Биология

Урок 8: Обмен веществ в клетке

Обмен веществ и энергии в клетке

Одним из основных свойств живых систем считается их открытость. При этом постоянно происходит взаимообмен веществ, энергии и информации с внешней средой. Сегодня на уроке познакомимся с особенностями обмена веществ организмов. Подробно остановимся на энергетическом обмене. Рассмотрим, как осуществляется питание клетки, фотосинтез и хемосинтез.

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.

1 metabolizm ili obmen veschestv

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.

Частично освобождающаяся энергия применяется при синтезе различных соединений, часть рассеивается с теплом или запасается.

Соответственно, диссимиляция – это процесс,заключающийся в разложении  веществ с освобождением энергии.

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.

2 energeticheskij obmen

  • 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.

3 podgotovitelnyj etap energeticheskogo obmena

  • 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.

4 beskislorodnyj etap energeticheskogo obmena

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.

5 brozhenie

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.

6 kislorodnyj etap energeticheskogo obmena

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.

7 pitanie

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.

8 tipy pitanija organizmov

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.

9 fototrofy

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

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

10 hemotrofy

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.

11 geterotrofy

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.

12 fotosintez

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.

13 fazy fotosinteza

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.

14 svetovaja faza fotosinteza

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.

15 temnovaja faza fotosinteza

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.

16 melvin ellis kalvin

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.

17 sergej nikolaevich vinogradskij

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.

18 nitrifikacija

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

19 krugovorot azota v prirode

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.

20 serobakterii

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.

21 zhelezobakterii

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

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Какая стадия диссимиляции проходит без образования энергии?
1Подготовительный
2Анаэробный
3Аэробный
4Все вышеперечисленные
Ответить
1
Вопрос: 2
Какое число молекул АТФ формируется в ходе второго этапа диссимиляции?
110
238
336
42
Ответить
4
Вопрос: 3
Какие организмы являются автотрофами?
1Белка
2Железобактерии
3Пшеница
4Подберезовик
Ответить
3
Вопрос: 4
В какую фазу фотосинтеза осуществляется образование кислорода?
1Подготовительная
2Световая
3Темновая
4Все вышеперечисленные
Ответить
2
Вопрос: 5
Какие продукты формируются вследствие фотосинтеза?
1Кислород
2Органические вещества
3Углекислый газ
4Кислород и органические вещества
Ответить
4
Вопрос: 6
Какой ученый открыл хемосинтез?
1М.Кальвин
2С.Н.Виноградский
3К.А.Тимирязев
4И.В.Мичурин
Ответить
2
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Какая стадия диссимиляции проходит без образования энергии?
1) Подготовительный 2) Анаэробный 3) Аэробный 4) Все вышеперечисленные
2 вопрос:

Какое число молекул АТФ формируется в ходе второго этапа диссимиляции?
1) 10 2) 38 3) 36 4) 2
3 вопрос:

Какие организмы являются автотрофами?
1) Белка 2) Железобактерии 3) Пшеница 4) Подберезовик
4 вопрос:

В какую фазу фотосинтеза осуществляется образование кислорода?
1) Подготовительная 2) Световая 3) Темновая 4) Все вышеперечисленные
5 вопрос:

Какие продукты формируются вследствие фотосинтеза?
1) Кислород 2) Органические вещества 3) Углекислый газ 4) Кислород и органические вещества
6 вопрос:

Какой ученый открыл хемосинтез?
1) М.Кальвин 2) С.Н.Виноградский 3) К.А.Тимирязев 4) И.В.Мичурин
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: Подготовительный
2 вопрос: 2
3 вопрос: Пшеница
4 вопрос: Световая
5 вопрос: Кислород и органические вещества
6 вопрос: С.Н.Виноградский