Лекция № 4 (6)

1.

Министерство просвещения Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Уфимский университет науки и технологий»
Институт среднего профессионального образования
Техническое отделение
Общеобразовательный цикл
Биология
Преподаватель: Кадаев Артур Эльвирович
Уфа – 2024
1

2.

Лекция № 4
Раздел 1. Клетка – структурно-функциональная единица живого
Тема 1.4. Обмен веществ и превращение энергии в клетке
1. Понятие метаболизма.
2. Ассимиляция и диссимиляция.
3. Типы обмена веществ: автотрофный и гетеротрофный, аэробный и анаэробный.
4. Пластический обмен.
5. Фотосинтез.
6. Хемосинтез.
2

3.

1) Понятие метаболизма
Биохимия – наука о химических веществах и процессах в живых организмах.
3

4.

1) Понятие метаболизма
Метаболизм – совокупность всех химических реакций, протекающих в живом организме;
это все превращения веществ в организме, начиная с их поступления извне и заканчивая
выведением образовавшихся ненужных и вредных продуктов.
Значение метаболизма состоит в создании необходимых организму веществ и обеспечение
его энергией.
Выделяют две составные части метаболизма:
- реакции расщепления (катаболизм, или энергетический обмен, или диссимиляция).
- реакции синтеза (анаболизм, или пластический обмен, или ассимиляция).
4

5.

2) Ассимиляция и диссимиляция
5

6.

2) Ассимиляция и диссимиляция
В любой клетке главным источником энергии для всех протекающих в ней процессов
служит универсальное энергетическое соединение – АТФ – аденозинтрифосфат.
АТФ образуется в результате присоединения к АДФ (аденозиндифосфату) одного остатка
фосфорной кислоты; такой процесс называется фосфорилированием:
АДФ + H3PO4 + 40 кДж = АТФ + H2O
В молекуле АТФ есть две богатые энергией химические связи – связи между остатками
фосфорной кислоты; такие высокоэнергетические связи называют макроэргическими.
При разрыве одной макроэргической связи АТФ превращается в АДФ и выделяется около
40 кДж/моль энергии.
Энергия для синтеза АТФ из АДФ выделяется в процессе энергетического обмена, т.е.
диссимиляции.
6

7.

2) Ассимиляция и диссимиляция
Химическая структура АТФ:
7

8.

2) Ассимиляция и диссимиляция
Взаимосвязь энергетического и пластического обмена:
8

9.

2) Ассимиляция и диссимиляция
Этапы энергетического обмена:
9

10.

3) Типы обмена веществ: автотрофный и гетеротрофный, аэробный и анаэробный
Процесс потребления веществ и энергии называют питанием.
Существует два типа питания живых организмов:
- автотрофное.
- гетеротрофное.
1. Автотрофы – организмы, использующие в качестве источника углерода углекислый газ
(растения, некоторые бактерии); т.е. это организмы, способные создавать органические вещества из
неорганических (углекислого газа, воды, минеральных солей).
2. Гетеротрофы – организмы, использующие в качестве источника углерода органические
соединения (животные, грибы, большинство бактерий).
10

11.

3) Типы обмена веществ: автотрофный и гетеротрофный, аэробный и анаэробный
2.1. По способу получения пищи гетеротрофов делят на:
- фаготрофы (голозои).
- осмотрофы.
2.1.1. Фаготрофы (голозои) – заглатывают твёрдые куски пищи (животные).
2.1.2. Осмотрофы – поглощают органические вещества из растворов непосредственно
через клеточные стенки (грибы, большинство бактерий).
11

12.

3) Типы обмена веществ: автотрофный и гетеротрофный, аэробный и анаэробный
2.2. По состоянию источника пищи гетеротрофов подразделяют на:
- биотрофы.
- сапротрофы.
2.2.1. Биотрофы – питаются живыми организмами:
- зоофаги (питаются животными).
- фитофаги (питаются растениями).
в т.ч. паразиты.
2.2.2. Сапротрофы – используют в качестве пищи органические вещества мёртвых тел или
выделения (экскременты) животных организмов.
12

13.

3) Типы обмена веществ: автотрофный и гетеротрофный, аэробный и анаэробный
Некоторые живые существа в зависимости от условий обитания способы и к автотрофному,
и к гетеротрофному – смешенному типу питания.
Таким образом организмы со смешанным типом питания называются миксотрофами.
Т.е. они могут синтезировать органические вещества из неорганических соединений и
питаться готовыми органическими соединениями.
Примером данных организмов могут являться насекомоядные растения, представители
отдела эвгленовых водрослей и т.д.
13

14.

3) Типы обмена веществ: автотрофный и гетеротрофный, аэробный и анаэробный
По отношению к молекулярному кислороду организмы подразделяются на:
- аэробов.
- анаэробов.
1. 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 (например, ферменты, разрушающие активные формы
кислорода (супероксиддисмутаза, каталаза) и антиоксиданты (молекулы, которые сами
окисляются, «гася» свободные радикалы)).
14

15.

3) Типы обмена веществ: автотрофный и гетеротрофный, аэробный и анаэробный
2. Анаэробы – организмы, способные жить в отсутствие кислорода, осуществляя реакции
внутримолекулярного окисления и восстановления или используя в качестве окислителей другие
вещества среды (например нитраты – т.н. нитратное дыхание).
Анаэробов в свою очередь можно подразделить на:
- облигатные анаэробы (для которых даже низкие концентрации молекулярного кислорода
токсичны, например, бактерии рода клостридий и бифидум, взрослые аскариды).
- факультативные анаэробы (которые могут нормально жить и размножаться как в
присутствии кислорода, так и в его отсутствие, например, дрожжи).
15

16.

4) Пластический обмен
16

17.

5) Фотосинтез
Фотосинтез – процесс образования органических веществ из CO2 и H2O, протекающий с
использованием солнечной энергии.
Благодаря данному процессу на нашей планете существует большинство организмов.
Фотосинтез происходит в хлоропластах растений или на мезосомах у прокариот. На
мембране содержатся молекулы зелёного пигмента – хлорофилла.
Пример строения хлоропласта в клетке растений:
17

18.

5) Фотосинтез
Процесс фотосинтеза включает две фазы:
- световую.
- темновую.
I. Световая фаза – процесс преобразования поглощённой хлорофиллом энергии света в
электрическую энергию электрон-транспортной цепи.
Она протекает в мембранах тилакоидов с участием фермента АТФ-синтетазы и
мембранных белков-переносчиков.
18

19.

5) Фотосинтез
На фотосинтетических мембранах гран хлоропластов происходят такие процессы, как:
- переход электронов хлорофилла под действием квантов света в возбуждённое состояние.
- восстановление окисленной формы молекул-переносчиков НАДФ+ до НАДФ ⋅ H2.
- разложение воды (фотолиз):
2H2O → 4H+ + 4e– + O2
Таким образом результатами световых реакций являются:
- фотолиз воды и выделение молекулярного кислорода.
- образование АТФ.
- образование НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфата) восстановленного.
В световой фазе фотосинтеза энергия аккумулируется в НАДФ ⋅ H2 и АТФ, которые
используются для синтеза веществ в темновой фазе.
19

20.

5) Фотосинтез
II. Темновая фаза – процесс преобразования CO2 в глюкозу с использованием энергии,
запасённой в молекулах НАДФ ⋅ H2 и АТФ.
Реакции темновой фазы фотосинтеза протекают независимо от света.
Реакции темновой фазы происходят в строме хлоропластов, где находятся образовавшиеся
в световой фазе молекулы НАДФ ⋅ H2 и АТФ.
Источник углерода (CO2) растение получает из воздуха через устьица.
Процесс образования глюкозы из CO2, протекающий в темновой фазе фотосинтеза,
называется циклом Кальвина.
20

21.

5) Фотосинтез
21

22.

5) Фотосинтез
Значение фотосинтеза и фотосинтетиков:
1. При фотосинтезе образуются органические вещества, которые служат пищей для живых
организмов (например, углеводы (сахар, крахмал), аминокислоты, жирные кислоты и т.д.).
2. При фотосинтезе выделяется свободный O2, который нужен живым организмам для
дыхания.
3. Фотосинтез обеспечивает постоянство уровня CO2 и O2 в атмосфере.
4. В верхних слоях воздушной оболочки Земли из O2 образуется озон – O3, из которого
формируется озоновый экран, защищающий организмы от опасного для жизни организмов
воздействия ультрафиолетового излучения.
22

23.

6) Хемосинтез
Хемосинтез
–
процесс
образования
органических
веществ
из
неорганических,
происходящий с использованием энергии реакций окисления и восстановления соединений,
содержащих N, H, Fe и некоторые др. элементы.
К хемосинтезирующим организмам относятся некоторые виды бактерий:
- железобактерии (окисляют двухвалентное железо до трёхвалентного):
Fe2+ → Fe3+ + E
- серобактерии (окисляют сероводород до свободной серы, либо до сульфатов):
H2S + O2 = 2H2O + 2S + E,
H2S + O2 = 2H2SO4 + E
- нитрифицирующие бактерии (окисляют аммиак до азотистой и азотной кислот, нитритов
и нитратов):
NH3 → HNO2 → HNO3 + E
23

24.

6) Хемосинтез
Значение хемосинтеза и хемосинтетиков:
1. Участие в круговороте химических элементов: S, N, Fe и др.
2. Разрушение горных пород.
3. Участие в образовании полезных ископаемых.
4. Обогащение почвы необходимыми для растений элементами.
5. Применяются в очистке сточных вод (серобактерии).
24