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.
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.
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.
| | |
Рост, развитие, умственная и физическая деятельность возможны благодаря обмену веществ и энергии в клетке. Преобразование веществ в энергию является главным условием живых организмов, начиная одноклеточными растениями и заканчивая человеком.
Обмен веществ или метаболизм - совокупность сложных химических реакций, происходящих в каждой клетке живого организма. Основное свойство обмена веществ и энергии - обеспечение взаимодействия внешней среды с организмом для поддержания жизни и нормального функционирования тканей и органов. Все жизненно необходимые вещества (вода, кислород, органические соединения) поступают из внешней среды. Без их доступа обмен веществ нарушается или прекращается, что приводит к гибели живого организма.
Метаболизм включает два тесно взаимосвязанных противоположных процесса:
Катаболизм или энергетический обмен - процесс распада сложных веществ (сахаров, жиров) на более простые. В результате образуется энергия в виде молекулы АТФ (аденозинтрифосфорная кислота или аденозинтрифосфат), которая является универсальным источником энергии. Часть образованных молекул АТФ участвует в синтезе различных веществ, часть - рассеивается в виде тепла.
Рис. 1. Формула АТФ.
Примеры катаболизма:
ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой
Анаболизм или пластический обмен включает сложные химические реакции, в результате которых образуются высокомолекулярные вещества, необходимые для постройки и обновления организма (белки, жиры, углеводы). Для проведения таких реакций нужна энергия, т.е. анаболизм происходит с участием АТФ.
Анаболизм можно наблюдать в виде:
Фотосинтез является анаболизмом, но вместо АТФ используется энергия солнечных лучей.
Рис. 2. Процесс фотосинтеза в клетке.
В результате катаболизма (распада) образуются простые вещества, которые могут соединяться при анаболизме (постройке) и вновь разрушаться при катаболизме с высвобождением АТФ. Хорошим примером являются жиры, которые образуются при ассимиляции, откладываются в тканях и расщепляются для получения энергии. Соотношение образованной и потраченной энергии называется энергетическим балансом. Анаболизм и катаболизм должны происходить параллельно без преобладания одного из процессов.
Прежде чем пища превратится в энергию, она должна пройти долгий путь по желудочно-кишечному тракту, попасть в кровь и достигнуть каждой клетки, где начнётся метаболизм. Весь процесс делится на три стадии, которые описаны в таблице.
|
Этапы |
Где происходит |
Результат |
|
Подготовительный |
Желудочно-кишечный тракт |
Вещества, поступившие с пищей, расщепляются на молекулы и всасываются в кровь. Белки расщепляются до аминокислот, углеводы - до глюкозы, жиры - до жирных кислот и глицерина. Происходит незначительное выделение энергии |
|
Основной |
Органеллы (функциональные структуры) клеток |
Химические реакции анаболизма и катаболизма. Происходит образование АТФ и синтез специфичных для определённых тканей белков, обмен жиров и углеводов |
|
Заключительный |
Образование и выведение конечных продуктов распада - воды и углекислого газа. Выведение происходит через почки, кишечник, лёгкие, потовые железы |
Рис. 3. Схема обмена веществ.
На протяжении всего метаболизма задействованы катализаторы - ферменты, которые ускоряют синтез или распад. Ферменты действуют избирательно: каждый вид участвует в строго определённых реакциях. Например, амилаза помогает расщепить крахмал в ротовой полости.
Регуляцию обмена веществ осуществляет гипоталамус, где находятся центры теплообмена, ощущений голода, жажды, насыщения. Нейроны гипоталамуса реагируют на уровень глюкозы, изменение давления, температуры и т.д. В соответствии с полученной информацией гипоталамус корректирует метаболизм.
Кратко узнали об основных стадиях и этапах метаболизма, взаимодействии и примерах катаболизма и анаболизма, о значении ферментов для метаболизма и центре контроля всех внутриклеточных процессов.
Средняя оценка: 4.7 . Всего получено оценок: 140.
Постоянный обмен веществ с окружающей средой - одна из основных свойств живых систем. В клетках непрерывно идут процессы биосинтеза (ассимиляция, или пластический обмен), то есть 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 расщепления 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, которая лежит в основе жизнедеятельности и обусловливает связь организма с окружающей средой, называется обменом веществ, или метаболизмом.
Для реакций обмена характерна высокая организованность и упорядоченность. Каждая реакция протекает с участием специфических белков - ферментов. Они располагаются в основном на мембранах органоидов и в гіалоплазмі 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 есть противоположными сторонами единого процесса обмена веществ. Реакции биосинтеза требуют затраты энергии, которая восстанавливается реакциями 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 усиленнымпитанием, а во втором происходит постепенное истощение и в конечном итоге гибель организма.
Энергетический обмен - это совокупность реакций ферментативного расщепление сложных органических соединений, сопровождающихся выделением энергии. Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть аккумулируется в макроэргических связях АТФ и используется затем для обеспечения разнообразных процессов жизнедеятельности клетки: биосинтетических реакций, поступление веществ в клетку, проведения импульсов, сокращения мышц, выделений секретов и т.д.
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ, аденозинтрифосфат) является обязательным компонентом любой живой клетки. АТФ - мононуклеотид, состоящий из азотной основы аденіна, пяти углеродного моносахарида рибози и трех остатков фосфорной кислоты, которые соединены друг с другом высокоэнергетическими (макроергинними) связями. АТФ расщепляется под действием особых ферментов в процессе гидролиза - присоединение воды. При этом отщепляется молекула фосфорной кислоты и АТФ превращается в АДФ (аденозиндифосфат), а при дальнейшем відщеплюванні фосфорной кислоты - в АМФ (аденозинмонофосфат). Отщеплению одной молекулы фосфорной кислоты сопровождается выделением 40 кДж энергии. Обратный процесс превращение АМФ в АДФ и АДФ в АТФ происходит преимущественно в митохондриях путем присоединение 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, которая рассеивается 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 (расщепления глюкозы, что происходит в животных клетках) одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты (С 3 Н 4 0 3), 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 другая (около 120 кДж) рассеивается в виде тепла. Суммарное уравнение этой реакции выглядит следующим образом:
С 6 Н 2 0 6 + 2АДФ + 2Н 3 Р0 4 - 2С 3 Н 6 0 3 + 2АТФ + 2Н 2 0.
В клетках растительных организмов и некоторых дріжджевих грибков распад глюкозы идет путем спиртного брожения. При этом пировиноградная кислота, образовалась в процессе гликолиза, декарбоксилюється с образованием уксусного альдегида, а затем восстанавливается до этилового спирта.
Кислородный (аэробный) этап энергетического обмена имеет место только в организмов аэробов. Он заключается в последующем окислении молочной (или пировиноградной кислоты до конечных продуктов СО 2 и Н 2 О. Этот процесс протекает в митохондриях с участием ферментов и кислорода. На первых стадиях кислородного этапа от молочной кислоты постепенно відщеплюються протоны и электроны, которые накапливаются по разные стороны внутренней мембраны митохондрии и создают разницу потенциалов. Когда она достигает критического значения, протоны, проходя по специальным каналам мембраны, в которых находятся синтезирующие АТФ ферменты, отдают свою энергию для присоединения остатка фосфорной кислоты до АМФ или АДФ. Этот процесс сопровождается выделением энергии, достаточной для синтеза 36 молекул АТФ (1440 кДж). Уравнение кислородного этапа выглядит так:
2С 3 Н 6 0 3 + 60 2 + 36Н 3 Р0 4 + 36АДФ 36АТФ + 6С0 2 + 42Н 2 0.
Суммарное уравнение анаэробного и обмена этапов энергетического обмена выглядит следующим образом:
С 6 Н 12 0 6 + 38АДФ + 38Н 3 Р0 4 + 60 2 38АТФ + 6С0 2 + 44Н 2 0.
Таким образом, во время второго и третьего этапов энергетического обмена при расщеплении одной молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ. На это тратится 1520 кДж (40 кДж х 38), а всего выделяется 2800 кДж энергии. Итак, 55 % энергии, которая высвобождается при расщеплении глюкозы, аккумулируется клеткой в молекулах АТФ, а 45 % рассеивается в виде тепла. Основную роль в обеспечении клеток энергией играет кислородный этап.
Рис. 130. Схема строения АТФ и превращение ее в АДФ, при котором выделяется энергия, накопленная в макроенергетичній соединении.
Аналогичным образом в энергетический обмен могут вступать белки и жиры. При расщеплении аминокислот кроме двуокиси углерода и воды образуются азотмісткі продукты (аммиак, мочевина) выводятся через выделительную систему.
Пластическим обменом или ассимиляцией, или анаболізмом называется совокупность реакций биологического синтеза, при котором из веществ, поступивших в клетку, образуются вещества, специфические для данной клетки. К пластическому обмена относится биосинтез белков, фотосинтез, синтез нуклеиновых кислот, жиров и углеводов.
Название этого вида обмена отражает его сущность: из веществ, поступают в клетку извне, образуются вещества, подобные веществам клетки.
Рассмотрим одну из важнейших форм пластического обмена - биосинтез белков. Как уже отмечалось, все многообразие свойств белков конец счете определяется их первичной структурой, т.е. последовательностью аминокислот. Огромное количество отобранных в процессе эволюции уникальных сочетаний аминокислот воспроизводится путем синтеза нуклеиновых кислот с такой последовательностью азотных основ, которая соответствует последовательности в белках.
Каждой амінокислоті в поліпептидному цепочке соответствует комбинация из трех нуклеотидов - триплет. Так, амінокислоті цистеина соответствует триплет АЦА, валина - ЦАА, лизина - ТТТ т.д.
Рис. 131. Соотношение последовательности триплетов ДНК, РНК и аминокислот в белковой молекуле.
Генетический код (триплет и-РНК)
|
Первая буква (5) |
Вторая буква |
Третья буква(3) |
|||
|
Фен Фен Лей Лей |
Сэр Сэр Сэр Сэр |
Тир Тир |
Цис Цис Трт |
||
|
Лей Лей Лей Лей |
Гис Гис Глн Глн |
Apr Apr Apr Apr |
|||
|
Илэ Илэ Илэ Мет |
Тре Тре Тре Тре |
Асн Асн Лиз Лиз |
Сэр Сэр Apr Apr |
||
|
Вал Вал Вал Вал |
Ала Ала Ала Ала |
Асп Асп Глу Глу |
Гли Гли Гли Гли |
||
Примечание. Триплеты UAA, UAG, UGA не кодируют аминокислот, а являются стоп-сигналами при считывании.
Таким образом, определенные сочетания нуклеотидов и последовательность их расположения в молекуле ДНК является кодом, который несет информацию о структуре белка, или генетическим кодом.
Генетический код разных организмов имеет некоторые общие свойства.
1. Избыточность. Код включает всевозможные сочетания трех (из четырех) азотных оснований. Таких сочетаний может быть 43 = 64, тогда как кодируется только 20 аминокислот. В результате некоторые аминокислоты кодируются несколькими триплетами. Например, амінокислоті аргинина могут отвечать триплеты ГЦА, ГЦГ, ГЦТ, ГЦЦ и т.д. Эта избыточность кода имеет большое значение для повышение надежности передачи генетической информации. Понятно, что случайная замена третьего нуклеотида в этих триплетах никак не отразится на структуре белка, синтезируется.
2. Специфичность. Нет случаев, когда один и тот же триплет отвечал бы более чем одной амінокислоті.
3. Универсальность. Код универсален для всех живых организмов - от бактерий до млекопитающих.
4. Дискретность. Кодовые триплеты никогда не перекрываются, то есть транслируются всегда вполне. При считывании информации из молекулы ДНК невозможно использование азотной основы одного триплета в комбинации с основами другого триплета.
5. В длинной молекуле ДНК, состоящей из миллионов нуклеотидных пар, записана информация о последовательности аминокислот в сотнях различных белков. Понятно, что информация о первичной структуре индивидуальных белков-должна как-то разграничиваться. Действительно, существуют триплеты, функцией которых является инициация синтеза полинуклеотидной цепочки и-РНК: инициаторы и триплеты, которые прекращают синтез, - терминаторы. Следовательно, указанные тройняшек служат «знаками препинания» генетического кода.
Для того, чтобы синтезировался белок, информация о последовательности нуклеотидов в его первичной структуре должна быть доставлена к рибосомам. Этот процесс включает два этапа: транскрипцию и трансляцию.
Транскрипция (от лат. transcriptio - переписывание) информации происходит путем синтеза на одной из цепей молекулы ДНК одноланцюжкової молекулы РНК, последовательность нуклеотидов которой точно соответствует последовательности нуклеотидов матрицы - полинуклеотидной цепи ДНК. Так образуется информационная (и-РНК), или матричная РНК (м-РНК). Синтез и-РНК осуществляется за помощью специального фермента - РНК-полимеразы.
Рис. 132. Синтез и-РНК (транскрипция). В месте синтеза и-РНК цепи ДНК расходятся (розплітаються).
Следующий этап биосинтеза белка - перевод последовательности нуклеотидов в молекуле и-РНК в последовательность аминокислот полипептидной цепочки - трансляция (от лат. translatio - передача). В прокаріот (бактерий и сине-зеленых водорослей), не имеющие оформленного ядра, рибосомы могут связываться с вновь синтезированной молекулой и-РНК сразу же после ее отделения от ДНК или даже до полного завершения ее синтеза. В эукариот и-РНК сначала должна быть доставлена через ядерную оболочку в цитоплазму. Перенос осуществляется специальными белками, которые образуют комплекс с молекулой и-РНК. Кроме функций переноса эти белки защищают и-РНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов.
Рис. 133. Схема синтеза белка в рибосоме (трансляция): 1 - рибосома; 2 - и-РНК; 3 - т-РНК с аминокислотами; 4 - полипептидный цепь, которая синтезируется; 5 - готовая белковая молекула.
В цитоплазме на один из концов и-РНК (а именно на тот, с которого начинается синтез молекулы в ядре) вступает рибосома и начинается синтез полипептида.
Рис. 134. Образование полірибосо-мы и синтез полипептида. Рибосомы функционируют независимо друг от друга. Каждая рибосома, перемещаясь вдоль молекул и-РНК, образует свой полипептидный цепь. После окончания трансляции рибосомы распадаются на субъединицы.
По мере передвижения по молекуле РНК рибосома транслирует триплет за триплетом, последовательно присоединяя аминокислоты до конца полипептидной цепи, что растет. Точное соответствие аминокислоты кода триплета и - РНК обеспечивается т-РНК. Для каждой аминокислоты существует своя т-РНК, один из триплетов которой (антикодон) комплементарный определенному триплета (кодону) И-РНК. На другом конце молекулы т-РНК расположен триплет, способен связываться с определенной аминокислотой. Каждой амінокислоті соответствует свой фермент, который присоединяет ее к т-РНК. Таким образом, процесс правильного расположения т-РНК и-РНК осуществляется рибосомами. Одна рибосома способна синтезировать полный полипептидный цепь. Однако нередко по одной молекуле и-РНК движется несколько рибосом. Такие комплексы называются полірибосомами. После завершения синтеза полипептидный цепочка отделяется от матрицы - молекулы и-РНК, сворачивается в спираль и приобретает третичную структуру, свойственную данному белку. Рибосомы работают очень эффективно: в течение 1 с бактериальная рибосома образует полипептидный цепь из 20 аминокислот.
Фотосинтез (от греч. photos - свет и synthesis - соединение). По типом питания, то есть по способу извлечения энергии и источниками энергии, живые организмы делятся на две группы - гетеротрофні и автотрофні. Гетеротрофними (от греч. heteros - другой и trophe - пища, питание) называются организмы, не способные синтезировать органические соединения из неорганических, они используют в виде пищи (источника энергии) готовые органические соединения с окружающей среды. Первые живые организмы на Земле были гетеротрофними. Они использовали в виде пищи органические соединения «первичного бульона». В настоящее время к гетеротрофів относят большинство бактерий, грибы и животных (равно - и многоклеточные). Некоторые растения повторно приобрели способность к гетеротрофного питания.
Автотрофными (от греч. autos - сам и троф) называются организмы, питаются (вытягивают энергию) неорганическими веществами почвы, воды, воздуха и создают органические вещества, которые используются для построения их тела. К автотрофів относятся некоторые бактерии и все зеленые растения.
Автотрофні организмы используют различные источники энергии. Для некоторых из них источником энергии служит свет, такие организмы называются фототрофами (от фото и троф). Другие используют энергию, которая освобождается при окислительно-восстановительных реакциях, и называются хемотрофами (от греч. chemeia - химия и троф).
Рис. 135. Схема процессов фотосинтеза.
Зеленые растения являются фототрофами. С помощью пигмента хлорофилла, содержится в особых органоїдах - хлоропластах, они осуществляют фотосинтез - преобразование световой энергии Солнца в энергию химических связей. Происходит это таким образом. Кванты света взаимодействуют с молекулами хлорофилла, вследствие чего эти молекулы (точнее, их электроны) переходят в более богатый энергией «возбужденное» состояние.
Избыточная энергия части возбужденных молекул преобразуется в теплоту или выпускается в виде света. Другая ее часть передается ионам водорода, всегда находятся в водном растворе вследствие диссоциации воды. Атомы водорода, образовались, непрочно соединяются с молекулами - переносчиками водорода. Ионы гидроксила ОН - отдают свои электроны другим молекулам и превращаются в свободных радикалов ОН. Радикалы ОН взаимодействуют друг с другом, в результате чего образуется вода и молекулярный кислород по уравнению:
40Н - 2Н 2 0+0 2
Следовательно, источником свободного кислорода, который выделяется в атмосферу, служит вода. Совокупность реакций, приводящих к разложению воды под действием света, носит название фотолізу. Кроме фотолізу воды энергия возбужденных светом электронов хлорофилла используется для синтеза АТФ из АДФ и фосфата без участия кислорода. Это очень эффективный процесс: в хлоропластах образуются в ЗО раз больше молекул АТФ, чем в митохондриях тех же растений в результате окислительных процессов с участием кислорода.
Совокупность описанных выше реакций может происходить только на свету и называется световой или світлозалежною фазой фотосинтеза.
Накопленная в результате світлозалежних реакций энергия и атомы водорода, образовавшиеся при фотолизе воды, используется для синтеза углеводов из С0 2:
6С0 2 +24Н - С 6 Н 12 0 6 +6Н 2 0 .
При скреплении неорганического углерода (СО 2) и синтезе органических вуглемістких соединений не требуется прямое участие света. Эти реакции называются темновими, а их совокупность - темной фазой фотосинтеза.
Не все клетки зеленого растения автотрофні. Не содержат хлоропласты и не способные к фотосинтезу клетки корня, лепестков цветков, камбия и т.д.
В зеленых растениях донором водорода, участвует в фотосинтетических реакциях, служит вода. Именно поэтому образуется свободный кислород, который поступает в атмосферу. Однако когда на начальных этапах эволюции организмы прокаріотичні приобретали способности использовать для биосинтеза энергию света, донором водорода для них служили такие вещества, как органические соединения (кислоты, спирты, сахара), H,S или молекулярный водород. Сегодня существуют и широко распространены реликтовые прокаріотичні организмы - пурпурные и зеленые бактерии, у которых фотосинтез протекает без выделения В 2 .
Другая группа автотрофных организмов - бактерии, хемосинтезують, или есть хемотрофами. Для биосинтеза они используют энергию химических реакций неорганических соединений. Такие бактерии способны окислять ионы аммония, нитрита, сульфида, сульфита двухвалентного железа, элементарную серу, молекулярный водород и С. Так, разные группы нитрифицирующих бактерий последовательно окисляют аммиак до нитрита, а затем из нитрита образуют нитрат.
Деятельность всех этих бактерий - нітрифікуюча, окисляюча железо и серу и переводя тем самым нерастворимые минералы в легко растворимые сульфаты тяжелых металлов и др. - играет важную роль в кругообміні веществ в природе.
Значение фотосинтеза огромное. Это главный процесс, который протекает в биосфере. Энергия Солнца аккумулируется в химических связях органических соединений, которые идут на питание всех гетеротрофів. При этом атмосфера обогащается кислородом и очищается от избытка двуокиси углерода.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ
Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение Саратовской области
«Балашовский техникум механизации сельского хозяйства»
Методическая разработка бинарного занятия
по дисциплинам «Биология» и «Химия» на тему:
«Обмен веществ и превращение энергии в клетке»
Подготовили:
Курсакова С.Н.
Гречишкина И.Н.
Балашов 2015 г.
1.Предисловие
2.Основная часть
3.Заключение
4.Литература
1.Предисловие
Обмен веществ – это основа жизнедеятельности клетки. Знания процессов обмена веществ в клетке позволяют понять, как происходит круговорот веществ в природе, каким образом накапливается растительная биомасса, которая является основой питания для гетеротрофных организмов, решать проблемы связанные с обеспечением продуктами питания большей части населения планеты.
Все живые организмы представляют собой открытые системы, способные активно организовать поступления энергии и вещества извне.
Энергия необходима для осуществления жизненно важных процессов, но прежде всего для химического синтеза вещества, используемых для построения и восстановления структур клетки и организма.
Сегодня на уроке мы рассмотрим процессы обмена веществ, органические и неорганические вещества, входящие в состав пищевых продуктов, а также рассмотрим проблему обеспечения продуктами питания населения планеты.
2.Основная часть
Учебно-методическая карта занятия
Тема занятия: «Обмен веществ и превращение энергии в клетке»
Вид занятия: бинарный урок.
Цели занятия:
Учебная: изучить виды обмена веществ в клетке, сформировать понятия жиров, белков, углеводов, показать связь калорийности продуктов с расходом внутренней энергии.
Развивающая: Совершенствовать умение анализировать причинно-следственные связи при объяснении сущности природных явлений.
Воспитательная: показать как человек познавая законы природы, заставляет их работать на благо людей.
Наглядные пособия:
Стенд «Фотосинтез»
Плакат «Преобразование энергии АТФ»
Плакат «Строение молекулы белка».
Слайды.
Набор реактивов
Раздаточный материал: упаковки пищевых продуктов с обозначением калорийности продуктов.
Ход занятия
2. Выявление степени готовности студентов к занятию.
3. Мотивация познавательной деятельности студентов
4. Запись темы и плана занятия
План
2).Вещества входящие в состав пищевых продуктов.
5.. Объяснение нового материала (метод: объяснительно-иллюстративный)
6.Закрепление изученного материала.
7. Задание на дом
8. Заключительная часть
1.Организационный момент (приветствие, отметка отсутствующих, проверка готовности студентов к занятию)
1)Выявление степени готовности студентов к занятию.
Метод тестирование (см. Приложение№)
3.Мотивация познавательной деятельности.
Сегодня мы проводим необычный урок, который называется бинарным. Все дисциплины имеют связь между собой и многие темы взаимно дополняют друг друга
4.Запись темы и плана занятия
План
1).Пластический и энергетический обмен веществ в клетке
2).Вещества, входящие в состав пищевых продуктов.
3). Проблема обеспечения населения продуктами питания
5. Объяснение нового материала (метод: объяснительно-иллюстративный)
Вопрос №1 «Пластический и энергетический обмен веществ в клетке»
На предыдущих занятиях мы рассмотрели структуру клетки, познакомились с функциями органоидов клетки, отмечали, что в клетке находятся как органические, так и неорганические соединения.
Сегодня мы изучим, каким образом происходит обмен веществ в клетке, рассмотрим свойства органических и неорганических веществ.
Обмен веществ – это основа жизнедеятельности клетки. Знания процессов обмена веществ в клетке позволяют понять, как происходит круговорот веществ в природе, каким образом накапливается растительная биомасса, которая является основой питания для гетеротрофных организмов, решать проблемы связанные с обеспечением продуктами питания большей части населения планеты.
Все живые организмы представляют собой открытые системы, способные активно организовать поступления энергии и вещества извне.
Энергия необходима для осуществления жизненно важных процессов, но прежде всего для химического синтеза вещества, используемых для построения и восстановления структур клетки и организма.
Сейчас мы посмотрим с вами фильм «пластический и энергетический обмен» Обратите внимание, как образуются сложные органические вещества, и что происходит при расщеплении данных соединений (Просмотр диафильма).
Мы с вами познакомились с двумя видами обмена веществ. Рассмотрим их более подробно.
Запишете: «Пластический обмен»
Определение: реакция синтеза осуществляющийся с потреблением энергии, составляют основу пластического обмена (или ассимиляции).
Существуют различные формы пластического обмена: биосинтез белков, хемосинтез, фотосинтез.
Некоторые формы пластического обмена характерны только для автотрофных организмов, а некоторые и для автотрофных и гетеротрофных.
Давайте повторим какие организмы мы называем автотрофными (ответ ребят), а какие гетеротрофными (ответ ребят).вот такая форма пластического обмена как фотосинтез. Характерна для гетеротрофных или автотрофных организмов? (ответ ребят)
Рассмотрим как происходит фотосинтез.
К стенду . Фотосинтез состоит из двух фаз световой и темновой.
Графопроектор . В световой фазе квант света действует на электроны воды и подвергает её фоторазложению
Н 2 О Н + +(ОН) -
Ионы гидроксила отдают свои электроны другим молекулам, и превращается в свободный радикал.
(ОН) - ОН
Ионы гидроксила ОН взаимодействуют друг с другом в результате чего образуется вода и кислород:
4ОН 2Н 2 О+О 2
Энергия света используется для синтеза АТФ, АДФ и фосфата.
То есть накапливается энергия, которая необходима в темновой фазе.
В темновой фазе протекает ряд реакций, в которых участвуют молекулы АТФ и атомы Н
6СО 2 +24Н С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О
Молекулы глюкозы соединяются между собой и образуют крахмал, который откладывается в виде запасов.
Так энергия солнечного света преобразуется в энергия химических связей сложных органических соединений.
Запишете, какие процессы происходят в световой и темновой фазе.
А теперь рассмотрим энергетический обмен. Запишите: «Энергетический обмен»
Определение: реакции расщепления сопровождающаяся высвобождением энергии составляют основу энергетического обмена или диссимиляции.
Энергетический этап проходит в три этапа. Конечным результатом является окисление органических веществ при окислении глюкозы выделяется большое количество энергии
С 6 Н 12 О 6 +6О 2 6Н 2 О+6СО 2 +АТФ
Часть энергии освобождаемой из питательных веществ рассеивается в форме теплоты, а часть аккумулируется в богатых энергиях молекулах АТФ.
Плакат .
АТФ состоит из азотистого основания аденина, углерода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.
Именно АТФ обеспечивает энергией все виды клеточных функции: биосинтез, механическую работу. При этом АТФ теряет фосфорный остаток и превращается в АДФ. АТФ обновляется чрезвычайно быстро, у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее одной минуты.
А теперь рассмотрим, как преобразуется энергия пищевых продуктов в организме человека.
Если у растений источником энергии является солнечный свет, то единственным источником энергии для организма является пища.
Процесс потребления энергии и вещества называется питанием.
Энергию, поставляемую организмом с продуктами питания принято выдавать в килокалориях.
Количество энергии, выделяемой при усвоение организмом того или иного пищевого продукта называется калорийностью этого продукта.
Перед вами образцы упаковок продуктов питания. На каждом мы видем, проставлены калорийность данного продукта.
Калорийность измеряется в калориях
1 калорий – 4,19 Дж
1 килокалорий – 1000 калорий
Человек активно расходует энергию в процессе жизнедеятельности
Занятия – 6000 Дж
Зарядка – 16000 Дж
Ходьба – 15000 Дж
Плаванье – 30000 Дж
Эту энергию мы восполняем с пищей.
Продукты питания содержат органические вещества:
Жиры, белки, углеводы. При расщеплении этих веществ выделяется большое количество энергии.
Для организма важно, какие группы веществ обеспечивают калорийность питания. Для нормальной жизнедеятельности человека необходимо определенной соотношение органических и неорганических веществ.
О строение этих веществ расскажет преподаватель химии.
Вопрос №2 «Вещества входящие в состав пищевых продуктов»
Растительные и животные клетки, обладают строения, сходит и по химическому составу. В клетках обнаружено около 90 элементов периодической системы Д.М.Менделеева кислорода 70%, углерода 18%, водорода 10% , азота 3%, а так же Fe, K, S, P, Cl, Mg, Na, I, F и т.д
Так, например N и S входят в состав белка, P – в ДНК и РНК, Mg – в состав ферментов и хлорофилла.
Вода занимает 80% обмена клетки, она прочно связана с белками и образует вокруг них водные оболочки. В живых организмах вода не только растворяет вещества, но и участвует протекающих реакциях гидролиза.
К органическим веществам относятся белки, углеводы, жиры.
Белки - это полимеры, они состоят из аминокислот. На долю белков в клетке приходится 50-80% сухой массы. Они имеют относительную молекулярную массу. В состав аминокислот две функциональные группы СООН и NН 2 , поэтому белки являются амфотерными соединениями. Макромолекула белка имеет первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру. В организме человека происходит гидролиз белков (под влиянием ферментов, при этом аминокислоты попадают в кровь и поступают в ткани и клетки организма, где образуются белки, необходимые данному организму).
Жиры – это сложные эфиры трехатомного спирта глицерина, высших карбоновых кислот. Их содержится в клетках 5-15% от сухой массы. Жиры попадая в организм человека под действием ферментов подвергаются гидролизу. Продукт гидролиза – глицерин и карбоновые кислоты всасываются ворсинками кишечника и снова образуют жир, необходимый данному организму. Жиры – это источники энергии, при расщеплении 1гр. жира выделяется 38,9 кдж.
Углеводы – это органические вещества состоящие из С и Н 2 О. Они делятся на три группы: моносахариды (глюкоза и фруктоза), дисахариды (сахароза), полисахариды (крахмал, целлюлоза). Глюкоза и фруктоза хорошо растворимы в воде. Полисахариды состоят из остатков моносахаридов, нерастворимы в воде. Углеводы играют важную роль в обмене веществ и энергии в организме человека. Являются основным компонентом пищи, углеводы поставляют большую часть энергии, необходимой для жизнедеятельности организмов. Некоторые углеводы входят в состав нуклеиновых кислот, осуществляют биосинтез белка и передачу наследственной информации.
Вопрос №3 «Проблема обеспечения населения продуктами питания»
Пищевые продукты в организме человека выполняют 3 функции:
1.Снабжают организмы материалом для построения его тканей и постоянного обновления их;
2.Снабжают организм энергией, необходимой для жизнедеятельности и совершения работы;
3.Снабжают организм веществами, играющую важную роль в регулировании обмена веществ.
В организме человека питательные вещества подвергаются сложным изменениям, в результате которых превращаются в вещества самого организма, его клеток и тканей, т.е. усваиваются. Этот процесс называется ассимиляцией. Одновременно с созданием клеток и тканей в организме постоянно происходит частичное и разрушение. Процесс распада веществ, входящих в состав клеток и тканей называется диссимиляцией и происходит с выделением энергии затрачиваемой на все виды работ организма.
Оба процесса находятся в тесной взаимосвязи и называются обменом веществ.
Потребность в различных пищевых веществах и энергии зависит от пола, возраста и характера трудовой деятельности. Для правильного составления рациона питания с учетом характера и интенсивности трудовой деятельности.
Правильное составлении индивидуального рациона питания возможно лишь при знании химического состава пищевых продуктов, которые подразделяются на две группы: органические и неорганические. Для обеспечения населения продуктами питания используют «искусственную пищу». Термин «искусственная пища» означает искусственное получение продуктов питания, т.е. получение их путем химической реакции. При создании искусственных продуктов питания очень важно подобрать запах и вкус. Сегодня могут синтезировать любой запах и создать меню хорошего обеда: черная икра, лососина, суп куриный. Мармелад, соки
6. Закрепление
Выберите правильный ответ:
1.В процессе дыхания:
2. Кислород выделяющийся при фотосинтезе, образуется при распаде:
7. Заключение
Сегодня на уроке мы рассмотрели вещества, которые снабжают организм энергией, необходимой для жизнедеятельности и совершения работы, они играют важную роль в обмене веществ и энергии в клетке. В организме человека питательные вещества подвергаются сложным изменениям, в результате которого они превращаются в вещества самого организма. Потребность в различных пищевых веществах и энергия зависят от пола, возраста и характера трудовой деятельности
Литература
1. Захаров В.Б.. Общая биология – М.: Дрофа-2003 г.
2. Ридигер О.Н. Биология – М.:АСТ-ПРЕСС ШКОЛА, 2003.
3.Габриелян О. С., Остроумов И. Г. Химия - М.: ОИЦ «Академия»,2008.
