Обмен веществ и энергии

1.

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ

2.

Метаболизм – обмен химическими компонентами (веществами) и
преобразование и превращение энергии.
Пластический обмен
(анаболизм)
ассимиляция
Энергетический обмен
(катаболизм)
диссимиляция
• Синтез высокомолекулярных
веществ с поглощением энергии.
• Фотосинтез, хемосинтез,
биосинтез белка
• Питание – процесс приобретения
организмами энергии и веществ.
• Распад высокомолекулярных
веществ с выделением энергии
• Клеточное дыхание
• Дыхание – процесс
высвобождения организмами
энергии из богатых ею веществ

3.

Энергетический обмен
Энергетический обмен – это совокупность реакций, в результате которых из
высокомолекулярных веществ извлекается энергия, которая запасается в макроэргических
связях АТФ.
Субстратами для реакций энергетического обмена являются углеводы, жиры, белки.
Этапы энергетического обмена:
I. Подготовительный
II. Бескислородный
III. Кислородный

4.

• Электроны, входящие в состав органических соединений,
обладают большим запасом энергии, т.к. находятся на высоких
энергетических уровнях молекул.
• Перемещаясь на более низкий энергетический уровень своей
или чужой молекулы, электроны освобождают энергию.
• Конечным акцептором электронов может служить кислород.

5.

Каждый электрон имеет свою энергию,
и в зависимости от уровня этой энергии
электроны располагаются на различном
расстоянии
от
ядра,
образуя
электронные
слои
(энергетические
уровни).
Сера находится в VIA группе третьего периода,
соответственно, атом серы содержит 3 энергетических
уровня

6.

7.

I.
Подготовительный этап
- происходит в органах пищеварения при
участии
ферментов,
сложные
расщепляются до мономеров:
Углеводы ‣‣‣ Глюкоза
Жиры ‣‣‣ Глицерин и жирные кислоты
Белки ‣‣‣ Аминокислоты
высокомолекулярные
Энергия, которая при этом выделяется, рассеивается в виде тепла.
АТФ = 0
вещества

8.

отложение в организме в форме
гликогена
превращение в
свободные жирные
кислоты и отложение
в форме
триацилглицеринов

9.

II) Бескислородный этап – неполное окисление глюкозы (анаэробный гликолиз)
Гликолиз – ферментативное расщепление и окисление глюкозы
Происходит в цитоплазме клеток на ферментативном конвейере, состоящем из 9
ферментов
С6Н12О6 + 2НАД + 2АДФ + 2Ф = 2С3Н4О3 + 4Н+
+ 2АТФ + 2НАДН2 + 2Н2О
Если в клетке присутствует О2, то ПВК поступает
в митохондрии, где полностью окисляется до
СО2 и Н2О.
Если О2 отсутствует, то ПВК вовлекается в
процессы брожения и превращается в молочную
кислоту (у молочнокислых бактерий). У
аэробных организмов при нехватке
ПВК
превращается в молочную к-ту (н/р О2 в мышцах
при выполнении повышенных нагрузок.

10.

11.

12.

• III) Кислородный этап – полное окисление (аэробный гликолиз).
Происходит в 2 стадии в митохондриях:
1. Окислительное декарбоксилирование (Цикл кребса, цикл трикарбоновых
кислот)
2. Окислительное фосфорилирование

13.

1. Окислительное декарбоксилирование:
Происходит в матриксе митохондрий.
ПВК + кофермент А = ацетилкофермент А
(ацетил КоА) – это соединение богатое Е.
Лимонная к-та окисляется в ходе 4-х
ферментативных
реакций.
Декарбоксилируется с высвобождением
СО2.
В
результате
7
последовательных
ферментативных реакций лимонная к-та
превращается в ЩУК (щавелевауксусную).
СО2 удаляется из клетки.
р+ поступают на кристы митохондрий с
помощью переносчиков НАД, ФАД, ГТФ.

14.

Отщепление углекислого
газа от пирувата

15.

2) Окислительное фосфорилирование

16.

Синтезом АТФ в митохондриях занимается молекулярная машина – АТФ-синтаза.
Она состоит из двух частей. Первая погружена в мембрану называется F0
это дыра в мембране, по которой протон может
попасть внутрь митохондрии, но попадает он внутрь
с потерей энергии, которую улавливает вторая часть
молекулярной машины, которая называется F1.
Она использует энергию "падающих" через F0
протонов для того, чтобы аденозиндифосфат
соединился
с
фосфатом
посредством
макроэргической связи и образовал молекулу АТФ.

17.

Уравнение Кислородного Этапа:
2 С3Н4О3 + 6 О2 + 36 АДФ + 36 Ф = 6 СО2 + 36 АТФ + 42 Н2О
I. Подготовительный - ЖКТ
АТФ = 0
II. Бескислородный - цитоплазма
С6Н12О6 + 2НАД + 2АДФ + 2Ф = 2С3Н4О3 + 4Н+
+ 2АТФ + 2НАДН2 + 2Н2О
III. Кислородный - митохондрии
2 С3Н4О3 + 6 О2 + 36 АДФ + 36 Ф = 6 СО2
+ 36 АТФ + 42 Н2О
Суммарное уравнение энергетического обмена:
С6Н12О6 + 6 О2 + 38 АТФ 38 Ф = 6 СО2 + 38 АТФ + 44 Н2О

18.

19.

20.

21.

4
3
2
3
1
2
1

22.

2
4
3

23. Фотосинтез. Хемосинтез

24.

25.

История изучения фотосинтеза в листьях началась ещё в XVII веке,
а уравнение этого процесса было выведено в XIX веке.
Один из первых шагов в исследовании функций листа стал эксперимент
Яна Баптиста ван Гельмонта, нидерландского химика и физиолога
растений.
В этом опыте ветку ивы массой 2 кг посадили в горшок с землёй, масса
которой была измерена заранее. В течение 5 лет растение поливали
дождевой водой. В конце этого срока массу растения измерили, она
составила 74 кг. Также измерили массу земли в горшке, она уменьшилась
на 56 г

26.

Масса ветки 2 кг 550 г
Масса почвы 91 кг
Масса дерева 77 кг
Масса почвы 90 кг 943 г
Ян ван Гельмонт
Растение прибавило 74 кг 750 г,
а почва потеряла только 57 г!
В 1311 раз меньше!

27.

В XVII веке продолжались исследования, связанные с изучением
транспорта воды.
Итальянский учёный Марчелло Мальпиги, который также известен своим
вкладом в развитие анатомии растений, выяснил, что по стеблю растения
идут два тока жидкостей, противоположных по
направлению, —
восходящий и нисходящий.
• Восходящий ток веществ по ксилеме удалось показать в сравнительно
простом эксперименте. Был сделан поперечный срез стебля растения,
после чего из
нижней части стебля выделялся ксилемный сок.
В верхнюю часть стебля раствор воды не попадал, и его выделения
на срезе не происходило.

28.

• Обнаружить нисходящий ток оказалось сложнее.
В ходе эксперимента со стебля было срезано кольцо коры, которая
у древесных растений включает в том числе и флоэму. Спустя некоторое
время кора, расположенная сверху от места среза, набухала и расширялась
из-за наполнения жидкостью, а кора, расположенная снизу, напротив, усыхала
и отмирала.
Восходящий ток веществ при этом не нарушался. Исходя из результатов,
Мальпиги предположил, что по древесине из почвы в листья поднимается
«сырой сок», который при содействии света становится «переваренным
соком». Затем «переваренный сок» спускается по стеблю из листьев
и наполняет нижележащие ткани питательными веществами.

29.

30.

• Большой вклад в изучение фотосинтеза и газообмена внёс английский
исследователь Джозеф Пристли.
В то время всё ещё не знали о химическом составе воздуха. Считалось,
что в ходе дыхания животные загрязняют воздух определёнными
компонентами и он становится непригодным для газообмена.
Пристли долго размышлял над вопросом, как происходит возвращение
исходного состава воздуха, и предполагал, что в этом процессе
задействованы растения. Для доказательства этого предположения
им был поставлен эксперимент.
В ходе опыта мышь помещали в замкнутый сосуд, в котором находился
побег мяты. В таких условиях мышь могла существовать долгое время,
а ветви растений вырастали на несколько сантиметров.

31.

Если растение убирали из сосуда, то воздух быстро становился непригодным для
дыхания и мышь в таком сосуде быстро погибала. Таким образом, стало понятно, что
растения способны перерабатывать продукты, выделяемые при дыхании животных.
Также было выдвинуто предположение, что растения могут использовать эти продукты
для своего роста.

32.

33.

Карл Вильгельм Шееле

34. Результат Шееле

Растения делали воздух
непригодным для дыхания так
же, как горящая свеча.

35. Вывод Шееле

Растения не улучшают
воздух, писал Шееле, а,
наоборот, делают его
непригодным для дыхания

36.

Тот же эксперимент, проведённый чуть позже голландским учёным Яном Ингенхаузом, показал,
что растения очищают воздух только в присутствии света.
В ходе исследования растения помещали в стакан с водой, а над ними устанавливали
герметичную воронку, прикрытую пробиркой. На
свету растения выделяли газ, который
скапливался в верхней пробирке. Качественные реакции показали, что выделяемым газом был
кислород. В аналогичном эксперименте, который был проведён в темноте, накопления кислорода в
пробирке не происходило.

37.

• Швейцарский пастор и натуралист Жан Сенебье показал, что растения выделяют
кислород на свету, только если поглощают углекислый газ.
В его эксперименте было две группы растений. Одна группа помещалась под
стеклянные колпаки, под которыми также находился химический источник
углекислого газа. Для другой группы растений источник углекислого газа заменяли
на стакан с водой. Все растения в ходе исследования находились под освещением.
В результате выделение кислорода и увеличение массы растения наблюдались только
у растений из первой группы.

38.

Теодор де Соссюр
При сжигании растений
получается уголь (С),
при полном сгорании –
углекислый газ (СО2), вода Н2О
и немного золы (минеральных
солей).
Растения состоят в
основном из
химического
элемента С
(углерода)

39.

• До первой половины XX века исследователи были уверены, что
кислород образуется вследствие разложения углекислого газа,
оставшийся при этом углерод встраивается в молекулы углеводов.
В 1930-х годах американский микробиолог Корнелис ван Ниль доказал,
что кислород выделяется при разложении воды.
Он изучал фотосинтез пурпурных серных бактерий, которые разлагают
сероводород и выделяют твёрдую серу в качестве побочного продукта
фотосинтеза. Ван Ниль предположил, что растения аналогично
фотосинтезу пурпурных бактерий разлагают воду с
выделением
кислорода, а углекислота целиком превращается в органические
вещества. Так, благодаря Нилю сформировалось уравнение

40.

41.

42.

Фотосинтез – синтез органических веществ из
неорганических на хлоропластах
зелёных растений с
использованием энергии солнечного света.

43.

44.

• Размеры меньше,
чем у
хлоропластов.
• Каротиноиды –
жирорастворимые
соединения = в
липидных каплях
(пластоглобулы)

45.

Популяция лейкопластов гетерогенна. Она включает в себя несколько
групп неокрашенных пластид
Запасается
крахмал
Запасается жир
Запасается
белок
При наличии
света станут
хлоропластами

46.

Хлорофилл А
Хлорофилл В
Каротиноиды
Фикобилины
Фотосинтезирующие пигменты
Хлорофилл обладает
особой химической
структурой, которая
позволяет ему улавливать
кванты света
Хлорофилл неоднороден
(свыше десятка групп)

47.

Хлорофилл – это сложный эфир
дикарбоновой кислоты
хлорофиллина с 2-мя спиртами
– фитолом и метанолом
Основа – порфириновое ядро и
атом Магния
В составе хлорофиллов содержится ион магния, при недостатке
которого у растений развивается хлороз — жёлтые пятна на листьях
вследствие нарушения синтеза хлорофилла.

48.

Хлорофилл a – все низшие + высшие растения
Хлорофилл b – высшие растения + зелёные водоросли (он
образуется из хл а)
Хлорофилл с – бурые и диатомовые водоросли
Хлорофилл d – красные водоросли

49.

Хлорофиллы поглощают красные и синие лучи, отражая зелёные.
На мембране тилакоидов они находятся не в свободном состоянии,
а
в
составе
ферментного
комплекса
фотосинтеза,
который
называют фотосистемой. В составе этого комплекса уловленный
хлорофиллами свет преобразуется в энергию для образования химических
связей

50.

Каротиноиды
–
группа
жирорастворимых пигментов .
Они содержатся и в хлоро и в
хромопластах.
В
зелёных
хлорофилл
каротиноиды,
незаметными
холодов.
частях
растения
МАСКИРУЕТ
делая
их
до
наступления
Каротиноиды поглощают свет
недоступный для других пигментов
и передают хлорофиллу.

51.

Каротиноиды поглощают синий и голубой свет, отражая жёлтые и красные
лучи.
В тилакоидной мембране они находятся чаще всего в свободном состоянии
и не являются обязательными компонентами фотосистем.
Каротиноиды выполняют функцию дополнительного сбора фотонов, но, помимо этого,
также защищают хлорофиллы и белки от избытка солнечной энергии при ярком
освещении.

52.

Фикобилины
присутствуют
у
красных
водорослей
и
цианобактерий.
поглощающают синий и зеленый
свет
поглощая энергию света, передают
ее на молекулу хлорофилла
Фикоцианин -синий цвет
Фикоэритин имеет красный цвет

53.

Кожица зеленого яблока
окрашена хлорофиллом
ХЛОРОПЛАСТОВ
Мякоть бесцветна изза ЛЕЙКОПЛАСТОВ

54.

Корнеплод
свеклы окрашен
антоцианами
клеточного сока
Листья зеленые изза хлоропластов

55.

Корнеплод
моркови и
помидор
окрашены
каротиноидами
ХРОМОПЛАСТОВ

56.

СО2
О2
NADFH2
Е света
(кванты света)
Поток е
(хлорофилл А)
АТФ
Глюкоза
Н20
Световая фаза
Темновая фаза

57.

58. Световая фаза

1. Фотолиз воды – реакция разложения воды под действием
солнечного света
2. Ферредоксин
2Н20 + QСВЕТА
4 [Н'] + О2 + 4е

59.

СО2
О2
NADFH2
Е света
(кванты света)
Поток е
(хлорофилл А)
АТФ
Глюкоза
Н20
Световая фаза
Темновая фаза

60.

61.

В одном ФС I м.б. 200-400 молекул
хлорофилла а (+доп пигменты)
Р. Ц. - белок тилакоида, который связан с
хл а = хромопротеид П700 // П680
Итог: электроны в неустойчивом состоянии и покидают хлорофилл и
переходят на рядом расположенную молекулу - переносчик

62. Темновая фаза

СО2
Цикл
Кальвина

63.

64.

65.

1. Молекула СО2 с помощью ферментаа рибулезо – 1,5
дифосфаткарбоксилаза (РУБИСКО) присоединяется к пентозе С5.
2. [С6] – нестойкое соединение
3. С3 / С3 – 2 триозы
4. С3 + Ф / С3 + Ф от АТФ, т.е. обогащается Е.
5. С3 + Н / С3 + Н от НАДН
6. Глюкоза / в цикл Кальвина
7. Крахмал

66.

6СО2 + 6Н2О
в темновой фазе
в световой фазе
hν
С6Н12О6 +6О2
в темновой фазе
в световой фазе

67.

68.

69.

3 1 5 4 2

70.

6

71.

2
3
2
1
3
1

72.

Факторы, влияющие на фотосинтез:
1. Свет – скорость фотосинтеза пропорциональна интенсивности
света;
2. Концентрация СО2 влияет на скорость темновой фазы
3. Н20 – субстрат фотосинтеза, при уменьшении содержания воды
закрываются устьица и СО2 не поступает в клетки
4. Температура – оптимальная для фотосинтеза + 25°С
5. Достаточное минеральное питание

73.

• 1. В процессе фотосинтеза образуется свободный О2,
который необходим для дыхания организмов.
• 2. Фотосинтез обеспечивает постоянство уровня CO2 и
O2 в атмосфере.
• 3. Фотосинтез обеспечивает образование органических
веществ, а следовательно, пищу для всех живых
существ.
• 4. В верхних слоях воздушной оболочки Земли из О2
образуется озон O3, из которого формируется защитный
озоновый экран, предохраняющий организмы от
опасного для жизни воздействия ультрафиолетового
излучения.

74.

Космическая роль зелёных растений (К. А.
Тимирязев)
• В 1922 году им была прочитана лекция
в Лондонском королевском обществе, которая
в русском переводе получила название
«Космическая роль растений»
• В лекции сообщалось, что растения, в отличие от
животных, могут использовать энергию солнечного
света для образования химических связей. Это
означало, что в сообществах живых организмов
растения являются главными производителями
энергии и органических веществ.
Климент Аркадьевич Тимирязев
(1843 – 1920)

75.

Растения поглощают энергию
солнечного
света,
которая
трансформируется в энергию
химических
связей
для
построения глюкозы.
Синтезированные
растением
углеводы
используются
в качестве источника энергии
травоядными
животными.
От травоядных животных энергия
достаётся хищникам, те в свою
очередь
могут
передать
её
падальщикам
или
микроорганизмам, разлагающим
органические вещества.

76.

Растения не только аккумулируют
в
себе
солнечную
энергию,
но
и
включают
в
состав
органических молекул новые атомы
углерода, азота, серы, фосфора,
которые
получают
из неорганических веществ.
Пластический
материал,
как
и энергия, передаётся по пищевым
цепям,
переходя
от
одного
организма к другому.
Таким образом, растения замыкают
многие
круговороты
веществ,
обеспечивая
замкнутое
циркулирование атомов.

77.

После работ К. А. Тимирязева была
выявлена
другая
важная
роль
растений.
С поверхности листьев испаряется
водяной пар, который наравне с CO2
и метаном относится к парниковым
газам.
Парниковые
газы
рассеивают
солнечные
лучи,
задерживая
солнечное тепло в атмосфере Земли,
благодаря чему средняя температура
на поверхности Земли становится на
несколько градусов выше. Это явление
называется парниковым эффектом

78.

Массовые
вырубки
лесов,
уничтожение лугов и степей влекут
за собой сокращение биомассы
растений на Земле.
Это
приводит
к
нарушению
круговоротов веществ и к изменению
газового состава атмосферы, что
в последующем отражается на климате
планеты.
Таким образом, перед современным
обществом стоит глобальная задача
по сохранению и восстановлению
растительных сообществ.

79.

Е света
CO2+H2O
М. С.
O2+C6H12O6
O2+C6H12O6
CO2+H2O+Eдыхания
1.Испарение воды
1.Газообмен 2.Поступление минеральных солей
2.Фотосинтез 3.Поступление воды 3.Дыхание

80.

Из зеленого листа Тимирязев выбил сечкой 5 одинаковых кусочков
зеленой ткани и поместил их в 5 пробирок, содержащих воздух с
одинаковой примесью углекислого газа. После этого он осветил
каждую пробирку одним каким-нибудь светом: первую – желтым,
вторую – зеленым, третью – синим и т.д.
Через несколько часов, проведя анализ содержимого пробирки,
Тимирязев убедился, что наибольшее количество углекислого газа
разложилось в пробирке, освещенной красным светом. На втором
месте – пробирка, освещенная синим лучом. -

81.

1 - АТФ и НАДФH, 2 - световая
(светозависимая)
фаза
фотосинтеза,
3
темновая
(светонезависимая)
фаза
фотосинтеза, 4 - АДФ и НАДФ+, 5 квант света, 6 - вода, 7 - углекислый
газ, 8 - кислород, 9 - глюкоза
7
Укажите номер, обозначающий на схеме вещество, являющееся источником
углерода для синтезируемых органических веществ.

82.

341232

83.

Хемосинтез С. Н. Виноградский 1887

84.

Нитрифицирующие бактерии
Азотофиксирующие бактерии
Образуют нитраты
Усваивают атмосферный азот
Используют в качестве субстрата соли аммония
(и _ или ) аммиак
Обитают в клубеньках на корнях растений
Являются симбионтами бобовых растений
Все эти бактерии — грамотрицательные
хемолитоавтотрофы, использующие энергию
окисления соединений азота для синтеза
органических веществ из углекислого газа.
Род азотобактер принадлежит к
грамотрицательным бактериям .
Процесс азотфиксации энергозависим и требует
притока энергии в виде АТФ.
Автотрофный тип питания
Гетеротрофный тип питания

85.

Образование нитратов происходит в 2 этапа:
Бактерии нитросомонас
(Nitrosomonas)
Бактерии нитробактер
(Nitrobacter)
Образуют нитриты
2NH3 + 3 O2 = 2HNO2 + 2 H2O + E
Образуют нитраты
2HNO2 + O2 = HNO3 + E

86.

Железобактерии — бактерии, способные окислять двухвалентное железо
(Fe2+) до трёхвалентного (Fe3+) и использовать освобождающуюся при этом
энергию на усвоение углерода из углекислого газа или карбонатов.
Благодаря их жизнедеятельности на дне болот и
морей
образуется
огромное
количество
отложенных руд железа.
4FeO + 3 O2 = 2 Fe2O3 + E
При этой реакции энергии выделяется немного, поэтому железобактерии
окисляют большое количество двухвалентного железа.

87.

Серобактерии
серобактерии, некоторые
• пурпурные и зелёные
(фотосинтетики)
• бесцветные серые бактерии (хемосинтетики)
2H2S + O2 = 2H2O + 2 S + E
2 S + 3 O2 + 2 H2O = 2 H2SO4 + E
цианобактерии
Чёрные курильщики - источники в рифтовых зонах
мирового
океана,
вода
которых
насыщена
соединениями металлов и серы, в результате чего
имеет черный цвет.
Вокруг курильщиков – много серобактрий.

88.

В бактериальных клетках процессы хемосинтеза происходят на внутренних
выростах плазматической мембраны - мезосомах
• Хемосинтетики – первые создатели органики на Земле
• Обогащение почвы нитратами, сульфатами
• Разрушают горные породы
• Очищают водные стоки
• Участвуют в образовании горных пород