Тема 9: «Биоэнергетика и метаболизм у автотрофов и гетеротрофов. Окислительно-восстановительные реакции».
Организмы, в зависимости от способа получения энергии делятся на 2 группы: фототрофы - используют энергию Солнца; хемотрофы - используют энергию химических связей химических соединений. Каждая из названых групп делится еще на 2 группы в зависимости от источника углерода и доноров электронов: литотрофы - используют углерод углекислого газа, а в качестве доноров электронов используют неорганические вещества: воду, сероводород, аммиак, водород, серу и др; органотрофы - потребляют углерод органических веществ, органические вещества являются и донорами электронов и протонов. Конечным акцептором электронов в окислительно-восстановительных реакциях у организмов могут быть: кислород, нитраты, сульфаты, органические вещества и др. Если конечным акцептором электронов является кислород, то организмы относят к аэробам. Если не кислород - анаэробам. В результате вышеприведенных рассуждений, все организмы делятся: фотолитотрофы, фотоорганотрофы, хемолитотрофы и хемоорганотрофы. Среди них могут быть аэробы и анаэробы. Типичным представителем фотолитотрофов следует считать зеленые клетки вы- сших растений. Они в качестве источника углерода используют углекислый газ, в качестве источника энергии - свет, донором электронов является вода. К хемоорганотрофам относятся животные. У них источник углерода - органи- ческие вещества, источник энергии - окислительно-восстановительные реакции, донором электронов являются также органические соединения. К двум остальным группам: фотоорганотрофам и хемолитотрофам относятся различные представители бактерий.
Пластический обмен
Все химические реакций живой клетки можно разделить на два типа: реакции синтеза (биосинтеза), с помощью которых осуществляется пластический обмен, и реакции расщепления - энергетический обмен.
Обмен веществ и энергии - это совокупность физических, химических и физиологических процессов превращения веществ и энергии в живых организмах, а также обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой.
Обмен веществ у живых организмов заключается в поступлении из внешней среды различных веществ, в превращении и использовании их в процессах жизнедеятельности и в выделении образующихся продуктов распада в окружающую среду.
Все происходящие в организме преобразования вещества и энергии объединены общим названием - метаболизм (обмен веществ). На клеточном уровне эти преобразования осуществляются через сложные последовательности реакций, называемые путями метаболизма, и могут включать тысячи разнообразных реакций. Эти реакции протекают не хаотически, а в строго определенной последовательности и регулируются множеством генетических и химических механизмов. Метаболизм можно разделить на два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса: анаболизм (ассимиляция) и катаболизм (диссимиляция).
Анаболизм- это совокупность процессов биосинтеза органических веществ (компонентов клетки и других структур органов и тканей). Он обеспечивает рост, развитие, обновление биологических структур, а также накопление энергии (синтез макроэргов). Анаболизм заключается в химической модификации и перестройке поступающих с пищей молекул в другие более сложные биологические молекулы. Например, включение аминокислот в синтезируемые клеткой белки в соответствии с инструкцией, содержащейся в генетическом материале данной клетки.
Катаболизм - это совокупность процессов расщепления сложных молекул до более простых веществ с использованием части из них в качестве субстратов для биосинтеза и расщеплением другой части до конечных продуктов метаболизма с образованием энергии. К конечным продуктам метаболизма относятся вода (у человека примерно 350 мл в день), двуокись углерода (около 230 мл/мин), окись углерода (0,007 мл/мин), мочевина (около 30 г/день), а также другие вещества, содержащие азот (примерно б г/день). Катаболизм обеспечивает извлечение химической энергии из содержащихся в пище молекул и использование этой энергии на обеспечение необходимых функций. Например, образование свободных аминокислот в результате расщепления поступающих с пищей белков и последующее окисление этих аминокислот в клетке с образованием СО2, и Н2О, что сопровождается высвобождением энергии.
Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия. Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание катаболических процессов ведет к частичному разрушению тканевых структур. Состояние равновесного или неравновесного соотношения анаболизма и катаболизма зависит от возраста (в детском возрасте преобладает анаболизм, у взрослых обычно наблюдается равновесие, в старческом возрасте преобладает катаболизм), состояния здоровья, выполняемой организмом физической или психоэмоциональной нагрузки.
Энергетический обмен состоит из трех этапов.
Первый из них: подготовительный этап. На этом этапе крупные молекулы белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов расщепляются на более мелкие: глюкозу, глицерин, жирные кислоты, нуклеотиды. При этом выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде тепла.
Второй этап - бескислородный или анаэробный. Этот этап можно рассмотреть на примере расщепления глюкозы. Обратите внимание на то, что при этом не используется кислород и образуется всего две молекулы АТФ. Необходимо учитывать, что в виде АТФ запасается всего 40% энергии, остальное рассеивается в виде тепла.
Третий этап - кислородный или аэробный. Особенность данного этапа состоит в том, что в реакциях гликолиза участвует кислород и образуется 36 молекул АТФ.
Имейте в виду, что в случаях большой надобности в энергии в клетках эукариот может идти процесс энергетического обмена только до второго этапа, то есть только анаэробный гликолиз.
При изучении пластического обмена обратите внимание на то, в каких органоидах клетки происходит синтез тех или иных органических веществ (углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот).
Фотосинтез-это процесс образования органических веществ из неорганических с помощью световой энергии. Исходными для фотосинтеза являются углекислый газ и вода, содержащие значительно меньше энергии, чем глюкоза. Следовательно, в процессе фотосинтеза солнечная энергия преобразуется в химическую. (Энергия переходит из одной формы в другую).
Обратите внимание: процесс фотосинтеза имеет несколько ключевых моментов. Молекула хлорофилла содержит атом Mg. Электроны на внешнихорбиталях металла неустойчивы. При ударе фотоном электрон вылетает из атома. Но в таком состоянии он долго существовать не может. Он должен вернуться на свое место, излучив предварительно энергию, полученную от фотона, или отдать ее. У растений в хлоропластах эта энергия не теряется. Она частично идет на синтез АТФ, но, самое важное, этот электрон идет на фотолиз воды. Образовавшиеся ионы водорода идут на синтез органических веществ, а кислород выделяется в атмосферу. Это реакции световой фазы. Следующая фаза условно получила название темновой. Это ряд ферментативных реакций, в процессе которых связывется углекислый газ и синтезируются углеводы. При этом расходуется энергия АТФ и атомы водорода.
Биосинтез АТФ в клетке
- Окислительное фосфорилирование
- Фотофосфорилирование
- Субстратное фосфорилирование
Таблица 1. Номера вопросов контрольной работы
| Последняя цифра шифра | Предпоследняя цифра шифра | ||||
| 1,20,23, 34,42,55, | 2,19,24, 35,43,56, | 3,18,25, 36,44,57, | 4,17,26, 37,45,58 | 5,16,27, 38,46,59 | |
| 10 19 24 | 9 13 25 37 44 57 | 8 17 26 38 45 58 | 7 16 27 39 46 59 | 6 11 28 40 47 60 | |
| 8 18 25 38 44 57 | 7 17 26 39 45 58 | 6 19 27 40 46 59 | 5 11 28 31 47 60 | 4 15 29 32 48 51 | |
| 6 16 27 37 43 58 | 5 11 23 38 44 59 | 4 13 28 39 45 60 | 3 14 29 40 46 51 | 2 17 30 31 47 52 | |
| 4 14 26 35 44 59 | 3 12 27 36 45 60 | 2 11 29 37 46 51 | 1 18 30 38 47 52 | 10 12 21 39 48 53 | |
| 3 12 28 33 43 60 | 2 13 29 34 44 51 | 1 12 30 35 45 52 | 10 15 21 3 46 53 | 9 16 22 37 47 54 | |
| 2 15 27 32 46 51 | 1 14 28 33 47 52 | 10 16 24 34 48 53 | 9 17 22 35 49 54 | 8 13 23 36 50 55 | |
| 5 17 30 31 45 52 | 8 15 21 32 46 53 | 9 18 23 33 47 54 | 6 13 23 34 48 55 | 3 19 24 35 49 56 | |
| 7 13 22 39 47 51 | 10 19 22 40 48 52 | 5 20 21 31 49 53 | 2 12 24 32 50 54 | 1 17 25 33 41 55 | |
| 9 11 21 40 41 53 | 4 18 30 31 42 54 | 7 15 22 32 43 55 | 8 20 25 33 44 56 | 7 14 26 34 45 57 |
Продолжение таблицы № 1
| Последняя цифра шифра | Предпоследняя цифра шифра | ||||
| 6 15 28 39 47 60 | 7 14 29 40 48 54 | 8 13 30 31 49 53 | 9 12 21 33 50 52 | 10 11 22 32 41 51 | |
| 5 12 29 31 48 51 | 4 15 30 32 49 52 | 3 17 21 33 50 53 | 2 16 22 34 41 54 | 1 15 23 35 42 55 | |
| 3 16 30 33 49 52 | 2 18 21 34 50 53 | 1 20 22 35 41 54 | 10 13 23 36 42 55 | 9 14 24 37 43 56 | |
| 1 19 21 32 48 53 | 10 14 22 33 49 54 | 9 12 23 34 50 55 | 8 18 24 35 41 56 | 7 20 25 36 42 57 | |
| 9 15 22 40 49 54 | 8 13 23 31 50 55 | 7 16 24 32 41 56 | 6 17 25 33 42 57 | 5 19 26 34 43 58 | |
| 8 14 23 38 48 55 | 7 11 24 39 49 56 | 6 18 25 40 50 57 | 5 20 26 31 41 58 | 4 17 27 32 42 59 | |
| 7 18 24 37 41 56 | 6 12 25 38 42 57 | 5 11 26 39 43 58 | 4 19 27 40 44 59 | 3 20 28 31 45 60 | |
| 4 11 25 36 50 57 | 1 16 27 37 41 58 | 10 14 27 38 42 59 | 7 20 28 39 43 60 | 2 14 29 40 44 51 | |
| 10 13 26 34 42 56 | 9 19 28 35 43 57 | 4 15 28 36 44 58 | 3 11 29 37 45 59 | 8 16 30 38 46 60 | |
| 2 20 27 35 46 58 | 5 17 26 36 47 59 | 2 19 29 37 48 60 | 1 15 30 38 49 51 | 6 12 21 39 50 52 |
Задания для контрольных работ
По курсу необходимо выполнить одну контрольную работу. По контрольной работе даются вопросы для выбора контрольного задания. В контрольном задании необходимо ответить на 7 вопросов, которые берутся из разделов «Перечень вопросов контрольной работы».
Ответы даются в краткой форме, но должны содержать конкретный материал, включая формулы химических соединений и уравнения реакций изучаемых вопросов, по которым рецензент определяет степень проработки вопросов студентом. Примерный объем всего контрольного задания – стандартная школьная тетрадь. Задание должно быть написано четким и разборчивым почерком. С правой стороны тетради обязательно оставлять поля для рецензии и заметок. Неряшливое выполнение работы не допускается. Такие работы возвращаются без проверки и не зачитываются. В конце контрольной работы следует указать, какая литература использована и год ее издания, а также год издания методических указаний. Кроме того, должна быть личная подпись студента, выполнившего задание, и дата выполнения. Номера вопросов для контрольного задания берутся из таблиц, приложенным ниже, соответственно двум последним цифрам шифра (т. е. номеру зачетной книжки). Последняя цифра шифра находится в первой колонке по вертикали, а предпоследняя – сверху по горизонтали. В точке пересечения этих двух колонок обозначены номера вопросов, на которые вам необходимо ответить.
Например, при шифре 4245 берем две последние цифры – 45; по вертикали отыскиваем последнюю цифру – 5, а по горизонтали (сверху) находим предпоследнюю цифру – 4. В точке пересечения строчки 5 и колонки 4 находим номера вопросов. На которые необходимо ответить, а именно 9,16,22,37,47,54,66.