углекислый газ и воду с образованием 34 молекул АТФ, а затем образованием еще 2 при дыхании. С химической точки зрения энергетический обмен выглядит как: С6Н12O6 + 6O2 = 6СO2 + 6Н2O + 38АТФ.

Другие виды получения энергии

Брожение.Один из основных способов получения энергии простейшими и некоторыми клетками высших животных. При этом, полученный из глюкозы пируват растительными клетками включается в спиртовое брожение, распадаясь на углекислый газ и спирт. У животных пируват вступает в молочнокислое брожение – он превращается в молочную кислоту.

В условиях недостатка кислорода мышечные клетки прибегают к менее эффективному, но более быстрому способу синтеза АТФ. Излишки молочной кислоты, не успевающие включиться в метаболизм из-за недостатка кислорода вызывают боль в мышцах.

Существуют еще такие виды брожения, как метановое (способ очистки сточных вод), маслянокислое, уксуснокислое.

Фотосинтез. Был доказан в 1630 г голландцем ван Гельмонтом, который обнаружил самостоятельное создание растениями питательных веществ. Изменение состава воздуха растениями доказано в 1771 г Д.Пристли. Сейчас наука рассматривает фотосинтез, как процессы синтеза клетками зеленых растений глюкозы из воды и углекислого газа под воздействием солнечного света.

Хлорофилл представляет собой сложную молекулу, состоящую из, примерно, десятка ароматических пятичленных колец, с магниевыми комплексами.

Достаточно изученная световая фаза фотосинтеза разделяется на несколько этапов:

  • полученный извне фотон становится причиной возбуждения молекулы хлорофилла, ее электроны сдвигаются на более высокий уровень;электроны подхватываются ионизированным никотинамиддифосфатом, что приводит к его востановлению;
  • происходит фотолиз воды – с разложением на ионизированный водород, 4 электрона, молекулу кислорода.

Обмен веществ и энергии, Биология

Эта первичная фаза происходит на складчатых образованиях внутреннего мембранного слоя – тилакоидах хлоропластов.Стопки мембран внутри пластиды называются граны.

Во время темновой фотосинтетической фазы между гранами внутри хлоропласта (в строме) производится синтез молекул углеводов, с использованием энергии АТФ никотиамиддифосфата, а также углекислого газа.

Хемосинтез. В условиях отсутствия питательных веществ и солнечного света обитают многие виды хемосинтезирующих бактерий:

  • железобактерии – получают энергию, увеличивая степень окисления железа – от двух до трехвалентного.
  • водородные – превращают в воду молекулярный водород.
  • тионовые – живут за счет окисления тиосульфатов и других соединений серы, а также ее молекулярной формы до серной кислоты. Многие из них могут обитать в экстремально кислых средах, индифферентны к высоким концентрациям тяжелых металлов, выщелачивая их из руд.
  • серобактерии – превращают сероводород в чистую серу и соли серной кислоты;нитрифицирующие – превращают аммиак в азотную и азотистую кислоты.

Хемосинтетики являются важным звеном круговорота веществ.

Предыдущий урок Следующий урок

Обмен веществ (метаболизм) и превращение энергии в организме • биология-в.рф

Обмен веществ (метаболизм) и превращение энергии в организмеОбмен веществ и энергии, Биология

Метаболизм

Метаболизм, или обмен веществ, – это совокупность биохимических процессов и процессов жизнедеятельности клетки. Обеспечивает существование живых организмов. Различают процессы ассимиляции (анаболизма) и диссимиляции (катаболизма). Эти процессы являются разными сторонами единого процесса обмена веществ и превращения энергии в живых организмах.

Ассимиляция

Ассимиляция – это процессы, связанные с поглощением, усвоением и накоплением химических веществ, которые используются для синтеза необходимых для организма соединений.

Пластический обмен

Пластический обмен – это совокупность реакций синтеза, которые обеспечивают возобновление химического состава, рост клеток.

Диссимиляция

Диссимиляция – это процессы, которые связаны с распадом веществ.

Энергетический обмен

Энергетический обмен – это совокупность реакций расщепления сложных соединений с выделением энергии. Организмы из окружающей среды в процессе жизнедеятельности в определенных формах поглощают энергию. Потом они возвращают в другой форме ее эквивалентное количество.

Не всегда процессы ассимиляции уравновешены с процессами диссимиляции. Накопление веществ и рост в развивающихся организмах обеспечиваются процессами ассимиляции, поэтому они преобладают. Процессы диссимиляции преобладают при недостатке питательных веществ, интенсивной физической работе, старении.

Процессы ассимиляции и диссимиляции тесно связаны с типами питания организмов. Основным источником энергии для живых организмов Земли является солнечный свет. Он опосредованно или непосредственно удовлетворяет их энергетические потребности.

Автотрофы

Автотрофы (от греч. аутос – сам и трофе – пища, питание) – это организмы, способные синтезировать органические соединения из неорганических с использованием определенного вида энергии. Различают фототрофы и хемотрофы.

Фототрофы

Фототрофы (от греч. фотос – свет) – организмы, которые для процессов синтеза органических соединений из неорганических используют энергию света. К ним принадлежат некоторые прокариоты (фотосинтезирующие серобактерии и цианобактерии) и зеленые растения.

Хемотрофы

Хемотрофы (от греч. хемиа – химия) для синтеза органических соединений из неорганических используют энергию химических реакций. К ним относятся некоторые прокариоты (железобактерии, серобактерии, азотфиксирующие и т. п.). Автотрофные процессы относятся больше к процессам ассимиляции.

Гетеротрофы

Гетеротрофы (от греч. гетерос – другой) – это организмы, которые синтезируют собственные органические соединения из готовых органических соединений, синтезированных другими организмами. К ним принадлежат большинство прокариот, грибы, животные.

Для них источником энергии являются органические вещества, которые они получают с пищей: живые организмы, их остатки или продукты жизнедеятельности. Основные процессы гетеротрофных организмов – распад веществ – основаны на процессах диссимиляции.

Энергия в биологических системах используется для обеспечения в организме разных процессов: тепловых, механических, химических, электрических и т. п.

Часть энергии во время реакций энергетического обмена рассеивается в виде теплоты, часть ее запасается в макроэргических химических связях определенных органических соединений.

Универсальным таким веществом является аденозинтрифосфорная кислота АТФ. Она является универсальным химическим аккумулятором энергии в клетке.

Под действием фермента отщепляется один остаток фосфорной кислоты. Тогда АТФ превращается в аденозиндифосфат – АДФ. При этом выделяется около 42 кДж энергии.

При отщеплении двух остатков фосфорной кислоты образуется аденозинмонофосфат – АТФ (выделяется 84 кДж энергии). Может расщепляться молекула АМФ.

Таким образом, во время расщепления АТФ выделяется большое количество энергии, которая используется для синтеза необходимых организму соединений, поддержания определенной температуры тела и т. п.

Читайте также:  Среды обитания - биология

Остается окончательно не выясненной природа макроэргических связей АТФ, хотя они превосходят по энергоемкости обычные связи в несколько раз.

Клеточный уровеньУровни организации живого

Урок 8: Обмен веществ в клетке

  • План урока:
  • Метаболизм
  • Энергетический обмен
  • Питание клетки
  • Фотосинтез
  • Хемосинтез

Метаболизм

Всякая живая клеточная структура постоянно осуществляет различные реакции, которые обеспечивают все основные процессы, необходимые для нормального существования.

Так обеспечивается постоянство условий внутренней среды биологической системы или гомеостаз. При нарушении этих условий происходит сбой в работе всей системы, что способно привести к гибели не только отдельной клетки, но и всего организма.

Соответственно, все процессы ориентированы на поддержание именно гомеостаза.

С целью реализации трудоемких биохимических реакций требуются различные соединения, а также энергия, получаемые организмом при метаболизме.

Получается, что ассимиляция и диссимиляция – это взаимозависимые процессы, протекающие синхронно.

Любой организм, вследствие питания, получает извне различные вещества и микроэлементы, используемые в процессе ассимиляции.

Ассимиляция – это процесс, состоящий в формировании соединений, а также составных частей клетки. Данные реакции иначе именуются анаболизм или пластический обмен. Примером ассимиляции может быть образование белковых молекул.

Любые реакции синтеза проходят с расходом энергии. Источником ее выступают ранее образованные соединения, находящиеся в клетке. Они подвергаются распаду вследствие протекания совокупности процессов диссимиляции.

  1. Частично освобождающаяся энергия применяется при синтезе различных соединений, часть рассеивается с теплом или запасается.
  2. Соответственно, диссимиляция – это процесс,заключающийся в разложении  веществ с освобождением энергии.
  3. Процесс диссимиляции в организме именуется еще катаболизм или энергетический обмен.

Ассимиляция и диссимиляция не могут существовать по отдельности. Нарушение баланса этих процессов приведет к развитию заболеваний или гибели организма. К примеру, это может выразиться в истощении или ожирении.

Метаболизм в клеточных структурах протекает при средней температуре, нормальном давлении и нейтральной среде. Из курса химии нам известно, что только повышение данных показателей приведет к ускорению реакции. При таких же условиях реакции должны протекать очень медленно. Однако, в биологических системах есть помощники метаболизма – ферменты.

Роль ферментов в метаболизме огромна. Данные структуры ускоряют реакцию без изменения ее общего результата. Причем абсолютно все процессы в организме протекают при участии ферментов. К примеру, под их действием происходит разложение пищи на составные компоненты.

Исходя из значения ферментов в метаболизме можно сказать, что нарушение их образования и активности приведет к различным заболеваниям.

Энергетический обмен

Диссимиляция или энергетический обмен проходит в несколько этапов. Познакомимся с ними на схеме.

  • Подготовительный этап энергетического обмена проходит в цитоплазме растительных клеток, простейших, в пищеварительной системе животных, а кроме того и человека. При этом питательные соединения под воздействием пищеварительных ферментов разлагаются до мономеров. Вследствие этого образуется незначимый объем энергии, рассеивающейся как тепло. На представленном этапе энергетического обмена синтеза АТФ не происходит.
  • Вторым этапом диссимиляции веществ считается бескислородный или анаэробный. Проходит данная стадия в цитоплазме клеток, заключается в разложении мономеров, образовавшихся на предварительной стадии.

Примером подобного процесса считается гликолиз – многоступенчатое расщепление глюкозы.  Мономеры углеводов подвергаются распаду в отсутствии кислорода с освобождением энергии, определенное количество которой расходуется для формирования АТФ.

При протекании ряда последовательных этапов гликолиза совершается разложение молекулы глюкозы на две молекулы пировиноградной кислоты. Чаще всего, пировиноградная кислота затем преобразуется в молочную кислоту. Вследствие этих реакций в ходе гликолиза из АДФ, а также фосфорной кислоты синтезируются 2 молекулы АТФ.

Следует учесть, что по такому принципу гликолиз протекает в клетках животных и человека.

В растительных клетках, в отдельных дрожжевых грибах, у бактерий бескислородный этап осуществляется как спиртовое брожение.

В реакции спиртового брожения могут вступать всевозможные соединения. Например, углеводы, органические кислоты, спирты, аминокислоты и многие другие. Широкое распространение получили реакции расщепления глюкозы при молочнокислом, а также спиртовом брожении.

У молочнокислых бактерий спиртовое брожение сопровождается ферментативным расщеплением глюкозы и продуктом является молочная кислота.

Суммарные уравнения молочнокислого и спиртового брожения рассмотрим на рисунке.

Вследствие  бескислородной стадии энергетического обмена вещества распадаются не до конечных продуктов, а до соединений с запасом энергии. Поэтому они переходят в следующий этап – кислородный.

3.  Третья стадия энергетического обмена получила название аэробного или кислородного.В течение данных реакций осуществляется последующее разложение органических соединений до конечных продуктов. Характерен он только аэробным организмам, использующим для метаболизма кислород.

Происходит кислородный распад в митохондриях, поэтому именуется еще клеточным дыханием. Протекает оно в несколько поочередных стадий. Основным признаком клеточного дыхания является участие кислорода в распаде соединений.

В процессе клеточного дыхания осуществляется дальнейшее окисление пировиноградной кислоты с формированием двуокиси углерода и воды.

Данный этап считается заключительным, поэтому при клеточном дыхании выделяется внушительное число энергии в виде 36 молекул АТФ.

Вследствие процесса энергетического обмена веществ при окислении одной молекулы глюкозы формируется 38 молекул АТФ. Эта энергия используется на другие химические реакции. К примеру, у человека каждая молекула АТФ расщепляется и вновь создается 2400 раз в сутки, то есть средняя продолжительность жизни АТФ менее минуты.

Питание клетки

Для протекания метаболизма в клетке необходимы различные питательные вещества, которые организм получает в результате питания.

Все живые организмы различаются по тому, какую пищу они используют. Некоторые организмы способны сами производить вещества, другие же в процессе питания клетки потребляют уже готовые.

Различают несколько разновидностей организмов по способу питания клетки:

1. Автотрофы сами производят органические вещества. Для осуществления процессов синтеза они используют простые неорганические соединения – углекислый газ и воду. Источником энергии для протекания ассимиляции в клетке у автотрофов является солнечный свет или энергия химических взаимодействий.

Организмы, использующие солнечный свет для формирования органических соединений получили название фототрофы. Этим существам характерен фотосинтез, протекающий в хлоропластах. Соответственно, фототрофами являются все зеленые растения. Помимо этого, примером фототрофов считаются цианобактерии, зеленые и пурпурные бактерии.

Организмы, которые для производства органических соединений используют энергию химических взаимодействий, называются хемотрофами.

Хемотрофами являются некоторые бактерии, к примеру, железобактерии, серобактерии, нитрифицирующие бактерии.

Гетеротрофы используют в пищу готовые органические вещества. Вследствие такого питания гетеротрофы получают энергию, требуемую для жизненных процессов, а также служат источником строительного материала для клеточных структур. Гетеротрофами являются все животные, грибы и большинство бактерий.

Вдобавок есть организмы, применяющие для питания клетки автотрофный и гетеротрофный способ. К этим организмам относится эвглена зеленая. У нее есть хлоропласты и она может сама производить вещества для питания клетки как автотрофы. Однако в темноте, ее питание осуществляется гетеротрофным способом как у животной клетки.

Фотосинтез

Одним из примеров  ассимиляции является процесс фотосинтеза у растений.

Фотосинтез происходит в фотосинтезирующем пигменте хлорофилле хлоропластов листа. Данный пигмент считается чрезмерно активным соединением и реализует поглощение света, начальный запас энергии, также последующая ее трансформация в химическую энергию.

Принято выделять световую и темновую фазы фотосинтеза. Остановимся детальнее на них.

Световая фаза совершается в мембранах хлоропластов. Наступает световая фаза фотосинтеза с поглощения кванта света молекулой хлорофилла.

Один из электронов хлорофилла переводится на высочайший энергетический уровень и вступает в возбужденном состоянии. Электроны с большим избытком энергии активизируют разложение воды.

Данная процедура, протекающая на начальной стадии фотосинтеза, приобрела наименование фотолиз воды.

В итоге распада совершается отдача гидроксид-ионом (OH-) своего электрона, а также превращение его в радикал (OH). Радикалы объединяются и формируют воду, свободный кислород. Далее в процессе светового фотосинтеза  электрон от гидроксид-иона снова попадает в молекулу хлорофилла, замещая удалившийся электрон. Вследствие этого освобождается энергия, идущая для формирования АТФ.

В процессе световой фазы фотосинтеза совершается превращение световой энергии в химическую энергию макроэргических связей молекулы АТФ. В данной фазе фотосинтеза осуществляется выброс кислорода, являющегося второстепенным продуктом. Он может употребляться дальше растительными клетками при дыхании или выделяться в биосферу.

2. В момент темновой фазы фотосинтеза проистекают трудоемкие ферментативные взаимодействия. Основой считается трансформация молекул углекислого газа до органических соединений. Протекает данная стадия в строме хлоропластов в присутствии продуктов световой реакции.

Основным признаком темновой фазы фотосинтеза считается отсутствие солнечного света.

Читайте также:  Оплодотворение - что это такое?

Начинается данная стадия с проникновения углекислого газа в листья через устьица.

Затем он соединяется со своеобразным веществом – акцептором, которым выступает при фотосинтезе пятиуглеродный сахар – рибулозодифосфат.

Вследствие этого формируется нестойкое соединение, разлагающиеся на 2 молекулы фосфороглицериновой кислоты. Эти молекулы подвергаются воздействию продуктов светового фотосинтеза, в частности АТФ.

Впоследствии, посредством некоторых переходных стадий, создаются углеводы, а также прочие органические соединения. Данный процесс трансформации углекислого газа в углеводы в темновой фазе фотосинтеза приобрел наименование цикла Кальвина.

В темновом фотосинтезе  энергия макроэргических связей АТФ трансформируется в химическую энергию органических соединений. Данные вещества служат пищей для гетеротрофов.

Соответственно, первостепенными веществами темнового и светового фотосинтеза считаются кислород, а также углеводы.

Благодаря данному процессу возможно существование всех живых существ на Земле. Ведь он является одним источником свободного кислорода.

Хемосинтез

Помимо фотосинтеза имеется еще один процесс автотрофной ассимиляции – хемосинтез, типичный отдельным видам микроорганизмов.

Основой энергии для хемосинтеза здесь служит не свет, а окисление отдельных неорганических соединений. Открытие хемосинтеза у таких организмов как бактерии принадлежит русскому ученому С.Н. Виноградскому.

Важнейшей группой данного типа питания считаются нитрифицирующие бактерии. Они могут окислять возникающий при гниении остатков аммиак до нитрита, а также до нитрата. Вследствие этого совершается освобождение энергии, нужной нитрифицирующим бактериям для жизненных функций.

Хемотрофные нитрифицирующие бактерии массово встречаются в природной среде. Они находятся в почве, в различных водоемах. Исполняемые ими процессы считаются частью  круговорота азота.

Серобактерии – это еще одни существа, способом питания которых является хемосинтез. Вследствие этого они окисляют сероводород и накапливают в своих клетках серу.

К серобактериям относятся многие автотрофные пурпурные, а также зеленые бактерии.

Серобактерии являются разрушителями горных пород, в связи с формированием серной кислоты в ходе питания. Выделяемая ими едкая жидкость активизирует порчу различных сооружений.

Многочисленные типы серобактерий в ходе питания образуют всевозможные производные серы. Это способствует очищению промышленных сточных вод.

В процессе питания железобактерии переводят железо (II)  в железо (III). Освободившаяся энергия употребляется с целью восстановления углекислого газа до органических соединений.

Хемосинтетики – единственные организмы, жизнь которых не связана с освещением. Соответственно они способны существовать в различных местах, осваивая глубины океана или недра земли.

Обмен веществ и энергии в клетке – Всё для чайников

Подробности Категория: Биология

Документальные учебные фильмы. Серия «Биология».

 Постоянный обмен веществ с окружающей средой — одно из основных свойств живых систем. В клетках непрерывно идут процессы биосинтеза (ассимиляция, или пластический обмен), т. е. при участии ферментов из простых органических соединений образуются сложные: из аминокислот — белки, из моносахаридов — полисахариды, из нуклеотидов — нуклеиновые кислоты и т. д.

Все процессы синтеза идут с поглощением энергии. Примерно с такой же скоростью идет и расщепление сложных молекул до более простых с выделением энергии (диссимиляция, или энергетический обмен). Благодаря этим процессам сохраняется относительное постоянство состава клеток.

Синтезированные вещества используются для построения клеток и их органоидов и замены израсходованных или разрушенных молекул. При расщеплении высокомолекулярных соединений до более простых выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза.

 Совокупность реакций ассимиляции и диссимиляции, лежащих в основе жизнедеятельности, и обусловливающих связь организма с окружающей средой, называется обменом веществ. Для реакций обмена характерна высокая организованность и упорядоченность. Каждая реакция протекает с участием специфических белков-фермонтов.

Они располагаются в основном на мембранах органоидов и в гиалоплазме клеток в строго определенном порядке, что обеспечивает необходимую последовательность реакций. Благодаря ферментным системам реакции обмена идут быстро и эффективно в обычных условиях — при температуре тела и нормальном давлении. Пластический и энергетический обмены неразрывно связаны.

Они являются противоположными сторонами единого процесса обмена веществ. Реакции биосинтеза нуждаются в затрате энергия, которая поставляется в процессе энергетического обмена. Для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный биосинтез ферментов и структур органоидов, которые в процессе жизнедеятельности постепенно разрушаются.

 Процессы ассимиляции не всегда находятся в равновесии с процессами диссимиляции. Так, в растущем организме процессы ассимиляции преобладают над процессами диссимиляции, благодаря чему обеспечивается накопление веществ и рост организма. При интенсивной физической работе и в старости преобладают процессы диссимиляции.

В первом случае это компенсируется усиленным питанием, а во втором происходит постепенное истощение и в конечном итого гибель организма. Энергетический обмен—это совокупность реакций ферментативного расщепления сложных органических соединений, сопровождающихся выделением, энергии.

Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть аккумулируется в высокоэнерготических (макроэргических) связях АТФ и используется затем для обеспечения всех разнообразных процессов жизнедеятельности клетки: биосинтетических реакций, поступления веществ в клетку, проведения импульсов, сокращения мышц, выделения секретов и др.

 Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ, аденозин-трифосфат) является обязательным компонентом любой живой клетки. АТФ — мононуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, пятиуглеродного моносахарида рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, которые соединены друг с другом макроэргическими связями.

АТФ расщепляется под действием особых ферментов в процессе гидролиза — присоединения воды. При этом отцепляется молекула фосфорной кислоты и АТФ превращается в АДФ (аденозиндифосфат), а при последующем отщеплении фосфорной кислоты — в АМФ (аденоаипмонофосфат). Отщепление одной молекулы фосфорной кислоты сопровождается выделением 40 кДж энергии. Обратный процесс превращения АМФ в АДФ и АДФ в АТФ происходит преимущественно в митохондриях путем присоединения молекул фосфорной кислоты с выделением воды и поглощением большего (более 40 кДж на каждый этап) количества энергии. Выделяют три этапа энергетического обмена: 1) подготовительный, 2) бескислородный и 3) кислородный.

 Подготовительный этап протекает в пищеварительном тракте животных и человека или в цитоплазме клеток всех живых существ.

На этом этапе крупные органические молекулы под действием ферментов расщепляются на мономеры: белки до аминокислот, жиры до глицерина и жирных кислот, крахмал и гликоген до моносахаридов, нуклеиновые кислоты до нуклеотидов.

Распад веществ на этом этапе сопровождается выделением небольшого количества энергии, рассеивающейся в виде тепла.

Бескислородный (анаэробный) этап энергетического обмена протекает в цитоплазме клеток. Мономеры, образовавшиеся на первом этапе, подвергаются дальнейшему многоступенчатому расщеплению без участия кислорода.

Например, при гликолизе (расщеплении глюкозы, происходящем в животных клетках) одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты , которая в некоторых клетках, например мышечных, восстанавливается до молочной кислоты. При этом выделяется около 200 кДж энергии. Часть ее (около 80 кДж) идет на синтез двух молекул АТФ, а остальная (около 120 кДж) рассеивается в виде тепла. Суммарное уравнение этой реакции выглядит следующим образом:

 В клетках растительных организмов и некоторых дрожжевых грибков распад глюкозы идет путем спиртового брожения. При этом пировиноградная кислота, образовавшаяся в процессе гликолиза, декарбоксилируется с образованием уксусного альдегида, а затем восстанавливается до этилового спирта. В ходе бескислородного этапа энергетического обмена распад одной молекулы глюкозы сопровождается синтезом двух молекул АТФ. У анаэробных организмов (некоторые бактерии, внутрикишечные паразиты) этот этан является конечным. Гликолиз протекает в некоторых тканях многоклеточных организмов, способных функционировать в анаэробных условиях, например в поперечнополосатых мышцах во время больших нагрузок. При этом в мышцах накапливается молочная кислота, что является одной из причин их утомления. Во время отдыха мышц она включается в следующий (кислородный) этап энергетического обмена. Реакции гликолиза относительно неэффективны, так как конечные продукты содержат в себе еще большое количество энергии.

 Кислородный (аэробный) этап энергетического обмена имеет место только у аэробных организмов. Он заключается в дальнейшем окислении молочной (или пировиноградной) кислоты до конечных продуктов — . Этот процесс протекает в митохондриях с участием ферментов и кислорода. На первых стадиях кислородного этапа от молочной кислоты постепенно отщепляются протоны и электроны, накапливающиеся по разные стороны внутренней мембраны митохондрии и создающие разность потенциалов. Когда она достигает критического значения, протоны, проходи по специальным каналам мембраны, в которых находятся ферменты, синтезирующие АТФ, отдают свою энергию для присоединения остатка фосфорной кислоты к АМФ или АДФ. Этот процесс сопровождается выделением энергии, достаточной для синтеза 36 молекул АТФ (1440 кДж). Уравнение кислородного этапа выглядит так:

  •  Суммарное уравнение анаэробного и аэробного этапов энергетического обмена выглядит следующим образом:
Читайте также:  Микроскопическое строение крови, биология

 Таким образом, в ходе второго и третьего этапов энергетического обмена при расщеплении одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. На это расходуется 1520 кДж (40 кДжХ38), а всего выделяется 2800 кДж энергии.

Следовательно, 55 % энергии, высвобождаемой при расщепления глюкозы, аккумулируется клеткой в молекулах АТФ, а 45% рассеивается в виде тепла. Основную роль в обеспечении клеток энергией играет кислородный этап. Аналогичным образом в энергетический обмен могут вступать белки и жиры.

При расщеплении аминокислот, помимо диоксида углерода и воды, образуются азотсодержащие продукты (аммиак, мочевина), выводящиеся через выделительную систему.

 Пластический обмен — это совокупность реакций биологического синтеза, при котором из поступивших в клетку веществ образуются вещества, специфические для данной клетки. К пластическому обмену относится биосинтез белков, фотосинтез, синтез нуклеиновых кислот, жиров и углеводов.

 Биосинтез белков. Осуществляется во всех клетках про- и эукариотических организмов, это неотъемлемое свойство живого. Информация о первичной структуре белковой молекулы, от которой зависят все остальные структуры и свойства, закодирована последовательностью нуклеотидов в соответствующем участке молекулы ДНК — гене.

Так как информация о структуре молекулы белка находится в ядре, а его сборка идет в цитоплазме (в рибосомах), в клетке имеется посредник, копирующий и передающий эту информацию. Таким посредником является информационная РНК (и-РНК).

Специальный фермент (РНК-полимераза) расщепляет двойную цепочку ДНК, и на одной из ее целей по принципу комплементарности выстраиваются нуклеотиды РНК. Таким образом, синтезированная молекула и-РНК повторяет порядок нуклеотидов в ДНК. Этот процесс называется транскрипцией (переписыванием).

Синтезированная таким образом (матричный синтез) молекула и-РНК выходит в цитоплазму, и на один ее конец нанизываются рибосомы так, что и-РНК располагается между двумя её субъединицами.

 Система записи генетической информации в ДНК (и-РНК) в виде определенной последовательности нуклеотидов называется генетическим кодом. Каждой аминокислоте в полипептидной цепочке соответствуют три расположенных рядом нуклеотида молекулы ДНК (и-РНК), называемые триплетом пли кодоном. Следующий этап в биосинтезе белка — перевод последовательности нуклеотидов в молекуле и-РНК в последовательность аминокислот в полипептидной цепочке — трансляция. Транспортные РНК (т-РНК) «приносят» аминокислоты в рибосому. Молекула т-РНК имеет сложную конфигурацию. На некоторых участках ее между, комплементарными нуклеотидами образуются водородные связи, и молекула по форме становится похожей на лист клевера. На его верхушке расположен триплет свободных нуклеотидов, которые по своему генетическому коду соответствуют данной аминокислоте (он называется антикодоном), а «черешок» (основание) служит местом прикрепления этой аминокислоты. Каждая т-РНК может переносить только свою аминокислоту, следовательно, их 20, как и аминокислот, т-РНК активируется специальными ферментами, после чего присоединяет свою аминокислоту и транспортирует ее в рибосому. Внутри рибосомы в каждый данный момент находится всего два кодона и-РНК. Если антикодон т-РНК является комплементарным кодону и-РНК, то происходит временное присоединение т-РНК с аминокислотой к и-РНК, Ко второму кодону присоединяется вторая т-РНК, несущая свою аминокислоту. Аминокислоты располагаются у активного центра рибосомы, и с помощью ферментов между ними устанавливается пептидная связь. Одновременно разрушается связь между первой аминокислотой и ее т-РНК и т-РНК уходит из рибосомы за следующей аминокислотой. Рибосома перемещается на один триплет, и процесс повторяется. Так постепенно наращивается молекула полипептида, в которой аминокислоты располагаются в строгом соответствии с порядком кодирующих их триплетов. Часто на одну и-РНК нанизывается не одна рибосома, а несколько (такие структуры называются полисомами); при этом синтезируется несколько одинаковых белковых молекул.Схема биосинтеза белка.

 После завершения синтеза белковая молекула отделяется от рибосомы и приобретает свойственную ей (вторичную, третичную или четвертичную) структуру. Биосинтез белка идет довольно быстро. За 1 с бактериальная рибосома образует полипептид из 20 аминокислот.

Скорость биосинтеза зависит от активности ферментов, катализирующих процессы транскрипции и трансляции, от температуры, концентрации водородных ионов, наличия АТФ и свободных аминокислот и др.

 Следует подчеркнуть, что в клетках есть специальные механизмы, регулирующие активность генов, благодаря чему в каждый данный момент синтезируются только те белки, которые ей необходимы.

 Фотосинтез. По типу питания живые организмы делятся на две группы — автотрофные и гетеротрофные.

 Гетеротрофными называются организмы, не способные синтезировать органические вещества из неорганических и использующие в качестве пищи (источника энергии) готовые органические соединения. К гетеротрофам относится большинство бактерий, грибов и животных. Автотрофными называются организмы, способные создавать из неорганических веществ органические, служащие строительным материалом и источником энергии. К ним относятся некоторые бактерии и все зеленые растения. Автотрофные организмы подразделяются на хемосинтезирующие и фотосинтезирующие. Хемосинтезирующис (бактерии) потребляют энергию, выделяющуюся при окислении некоторых неорганических веществ (например, нитрифицирующие бактерии последовательно окисляют аммиак до нитритов, а затем нитриты до нитратов). Фотосинтезирующие (Зеленые растения) используют энергию света. Зеленые растения способны при помощи пигмента хлорофилла, содержащегося в хлоропластах, преобразовывать световую энергию Солнца в энергию химических связей органических веществ. В частности, из энергетически бедных веществ они синтезируют богатые энергией углеводы и выделяют кислород. Этот процесс называется фотосинтезом. Он протекает в две фазы: световую и темновую. Процесс фотосинтеза начинается с момента освещения хлоропласта видимым светом. При поглощении молекулой хлорофилла кванте света один из ее электронов переходит в «возбужденное» состояние и поднимается на более высокий энергетический уровень. Одновременно под действием света происходит фотолиз воды с образованием ионов Н+ и ОН-. Возбужденный электрон присоединяется к иону водорода (Н+), восстанавливая его до атома (Н). Далее атомы водорода соединяются с никотинамидаденин-динуклеотидфосфатом (НАДФ) к восстанавливают его до НАДФхН2. Ионы гидроксила, оставшись без противоионов Н+. отдают свои электроны и превращаются в свободные радикалы ОН, которые, взаимодействуя друг с другом, образуют воду и свободный кислород: . Электроны гидроксильных групп возвращаются в молекулу хлорофилла на место возбужденных. В процессе переходов протоны и электроны накапливаются по разные стороны мембраны граны хлоропласта (протоны на внутренней, а электроны на наружной поверхности) и создают разность потенциалов. Когда разность потенциалов достигает критического уровня, протоны проходят по специальным каналам мембран, в которых находятся ферменты, синтезирующие АТФ. Энергия протонов и электронов используется ферментами для присоединения остатка фосфорной кислоты к АМФ или АДФ. Таким образом, в световую фазу фотосинтеза, которая протекает в гранах хлоропластов только на свету, происходят следующие пронесем: фотолиз воды с выделением кислорода, восстановление НАДФ и синтез АТФ. В темновую фазу фотосинтеза накопленная в световую фазу энергия используется для синтеза моносахаридов из диоксида углерода (поступает из воздуха через устьица) и водорода (отщепляется от НАДФхН2) путем сложных ферментативных реакций. В итоге получается:

.

 В дальнейшем могут образовываться ди-, полисахариды и другие органические соединения (аминокислоты, жирные кислоты и др.). Этот процесс не требует прямого участия света, поэтому его и называют темновой фазой фотосинтеза. Он протекает в строме хлоропластов как на свету, так и в темноте. Коэффициент полезного действия фотосинтеза достигает 60 %.

 Значение фотосинтеза огромно. Это главный процесс, протекающий в биосфере. Энергия Солнца, аккумулируется в химических связях органических соединений, которые идут на питание всех гетеротрофов. При этом атмосфера обогащается кислородом и очищается от избытка диоксида углерода.

 Знание особенностей реакций фотосинтеза позволяет повышать продуктивность сельскохозяйственных растений, так как урожайность в значительной степени зависит от скорости фотосинтеза, а она в свою очередь обусловлена генотипом растения и факторами внешней среды.

Следовательно, улучшение генотипа (создание новых высокоурожайных сортов) в числе прочих мероприятий способствует повышению урожайности. Для повышения продуктивности фотосинтеза необходимы следующие условия:—    оптимальный световой режим — интенсивность освещения и длительность светового дня.

Практически это зависит от густоты посевов, ориентирования их рядов, искусственного освещения в теплицах и оранжереях.

Следует учитывать также и разницу в освещении светолюбивых и теневыносливых растений;—    благоприятный температурный режим (20— 25 °С) при выращивании растений в парниках и теплицах;—    достаточная для данной культуры увлажненность почвы, регулирование которой можно осуществлять орошением (поливом) или осушением;—    нормальное содержание диоксида углерода в воздухе (особенно в теплицах), так как снижение его содержания тормозит фотосинтез, а повышение угнетает процесс дыхания;

—    достаточное содержание минеральных солей в почве.

Ссылка на основную публикацию