Энергетический обмен

Тема 1.4 . Обмен веществ и превращение энергии в клетке

• Понятие метаболизм.
• Ассимиляция и диссимиляция – две стороны метаболизма.

• Типы обмена веществ: автотрофный и гетеротрофный, аэробный и анаэробный.
• Пластический обмен. Фотосинтез. Хемосинтез

Любой организм – открытая биосистема

Схема обмена веществ

Метаболизм=

обмен веществ и превращение энергии-

• совокупность биохимических реакций, протекающих в клетке и обеспечивающих ее жизнедеятельность

Основные понятия

• Гомеостаз – постоянство внутренней среды биологических систем;
• Метаболизм – комплекс процессов обмена веществ между клетками и внешним миром. Условно можно разделить на внешний – тот, что происходит на поверхностях систем, и внутренний – тот, что реализуется внутри систем;

Анаболизм = ассимиляция = пластический обмен

(греч. anabolē — подъём), или ассимиляция  (лат. assimilatio — слияние, усвоение), — процессы синтеза сложных органических веществ, свойственных организму, из более простых, сопровождаются поглощением энергии.

Источник энергии

• Автотрофы Гетеротрофы

Катаболизм = диссимиляция = энергетический обмен

• (греч. katabole — разрушение), или диссимиляция  (лат. dissimilatio — разложение, отчуждение), — процессы расщепления органических веществ до более простых, которые протекают с выделением энергии.
• Энергия запасается

в виде АТФ

Молекула АТФ очень энергоёмка. Она является универсальным переносчиком и накопителем энергии. Энергия заключена в связях между тремя остатками фосфорной кислоты.

• Отделение от АТФ одного концевого фосфата (Ф) сопровождается выделением 40 кДж на 1 моль , тогда как при разрыве химических связей других соединений выделяется 12 кДж. Образовавшаяся при этом молекула аденозиндифосфата (АДФ) с двумя фосфатными остатками может быстро восстановиться до АТФ или, при необходимости отдав еще один концевой фосфат, превратиться в аденозинмонофосфат (АМФ) .

Катаболизм обеспечивает все процессы жизнедеятельности энергией, поэтому его и называют энергетическим обменом .

С чего же начинается метаболизм?

Закон сохранения Е: энергия не возникает и не исчезает, она только видоизменяется

Химическая Е

(химические связи органических веществ пищи)

Химическая (синтез АТФ, белков, жиров, углеводов)

Электрическая (передача информации по нервным волокнам с помощью импульса)

Механическая (сокращение скелетных мышц, сердца, диафрагмы)

Тепловая (поддержание постоянной температуры тела)

Заполнить таблицу:

Этапы энергетического обмена

1 – подготовительный

• Происходит в

пищеварительной системе и лизосомах клеток

( у одноклеточных ) под действием ферментов

• небольшое количество выделяющейся энергии рассеивается в виде тепла

Этапы энергетического обмена

2- бескислородный = (гликолиз)

• Происходит в цитоплазме под действием ферментов
• Глюкоза пировиноградная к-та

С 6 Н 12 О 6 2С 3 Н 6 О 3

• ПВК Молочная кислота + Е
• Молочная кислота накапливается в мышцах, вызывает усталость, боль после нагрузок

фермент

фермент

60% - тепло

40% - на

2 АТФ

Суммарное уравнение гликолиза:

Этапы энергетического обмена

3- кислородный (дыхание)

• Происходит в матриксе митохондрий
• Присущ только аэробам
• Открыт в1937 г. – англ. биохимик Х.Кребс
• Атомы водорода попадают на внутренние мембраны митохондрий, где с их

помощью происходит

восстановление АТФ

Суммарное уравнение кислородного этапа ( цикл Кребса)

• 2C 3 H 6 0 3 + 6O 2 + 36АДФ + 36 H 3 P0 4 = 6CO 2 + 42H 2 O + 36АТФ.

Суммарное уравнение

Домашнее задание

• Заполнить таблицу

Параграф учебника

Подготовительный этап

Где происходит

бескислородный

Исходные вещества

кислородный

Конечные продукты

Подумай!!!

• Почему спортсмен после марафонского бега обычно теряет 2-3 кг массы тела.

Почему???

С чего все начинается???

• Типы обмена веществ: автотрофный и гетеротрофный, аэробный и анаэробный.
• Пластический обмен. Фотосинтез. Хемосинтез

Фотосинтез

ФОТОСИНТЕЗ - ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА В ЭНЕРГИЮ ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ

Основным источником энергии для всех живых существ, населяющих нашу планету, служит энергия солнечного света, которую аккумулируют непосредственно только зеленые растения, в том числе водоросли, редкие простейшие, зеленые и пурпурные бактерии. Их клетки за счет энергии солнца способны синтезировать органические соединения: углеводы, жиры, белки и др.

Зеленый цвет фотосинтезирующих клеток зависит от наличия в них хлорофилла , поглощающего свет в красной и синей частях спектра и пропускающего лучи, которые дают при смешении зеленый цвет.

37

Фотосинтез

Главным органом фотосинтеза является лист, в клетках которого имеются специализированные органоиды, ответственные за фотосинтез — хлоропласты.

Хлоропласты

У эукариот фотосинтез происходит в особых органеллах,

называемых хлоропластами.

Хлоропласты окружены двойной мембраной. В хлоропластах всегда содержится хлорофилл , локализованные в системе мембран, которые погружены в основное вещество хлоропласта – строму . Мембранная система – это место, где протекают световые реакции фотосинтеза. В мембранах также находятся ферменты и переносчики электронов. Вся система состоит из множества плоских, заполненных жидкостью мешков, называемых тилакоидами . Тилакоиды местами уложены в стопки – граны .

В строме происходят темновые реакции фотосинтеза. По своему строению строма напоминает гель; в ней находятся растворимые ферменты, в том числе ферменты цикла Кальвина, а также другие химические соединения, в частности сахара и органические кислоты. Избыток углеводов, образовавшихся в процессе фотосинтеза, запасается здесь в виде зерен крахмала.

Тилакоид

Ламелла

Оболочка

хлоропласта

Грана

Строма

Ламелла

Строма

Грана

Фотосинтез

Фотосинтез — это процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов.

Суммарное уравнение фотосинтеза:

6СО 2 + 6Н 2 О + Q света  С 6 Н 12 О 6 + 6О 2

В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция - совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в реакциях превращения углекислого газа в органические вещества.

Фотосинтез

• В процессе фотосинтеза различают две фазы: световую и темновую .

ФОТОСИНТЕЗ

н 2 о

ЗНАЧЕНИЕ

ФОТОСИНТЕЗА

СО 2

Солнечный свет

Е

О 2

АТФ Н +

Заполни таблицу

Фазы фотосинтеза

Заполни таблицу

ГЛЮКОЗА

43

Заполните таблицу

Фазы фотосинтеза

Фотосинтез

Световая фаза происходит только на свету в мембранах тилакоидов , содержащих молекулы хлорофилла, белки

цепи переноса

электронов и

особые

ферменты –

АТФ-синтетазы.

Световая фаза фотосинтеза

• Под действием энергии кванта света электроны хлорофилла возбуждаются, покидают молекулу и попадают на внешнюю сторону мембраны тилакоида, которая в итоге заряжается отрицательно.

Световая фаза фотосинтеза

• Окисленные молекулы хлорофилла восстанавливаются, разлагая воду - отбирая электроны у водорода воды с помощью особого фермента, связанного с фотосистемой-2. Кислород при этом удаляется во внешнюю среду, а протоны накапливаются в «протонном резервуаре».

Световая фаза фотосинтеза

Световая фаза фотосинтеза

• Когда разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны тилакоида достигает 200 мВ(Милливольт ), срабатывает фермент АТФ-синтетаза, протоны проталкиваются через его канал и происходит фосфорилирование АДФ до АТФ, а атомарный водород идет на восстановление специфического переносчика НАДФ + до НАДФ·Н 2 .

Световая фаза фотосинтеза

хлорофилл * + e б) e + белки-переносчики –– на наружную поверхность мембраны тилакоида в) НАДФ + + 2H + + 4 e ––– НАДФ·H 2 Фотолиз воды H 2 O –––(свет)––– H + + OH – OH – ––– OH – – e ––– OH ––– H 2 O и O 2 ? e + хлорофилл * ––– хлорофилл H + – источник энергии, необходимой для синтеза АТФ из АДФ +Ф Н " width="640"

Световая фаза

строма

тилакоид

а) хлорофилл –––(свет)––– хлорофилл * + e

б) e + белки-переносчики –– на наружную поверхность мембраны тилакоида

в) НАДФ + + 2H + + 4 e ––– НАДФ·H 2

Фотолиз воды

H 2 O –––(свет)––– H + + OH –

OH – ––– OH – – e ––– OH ––– H 2 O и O 2 ?

e + хлорофилл * ––– хлорофилл

H + – источник энергии, необходимой для синтеза АТФ из АДФ +Ф Н

Темновая фаза

• Темновая фаза протекает в другое время и в другом месте - в строме хлоропласта. Для ее реакций не нужна энергия света. Происходит фиксация углекислого газа, содержащегося в воздухе, причем акцептором углекислого газа является пятиуглеродный сахар рибулозобисфосфат.

Темновая фаза

• Мелвин Кальвин, лауреат Нобелевской премии, показал, как происходит образование углеводов в темновую фазу фотосинтеза. Происходит поглощение СО 2 и карбоксилирование пятиуглеродного сахара рибулозобисфосфата с образованием 6-углеродного соединения.

Темновая фаза

• Затем происходит цикл реакций Кальвина, в которых через ряд промежуточных продуктов происходит образование глюкозы.

Фотосинтез

Фотосинтез — это процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов.

Суммарное уравнение фотосинтеза:

6СО 2 + 6Н 2 О + Q света  С 6 Н 12 О 6 + 6О 2

В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция - совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в реакциях превращения углекислого газа в органические вещества.

Фотосинтез

Проверь правильность заполнения таблицы

фаза

световая

место протекания реакций

темновая

в хлоропластах

на мембранах тилакоидов

начальные продукты

в строме

хлоропластов

суть процесса

Н 2 О, АДФ,

хлорофилл,

энергия света

СО 2, рибулозобисфосфат,

АТФ; НАДФ·Н 2

фотолиз воды,

фосфорилирование

конечные продукты

карбоксилирование,

гидрирование,

дефосфорилирование

О 2; АТФ; НАДФ·Н 2

С 6 Н 12 О 6

Домашнее задание

• Подготовь сообщение «История открытия фотосинтеза»

Заполни таблицу

Сравнительная характеристика процессов дыхания и

фотосинтеза

Реши задачу.

За сутки один человек массой в 60 кг при дыхании потребляет в среднем 30 л кислорода (из расчета 200 см 3 на 1 кг массы в 1 ч).

Одно 25-летнее дерево – тополь – в процессе фотосинтеза за 5 весенне-летних месяцев поглощает около 42 кг углекислого газа. Определите, сколько таких деревьев обеспечат кислородом одного человека.

Хемосинтез и его значение

С. Н. Виноградский (1856- 1953гг)

• открыл бактериальный хемосинтез;
• хемосинтез осуществляется за счет энергии реакций окисления неорганических соединений, например, аммиака, водорода, соединений серы, закисного железа и др.;
• энергия окисления запасается в виде АТФ.

Хемосинтез - это …

способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ из CO 2 служат реакции окисления неорганических соединений.

Данный способ получения энергии характерен только для бактерий .

Хемотрофы

Серобактерии

Железобактерии

Нитрифицирующие бактерии

Водородобактерии

Метанобактерии

Бесцветные серобактерии

Окисляют сероводород и накапливают в своих клетках серу:

2H 2 S + O 2 = 2H 2 O + 2S + 272 кДж

При недостатке H 2 S бактерии производят дальнейшее окисление накопившейся в них серы до серной кислоты:

2S + 3O 2 + 2H 2 O = 2H 2 SO 4 + 636 кДж

Железобактерии

• обитают в пресных, и соленых водоемах;
• осуществляют круговорот железа в природе, а в промышленности используются для производства чистой меди;
• окисляют двухвалентное железо Fe 2+ до

трёхвалентного Fe 3 + .

4 FeCO 3 + 6 H 2 O +O 2 = 4 Fe(OH) +2CO 2 + 324 кДж

Нитрифицирующие бактерии

окисляют аммиак, образующийся при гниении органических остатков сначала до азотистой, а затем до азотной кислоты.

NH 3 → HNO 2 → HNO 3

2NH 3 + 3O 2 = 2HNO 2 +2H 2 O+663 кДж

2 HNO 2 + O2 = 2HNO 3 + 142 кДж

Азотная кислота, реагируя с минеральными соединениями почвы, превращается в соли азотной кислоты (нитраты), которые хорошо усваиваются растениями.

Водородные бактерии

• описаны А.Лебедевым и Г.Казерером в 1906г;
• используют энергию, выделяющуюся при

окислении молекулярного водорода, для

усвоения углерода

6H 2 + 2O 2 + CO 2 = (CH 2 O) + 5H 2 O

где (CH 2 O) — условное обозначение образующихся органических веществ.

Характеризуются :

• высокой скоростью роста;
• могут давать большую биомассу в зависимости от субстрата могут быть как автотрофами, так и гетеротрофами (миксотрофы)

Метанобактерии

хемосинтез описывается по реакции

4H 2 + CO 2 = CH 4 + 2H 2 O.

Сравните фотосинтез и хемосинтез

№

Критерии сравнения

1

У каких организмов происходит?

Фотосинтез

2

Хемосинтез

Какой источник энергии используется в процессе?

3

Какие вещества образуются?

Экологическая роль хемосинтеза

Нитрифицирующие бактерии осуществляют круговорот азота в биосфере

Серобактерии

• образуя серную кислоту, способствуют разрушению и выветриванию горных пород;
• разрушают каменные и металлические сооружения;
• выщелачивают руду и серные месторождения;
• очищение промышленных сточных вод.

Железобактерии

• образуют Fe(OH) 3 скопление которого образует болотную железную руду

• виновниками плохого качества воды, загрязняющими почву, водопроводную систему и канализацию.

• скопления железобактерий в водоемах может вызвать гибель молодняка рыб.

Железобактерии

Для обработки воды используют специальное устройство – фосфатный дозатор, который очищает ее аналогично хлорированию. Фосфат не дает окислиться ионам железа.

Водородные бактерии

• для получения дешевого кормового и пищевого белка
• для регенерации атмосферы в замкнутых системах жизнеобеспечения(система Оазис – 2, на космическом корабле «Союз – 3» , 1973 г.)

Закрепление

1.Сравните фотосинтетиков и хемосинтетиков. Укажите сходства и отличия.

2.Перечислите экологические функции хемосинтетиков.

3. Каково значение хемосинтезирующих бактерий в народном хозяйстве?

Выводы

• хемосинтез — тип питания бактерий, основанный на усвоении СO 2  за счет окисления неорганических соединений;
• хемотрофы - бактерии, способные синтезировать органические соединения из неорганических за счет энергии химических реакций окисления, происходящих в клетке;
• неорганические соединения азота (его окисляют нитрифицирующие бактерии);

сероводород (бактерии, окисляющие серу);

восстановленные железо и марганец (железобактерии);

молекулярный водород (водородные бактерии);

углекислый газ (карбоксидобактерии, которые нельзя путать с такими организмами, как цианобактерии, в фотосинтезе которых также участвует углекислый газ) и др.