Пластический обмен (фотосинтез, хемосинтез, репликация ДНК)

1.

Биология
ЕГЭ
Урок 7
Пластический обмен (фотосинтез, хемосинтез,
репликация ДНК)

2.

Способы получения энергии живыми
организмами. Типы метаболизма
Метаболизм (обмен веществ) проходит во всех клетках и непосредственно
обеспечивает их существование.
Остановка обмена веществ приводит к смерти.
Обмен веществ состоит из двух процессов: ассимиляции и
диссимиляции.
★
Диссимиляция (энергетический обмен, катаболизм) —
совокупность всех процессов распада сложных веществ на
простые с выделением энергии, проходящих в живых
организмах. По способу диссимиляции организмы делятся
на аэробные и анаэробные.
К аэробным организмам относится большинство животных (за
исключением некоторых червей-паразитов); к анаэробам —
многие бактерии (например, Clostridium botulinum, выделяющая
токсин, вызывающий смертельно опасную болезнь — ботулизм) и
грибы (например, дрожжи).
2

3.

Способы получения энергии живыми
организмами. Типы метаболизма
Ассимиляция (пластический обмен, анаболизм) — совокупность всех
процессов биосинтеза, проходящих в живых организмах.
По способу ассимиляции и в зависимости от вида используемой энергии и
исходных веществ организмы делятся: на автотрофов, гетеротрофов и
миксотрофов.
3
Миксотрофы (эвглена
зеленая, насекомоядные
растения) – могут питаться
как автотрофно, так и
гетеротрофно.
Гетеротрофы (животные, грибы и
бактерии) — это организмы, получающие
готовые органические вещества вместе с
пищей. Гетеротрофы также играют важную
роль в круговороте веществ: они выделяют
неорганические вещества (углекислый газ и
воду), используемые автотрофами, а также
разлагают органические вещества до
неорганических (прежде всего, это бактерии
и грибы редуценты).

4.

Способы получения энергии живыми
организмами. Типы метаболизма
4
Автотрофы (растения, бактерии и синезеленые водоросли) — это организмы,
самостоятельно синтезирующие
органические вещества из неорганических,
используя для этого энергию Солнца
(фотоавтотрофы) или энергию окисления
неорганических веществ (хемоавтотрофы).
Роль автотрофов в круговороте веществ
огромна: они преобразуют энергию Солнца
в энергию химических связей органических
веществ, которая используется всеми
остальными живыми организмами нашей
планеты, а также выделяют в атмосферу
кислород (фотоавтотрофы), который
необходим большинству живых существ
для получения энергии.

5.

Способы получения энергии живыми
организмами. Типы метаболизма
По способу поступления питательных веществ организмы
разделяют на:
➔
Голозойные – захватывающие пищевые частицы.
➔
Голофитные - всасывающие растворенные вещества.
5

6.

Способы получения энергии живыми
организмами. Типы метаболизма
По отношению к кислороду различают:
❏
Анаэробы. Они способны жить в отсутствие кислорода, осуществляя
реакции внутримолекулярного окисления и восстановления или
используя в качестве окислителей другие вещества среды, например
нитраты (так называемое нитратное дыхание).
Анаэробов можно подразделить на:
а) облигатные анаэробы (бактерии родов клостридий и бифидум, взрослые
аскариды);
б) факультативные анаэробы (дрожжи).
❏
6
Аэробы — большинство ныне живущих гетеротрофных организмов,
которые осуществляют энергетический обмен, окисляя органические
вещества молекулярным кислородом. В клетках таких организмов
обязательно существуют системы защиты от окисления клеточных
структур кислородом.

7.

Фотосинтез
Фотосинтез — это образование органических веществ
из неорганических при участии солнечной энергии.
Суммарное уравнение фотосинтеза:
6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2
Значительный вклад в изучение
фотосинтеза внес К. А. Тимирязев,
который доказал, что фотосинтез
наиболее активно идет в красных лучах
спектра, и что растения в процессе
фотосинтеза преобразуют энергию
Солнца в химическую энергию.
7

8.

Фотосинтез
Фотосинтез характерен для растений и некоторых прокариот. Для
протекания фотосинтеза необходимо наличие пигментов, прежде всего
хлорофилла. В состав хлорофилла входит атом магния. Хлорофилл
поглощает синие и красные лучи спектра и отражает зеленые.
8

9.

Фотосинтез
Также могут присутствовать другие пигменты: желтые каротиноиды и
красные или синие фикобилины. В зеленых листьях каротиноиды
маскируются хлорофиллом; они поглощают свет, недоступный для других
пигментов, и передают его хлорофиллу. В хлоропластах есть две
фотосистемы: фотосистема I и II. Каждая фотосистема содержит
реакционный центр, который состоит из хлорофилла и специального
белка. Этот центр поглощает свет с определенной длиной волны: в
фотосистеме I — 700 нм (центр Р700), в фотосистеме II — 680 нм (центр
Р680).
9

10.

Фотосинтез
Световая стадия
Происходит в тилакоидах.
Энергия света поглощается хлорофиллом и переводит его в
возбужденное состояние. Электроны из фотосистем I и II поступают на
цепь переноса электронов, т. е. в молекулах хлорофилла остаются
незаполненные места для электронов. "Дыры" в фотосистеме I
заполняются электронами из фотосистемы II; а "дыры" в фотосистеме II —
электронами, которые образуются при фотолизе воды. Во время движения
электроны теряют энергию, часть которой используется для синтеза АТФ.
Электрон из фотосистемы I двигается к молекуле НАДФ+
(никотинамидадениндинуклеотидфосфат), восстанавливая его в НАДФ*Н.
Практически одновременно в хлоропластах происходит фотолиз воды —
ее расщепление под действием солнечного света.
При этом образуются электроны (идут в фотосистему II), протоны
(акцептируются НАДФ+ ) и кислород (как побочный продукт): 2Н2О = 4Н+ +
4е + О2
10

11.

Фотосинтез
Световая стадия
Таким образом, в результате световой стадии происходит накопление энергии в
виде АТФ и НАДФ*Н, а также образование кислорода. Фотосистема I может
работать независимо от фотосистемы II. При этом не происходит фотолиз воды и
не образуется свободный кислород. Такой тип фотосинтеза характерен для
некоторых бактерий.
11

12.

Фотосинтез
Темновая стадия
Происходит в матриксе (строме) хлоропластов.
Не требует наличия света. Молекула углекислого газа при помощи
ферментов реагирует с 1,5- рибулозодифосфатом (это производное рибозы).
Образуется промежуточное соединение С6, которое разлагается водой на
две молекулы фосфоглицериновой кислоты (С3). Из этих веществ путем
сложных реакций синтезируется фруктоза, которая далее изомеризуется в
глюкозу. Для этих реакций требуется 18 молекул АТФ и 12 молекул НАДФ*Н.
Из глюкозы в растениях образуются крахмал и целлюлоза. Фиксация
углекислого газа и превращение его в углеводы носит циклический характер
и называется циклом Кальвина.
12

13.

Цикл Кальвина
Первой реакцией, которая идет без использования энергии, является
присоединение CO2 к пентозе, активированной двумя остатками фосфорной
кислоты — рибулозобисфосфату. Образующееся при этом непрочное шести
углеродное соединение распадается с образованием двух молекул
фосфоглицериновой кислоты. Фосфоглицериновая кислота восстанавливает
НАДФ*Н до фосфоглицеринового альдегида с расходованием молекулы АТФ. Две
молекулы фосфоглицеринового альдегида в результате реакций, обратных
гликолизу, превращаются в молекулу глюкозы. Другая часть фосфоглицеринового
альдегида в результате ряда превращений дает исходное количество
рибулозобисфосфата.
Таким образом, происходит циклический процесс превращения веществ, в каждый
оборот такого цикла вовлекается 6 молекул CO2 и образуется одна молекула
глюкозы. Этот цикл носит в честь его открывателя название цикла Кальвина
(восстановительный пентозофосфатный цикл).
13

14.

Цикл Кальвина
14

15.

Фотосинтез
Фотосинтез у бактерий имеет ряд
особенностей. Так, основным пигментом
для цианобактерий служит хлорофилл, для
других бактерий — бактериохлорофилл;
вспомогательные пигменты представлены
каротиноидами и некоторыми другими. Эти
пигменты обычно располагаются на
внутриклеточных выростах плазматической
мембраны. Цианобактерии выделяют
кислород при фотосинтезе, пурпурные и
зеленые бактерии — нет.
15

16.

Фотосинтез
Значение фотосинтеза для сельского хозяйства
велико:
Именно от него зависит урожай сельскохозяйственных
культур. Растение при фотосинтезе использует лишь
несколько процентов солнечной энергии, попадающей на
листья, поэтому одним из важных направлений селекции
является выведение новых сортов с большей
эффективностью фотосинтеза.
Для повышения эффективности фотосинтеза
используют следующие приемы: искусственное
освещение (дополнительная подсветка лампами дневного
света в пасмурные дни или весной и осенью) в теплицах;
отсутствие затенения культурных растений, соблюдение
необходимых расстояний между растениями.
16

17.

Хемосинтез
Хемосинтез — это процесс образования органических
веществ из неорганических при использовании энергии,
полученной при окислении неорганических веществ.
Он был открыт русским микробиологом С.Н.
Виноградским в XIX в. (1887 г.) и возможен только у
бактерий.
Хемосинтезирующие бактерии обитают в почве и
различных водоемах и играют важную роль в круговороте
веществ. Например, благодаря жизнедеятельности
железобактерий в природе накапливаются руды железа; а
нитрифицирующие бактерии образуют запасы селитры.
17

18.

Хемосинтез
Серобактерии окисляют сероводород до серы и далее до серной
кислоты:
2H2S + O2 → 2S + 2H2O + Q
2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 + Q
● Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак сначала до
азотистой кислоты, а ее — до азотной кислоты:
2NH3 + 3O2 → 2HNO2 + 2H2O + Q
2HNO2 + O2 → 2HNO3 + Q
● Водородные бактерии окисляют водород до воды:
2Н2 + O2 → 2Н2O + Q
● Железобактерии окисляют соединения Fe (II) до Fe (III):
4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 + 8CO2 + Q
4FeO + O2 → 2Fe2O3 + Q
Энергия, выделяющаяся при окислении неорганических веществ,
запасается в виде АТФ и в дальнейшем используется на процессы
биосинтеза.
18

19.

Биосинтез нуклеиновых кислот. Синтез ДНК
Принцип комплементарности лежит в основе
процессов синтеза всех нуклеиновых кислот.
Впервые модель синтеза нуклеиновой кислоты
предложили Дж. Уотсон и Ф. Крик одновременно
с моделью двойной спирали ДНК. Они
предположили, что благодаря принципу
комплементарности старая молекула может
служить матрицей для синтеза новых
идентичных молекул. Это возможно благодаря
тому, что водородные связи между цепями ДНК
гораздо слабее ковалентных и могут быть
разрушены. На это тратится энергия — в клетке в
качестве ее источника используется АТФ, в
пробирке цепи можно разделить простым
нагреванием. Этот процесс называется
плавлением, или денатурацией ДНК.
19

20.

Биосинтез нуклеиновых кислот. Синтез ДНК
После разделения цепей
«обнажаются» азотистые основания,
не связанные более водородными
связями. Они могут про
взаимодействовать по принципу
комплементарности с новыми
нуклеотидами, которые станут
звеньями дочерних цепей. При этом
каждая из двух материнских цепочек
становится матрицей для синтеза
дочерней цепи. В результате
получаются две дочерние двойные
спирали ДНК, идентичные исходной
молекуле. Принцип матричного синтеза
лежит в основе синтеза всех
существующих в клетке нуклеиновых
кислот (как ДНК, так и РНК).
20

21.

Биосинтез нуклеиновых кислот. Синтез ДНК
Репликация ДНК (удвоение ДНК)
В результате этого процесса образуются две двойные спирали ДНК, которые
ничем не отличаются от исходной (материнской). Сначала с помощью фермента
геликазы двойная спираль ДНК расплетается в точках начала репликации. Затем к
обеим цепям ДНК подходит специальный фермент праймаза (от англ. primer —
затравка), который синтезирует небольшой участок новой ДНК. Затем еще один
фермент удаляет праймазу, а к образовавшемуся участку новой ДНК прикрепляется
фермент ДНК-полимераза, осуществляющий синтез дочерних цепей ДНК.
Необходимость праймазы обусловлена тем фактом, что фермент ДНК-полимераза
не может самостоятельно начать синтез цепей ДНК.
21

22.

Биосинтез нуклеиновых кислот. Синтез ДНК
Репликация ДНК (удвоение ДНК)
На одной из цепей процесс идет непрерывно — эта цепь называется лидирующей.
Вторая цепь ДНК синтезируется короткими фрагментами (фрагментами Оказаки),
которые "сшиваются" вместе с помощью специального фермента (ДНК-лигазы). Эта
цепь называется отстающей или запаздывающей. Участок между двумя точками,
в которых начинается синтез дочерних цепей, называется репликоном. У эукариот в
ДНК имеется много репликонов, у прокариот только один репликон. В каждом
репликоне есть репликативная вилка — это та часть молекулы ДНК, которая уже
расплелась.
22

23.

Биосинтез нуклеиновых кислот. Синтез ДНК
Репликация основана на ряде принципов:
➔
➔
➔
➔
23
Комплементарность (А–Т, Ц–Г);
Антипараллельность. Каждая цепь ДНК имеет определенную ориентацию:
один конец несет остаток ортофосфорной кислоты, соединяющейся с 5′углеродом дезоксирибозы, а второй — ОН-группу, соединенную с 3′-углеродом.
Цепи в молекуле ДНК расположены антипараллельно: одна от 3′- к 5′-концу, а
вторая (комплементарная ей) — от 5′- к 3′-концу. Фермент ДНК-полимераза
может двигаться вдоль цепи лишь в одном направлении: от их 3′-концов к 5′концам. Поэтому синтез новых цепей идет антипараллельно;
Полуконсервативность. Образуются две дочерние спирали, каждая из
которых сохраняет (консервирует) в неизменном виде одну из половин
материнской ДНК;
Прерывистость. Чтобы новые нити ДНК могли образоваться, материнские
цепи должны быть полностью раскручены и вытянуты, что невозможно;
поэтому репликация начинается одновременно в нескольких местах.

24.

Биосинтез нуклеиновых кислот. Синтез ДНК
При репликации ДНК дочерние цепи должны быть точно такими же, как и
материнские. Однако ДНК состоит из миллионов пар нуклеотидов, поэтому
при репликации неизбежно возникают ошибки, когда в дочернюю цепь
включаются "неправильные" нуклеотиды, что может привести к нарушению ее
структуры и свойств. Поэтому в клетке есть система репарации (исправления)
ДНК. Эта система действует следующим образом: сначала специальный
фермент опознает неправильно вставший нуклеотид, а затем другой фермент
вырезает его из дочерней цепи ДНК. После этого ДНК-полимераза
присоединяет верные нуклеотиды на этом участке.
24