Метаболизм. Тема 3

1.

ТЕМА 3. МЕТАБОЛИЗМ
ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ – СВОЙСТВА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ И ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН, ИХ ВЗАИМОСВЯЗЬ. СТАДИИ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА. БРОЖЕНИЕ И ДЫХАНИЕ. ФОТОСИНТЕЗ, ЕГО ЗНАЧЕНИЕ,
КОСМИЧЕСКАЯ РОЛЬ. ФАЗЫ ФОТОСИНТЕЗА. СВЕТОВЫЕ И ТЕМНОВЫЕ РЕАКЦИИ
ФОТОСИНТЕЗА, ИХ ВЗАИМОСВЯЗЬ. РАЗНООБРАЗИЕ ОРГАНИЗМОВ: АВТОТРОФЫ,
ГЕТЕРОТРОФЫ. ХЕМОСИНТЕЗ. РОЛЬ ХЕМОСИНТЕЗИРУЮЩИХ БАКТЕРИЙ НА ЗЕМЛЕ. 1

2.

МЕТАБОЛИЗМ
• Это поступление в организм питательных
веществ из окружающей среды, их
превращение и вывод из организма в виде
продуктов жизнедеятельности.
2

3.

ПЛАСТИЧЕСКИЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН —
ОСНОВА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМОВ
• Энергетический обмен – это совокупность реакций распада –
диссимиляция=катаболизм. Распад сложных веществ до более простых
с образованием энергии.
• Пластический обмен – это совокупность реакций синтеза – ассимиляция
=анаболизм. Образование сложных веществ из простых с затратой
энергии.
3

4.

НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ
• Закон сохранения энергии
• Закон энтропии
+
• Закон сохранения вещества
4

5.

ПОНЯТИЕ ОБ ОТКРЫТЫХ И ЗАКРЫТЫХ СИСТЕМАХ
Система – совокупность взаимосвязанных действующих элементов,
организованная для определенной цели и по отношению к внешней
окружающей среде.
По признаку взаимодействия с окружающей средой системы подразделяются
на открытые и закрытые
Закрытая система не обменивается веществом и энергией с окружающей
средой.
Открытая система обменивается с окружающей средой веществом и энергией.
5

6.

ЧЕЛОВЕК – ОТКРЫТАЯ СИСТЕМА
биополимеры
Q
мономеры
Q
Ткани
Кишечник
-потребление Е +
синтез БЛУ
-распад БЛУ до мономеров
-Расщепление
БЛУ +
выделение Е
Q
Продукты распада
6
Q

7.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН. ТРИ ЭТАПА
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА В КЛЕТКЕ ЧЕЛОВЕКА.
• Энергетический обмен – это совокупность реакций расщепления
органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. Эта
энергия частично выделяется в виде тепла, частично запасается в
1 АТФ = 40 кДж
универсальных формах, например, АТФ.
• Подготовительный этап (без образования АТФ)
• Бескислородное окисление
• Кислородное окисление
7

8.

ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП. РОЛЬ ЛИЗОСОМ В
ПОДГОТОВИТЕЛЬНОМ ЭТАПЕ.
• Белки -> аминокислоты
• Липиды -> глицерин + жирные кислоты
• Полисахариды -> моносахариды
• Нуклеиновые кислоты -> нуклеотиды
8

9.

ГЛИКОЛИЗ
Гликолиз - это процесс окисления глюкозы, при котором из одной молекулы
глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты.
Анаэробный этап окисления глюкозы
Протекает с затратой 2- молекул АТФ, с образованием 4х молекул АТФ
Цитоплазматический
Универсальный
С6H12O6 + 2НАД++2АДФ+2Pi → 2 C3H4O3 + 2НАДH + 2АТФ+2Н+ (Выделяется 80 кДж)
9

10.

ГЛИКОЛИЗ
• 10 ферментов, растворённых в
цитоплазме
• Основной потребитель глюкозы у
человека – МОЗГ
• Энергетический выход – 2 молекулы
АТФ на 1 молекулу глюкозы
10

11.

БРОЖЕНИЕ – ПРИ НЕДОСТАТКЕ КИСЛОРОДА
• Брожение– биохимический процесс, основанный на
окислительно-восстановительных превращениях
органических соединений в анаэробных условиях.
• Молочнокислое брожение. На пируват (продукт
гликолиза) сбрасываются электроны с восстановленного
НАДН, энергия при этом не выделяется. При
сбраживании глюкозы по этому пути образуется 2
молекулы АТФ в результате гликолиза!
• Спиртовое брожение – у дрожжей:
C3H4O3 -> CO2 + CH3COH
CH3COH + НАДН -> С2Н5ОН
11

12.

ДЫХАНИЕ - ЭТО
• Практически любой процесс, при котором окисление органики ведёт к
выделению химической энергии.
• Внешнее и внутреннее
• Аэробное и анаэробное
12

13.

ПОСЛЕ ГЛИКОЛИЗА
• Пируват
декарбоксилируется до
ацетил-КоА с выделением
НАДН.
13

14.

АЭРОБНОЕ ДЫХАНИЕ. ЦИКЛ КРЕБСА
(ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ)
• Ацетил-КоА попадает в цикл Кребса, где реагирует с оксалоацетатом
(щавелевоуксусной кислотой), затем происходит ступенчатое
декарбоксилирование и возврат к оксалоацетату.
14

15.

БАЛАНС ЦИКЛА КРЕБСА
• Ферменты цикла Кребса существуют внутри митохондрий (в матриксе) в виде
мультиферментных комплексов
• за один цикл образуется 2 молекулы CO2, 3 НАДН, 1 ФАДH2 и 1 ГТФ (или АТФ)
• В процессе окислительного фосфорилирования в дыхательной цепи из 1молекулы
НАДН образуется 3 АТФ, из 1 ФАДН2- 2 АТФ. Из 1 ГТФ, образующейся в ЦТК за счет
субстратного фосфорилирования, синтезируется 1 АТФ.
• Таким образом, при окислении 1 молекулы глюкозы в гликолизе + ЦТК на
последующей стадии (в ДЦ) образуется 38 АТФ.
• Целый Ананас И Кусочек Суфле Сегодня Фактически Мой Обед
15

16.

ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ (ЭЛЕКТРОН-ТРАНСПОРТНАЯ,
ЭТЦ)
Окислительное фосфорилирование – это сопряжённая работа ЭТЦ и АТФ-синтазы
Баланс: на каждые условно выделившиеся 6 протонов и 6 электронов выделяются 2
молекулы воды за счёт траты 1 молекулы О2 и 10 молекул НАД∙Н
16

17.

ХЕМИОСМОТИЧЕСКАЯ ГИПОТЕЗА МИТЧЕЛЛА
17

18.

РОЛЬ МИТОХОНДРИЙ В ПРОЦЕССЕ ДЫХАНИЯ
18

19.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС ПОЛНОГО ЦИКЛА
РАЗЛОЖЕНИЯ 1 МОЛЕКУЛЫ ГЛЮКОЗЫ В ПРОЦЕССЕ
ДЫХАНИЯ
• 1. Гликолиз. Окисление 1 глюкозы до 2 ПВК, с образованием 2 АТФ (сначала 2 АТФ
затрачиваются, затем 4 образуются) и 2 НАДН;
• 2. Превращение 2 ПВК в 2 ацетил-КоА с выделением 2 СО2 и образованием 2 НАДН;
• 3. ЦТК. Окисление 2 ацетил-КоА с выделением 4 СО2, образованием 2 ГТФ (дают 2
АТФ), 6 НАДН и 2 ФАДН2;
• 4. ЭТЦ. Окисление 10 НАДН, 2 ФАДН2 с участием 6 О2, при этом выделяется 6 Н2О и
синтезируется 34 АТФ.
• В результате аэробного окисления глюкозы образуется 38 АТФ, из них: 2 АТФ в
гликолизе, ещё 2 – в ЦТК при субстратном фосфорилировании, и 34 АТФ – в ЭТЦ, при
окислительном фосфорилировании НАДН, образовавшихся на предыдущих этапах.
• С6H12O6 + 6O2 + +38 АДФ + 38Pi → 6CO2 + 38АТФ + 44Н2O (Выделяется 1520 кДж)
19

20.

АНАЭРОБНОЕ ДЫХАНИЕ
биохимический процесс окисления органических субстратов или молекулярного водорода
с использованием в дыхательной ЭТЦ в качестве конечного акцептора электронов вместо
O2 других окислителей неорганической или органической природы, например, NO3−,
NO2−, Fe3+, фумарат, диметилсульфоксид – с высоким ОВ-потенциалом; сера, SO42−, CO2 –
с низким ОВ-потенциалом . Как и в случае аэробного дыхания, выделяющаяся в ходе
реакции свободная энергия запасается в виде трансмембранного протонного потенциала,
использующегося АТФ-синтазой для синтеза АТФ.
Встречается у прокариот (денитрификаторы, сульфатвосстановители и др.), редко – у
эукариот: некоторых паразитических и свободноживущих червей, ракообразных,
моллюсков.
20

21.

ФОТОСИНТЕЗ
• Смысл фотосинтеза:
превращение солнечной
энергии в энергию
химических связей.
Образование органических
веществ из неорганических.
21

22.

СВЕТОВЫЕ РЕАКЦИИ ФОТОСИНТЕЗА
• Всё начинается с возбуждения электрона хлорофилла фотоном
• H2O->H++OH- (фотолиз воды)
• Возбуждённый электрон проходит по цепи цитохромов в мембранах тилакоидов; за
счёт высвобождаемой при этом энергии протоны проходят через мембрану
хлоропласта наружу, создавая мембранный потенциал на тилакоидах
• АТФ образуется при фотофосфорилировании, по такому же принципу, как в ЭТЦ.
Снаружи оказывается атомарный водород, который улавливается НАДФ+: e+H+=H*
• От гидроксила отщепляется электрон, который восстанавливает хлорофилл^
• Из гидроксильного радикала образуются вода и кислород: 4OH-->4e-+O2+2H2O
• Суммарно: 2Н2О+2НАДФ->НАДФ*Н+3АТФ+О2+Н+
22

23.

ФОТОФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
• Нециклическое фотофосфорилирование было открыто Д.
Арноном в 1957 году. По сути, это нормальный ход световых
реакций фотосинтеза, когда электрон от воды через цепочку
мембранных и белковых переносчиков переходит к НАДФ+.
Нециклический тип фотофосфорилирования, происходящий
при оксигенном фотосинтезе — эволюционно более поздний
процесс, который требует совместного действия двух
фотосистем. Энергия света, поглощаемая двумя
фотосистемами, расходуется на отрыв электронов от воды
(фотосистема II, ФСII), а затем (фотосистема I, ФСI) на
увеличение его энергии до того состояния, когда он становится
способен восстановить ферредоксин и НАДФ+. В ходе этого
процесса энергия электрона, полученная им от поглощения
фотонов, частично расходуется на перекачку протонов и
создание протонного градиента за счёт работы двух
протонных помп: цитохром-b6f-комплекса и отчасти
фотосистемы II. В результате энергия запасается не только в
макроэргических связях АТФ, но и расходуется на создание
химического потенциала восстановительных эквивалентов.
23

24.

24

25.

ТЕМНОВЫЕ РЕАКЦИИ ФОТОСИНТЕЗА – ЦИКЛ
КАЛЬВИНА
• Рибулозобисфосфаткарбоксилаза
(РУБИСКО) – самый распространённый
фермент на Земле, он и фиксирует
углекислый газ, присоединяя его к
молекуле рибулозодифосфата
• Основным продуктом цикла Кальвина
является глицеральдегид-3-фосфат. Он
служит субстратом для синтеза глюкозы
и для регенерации рибулозодифосфата.
25

26.

СУММАРНЫЕ РЕАКЦИИ ФОТОСИНТЕЗА
26

27.

УГЛЕРОД И ЭНЕРГИЯ. РАЗНООБРАЗИЕ
ОРГАНИЗМОВ: АВТОТРОФЫ, ГЕТЕРОТРОФЫ.
Фототрофы –
фотосинтезирующие –
используют энергию света
Хемотрофы – используют
химическую энергию
Автотрофы - используют
CO2 (неорганическое
соединение)
Все зелёные растения,
цианобактерии,
фотосинтезирующие бактерии
Нитрифицирующие бактерии,
серобактерии,
железобактерии
Гетеротрофы – требуют
органических соединений
Пурпурные бактерии
Животные, грибы, растенияпаразиты
Е
С
27

28.

ХЕМОСИНТЕЗ
Способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза
органических веществ из CO2 служат реакции окисления неорганических
соединений.
У бактерий и архебактерий (нитрифицирующие, серобактерии,
железобактерии, водородные бактерии)
Значение: круговорот азота (окисление аммиака до азотистой кислоты),
окисление сероводорода до серы и серной кислоты – разрушение горных
пород, выщелачивание руд, окисление железа до болотной железной руды
Fe(OH)3
28

29.

КРУГОВОРОТ АЗОТА
• Круговорот азота — биогеохимический
цикл азота. Большая его часть обусловлена
действием живых существ.
• Азотистый обмен почвы — круговорот в
почве азота, который присутствует там в
виде простого вещества (газа — N2) и
ионов: нитритов (NO2-), нитратов (NO3-) и
аммония (NH4+)
29

30.

КРУГОВОРОТ АЗОТА
Шаг 1. Азотфиксация – бактерии и цианобактерии, живущие в почве в симбиозе с растениями (в
клубеньках у бобовых). Продукты фиксации – аммиак, нитриты
Шаг 2. Аммонификация – процесс преобразования мочевины в ионы аммония и аммиак.
Происходит при попадании в почву мочевины или органики.
Шаг 3. Нитрификация – это окисление аммиака до нитратов и нитритов. Нитрификаторы –
Nitrosomonas (окисляет аммиак до нитрита), Nitrobacter (окисляют нитрит до нитрата).
Нитрификаторы являются хемосинтетиками, так как получают энергию за счёт нитрификации.
Шаг 4. Денитрификация – восстановление нитратов до закиси азота и азота. Используют нитрат в
качестве конечного акцептора водорода в процессе анаэробного дыхания. Денитрификаторы
обедняют почвы, удаляя из них нитриты и переводя азот в атмосферу.
Ассимиляция – это переход неорганического азота в органический при их синтезе в живом
организме.
30

31.

31

32.

ДОМАШНЯЯ РАБОТА
• В ЕГЭ – вопросы 4, 5, 19, 22
• Вариант № 3899229 – метаболизм (4)
• Вариант № 3899230 – метаболизм – соответствия (5)
• 3899236 – метаболизм (19)
32

33.

ЗАДАНИЕ 25 № 12592
• В чём состоит связь дыхания и фотосинтеза у растений?
33

34.

ОТВЕТ
1) Фотосинтез — образуется кислород и связывается углекислый газ, который
образовался в процессе дыхания, образуются органические вещества, энергия
запасается.
2) Дыхание — образуется углекислый газ для фотосинтеза и расходуется
кислород, окисляются органические вещества.
3) При дыхании растения окисляют глюкозу, полученную при фотосинтезе, и
получают из них энергию. Энергия нужна для синтеза ферментов, в том числе
ферментов фотосинтеза.
34

35.

ЗАДАНИЕ 25 № 17159
• Какие процессы обеспечивают постоянство газового состава атмосферы
(кислорода, углекислого газа, азота)? Назовите не менее трёх процессов
и поясните их.
35

36.

ОТВЕТ
• 1) при фотосинтезе регулируется концентрация кислорода и углекислого
газа: выделяется кислород, и поглощается углекислый газ;
• 2) при дыхании и брожении регулируется концентрация кислорода и
углекислого газа: поглощается кислород, и выделяется углекислый газ;
• 3) в результате азотфиксации бактериями поглощается молекулярный
азот из атмосферы, при денитрификации азот выделяется.
36

37.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
• Теремов-Петросова 10 кл. – стр. 96-129
37

38.

ЛИТОТРОФЫ И ОРГАНОТРОФЫ
• Литотрофы - организмы, для которых донорами электронов,
необходимых для процессов биосинтеза (например, фиксации
углерода) или запасания энергии (например, синтеза АТФ), через
аэробное или анаэробное дыхание, являются неорганические вещества.
Хемолитотрофы – археи, бактерии. Фотолитотрофы – протисты и
высшие растения, используют воду в качестве донора электронов
• Органотрофы - организмы, для которых донорами электронов являются
органические вещества.
38

39.

СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ ВИНОГРАДСКИЙ (18561953)
русский микробиолог, основатель экологии
микроорганизмов и почвенной микробиологии. Открыл
хемосинтезирующие микроорганизмы — «автотрофную
живую систему 2-го рода», выполняющие важную роль в
геохимических процессах земной коры.
Открыл хемосинтез
Выделил первую азотфиксирующую бактерию Clostridium
pasteurianum
Выделил культуры бактерий-нитрификаторов,
подтвердил, что нитрификация идёт в 2 этапа

40.

ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ И КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ
Парниковый эффект - повышение температуры
нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с
эффективной температурой, то есть температурой
теплового излучения планеты, наблюдаемого из
космоса.
Основными парниковыми газами, в порядке их
оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли,
являются водяной пар, углекислый газ, метан и озон.
Закисление выпадающих осадков («кислотные
дожди») – это результат загрязнения воздуха
кислотными оксидами, обычно оксидами серы и азота
40

41.

ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
• процесс переноса остатка фосфорной кислоты от фосфорилирующего агента-донора к субстрату, как
правило, катализируемый ферментами и ведущий к образованию сложных эфиров фосфорной
кислоты
• Субстратное: характерная для всех живых организмов реакция синтеза АТФ или ГТФ путём прямого
переноса фосфата (PO3) на АДФ или ГДФ с высокоэнергетического промежуточного продукта.
• Окислительное: происходит за счёт энергии окисления органических соединений. Энергия,
выделяющаяся при движении электронов по ЭТЦ, используется для перекачки протонов из
митохондриального матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство.
• Фотофосфорилирование: процесс синтеза АТФ из АДФ за счёт энергии света. Как и в случае
окислительного фосфорилирования, энергия света расходуется на создание протонного градиента на
мембране тилакоидов или клеточной мембране бактерии, который затем используется АТФ-синтазой.
Бывает циклическое (прокариоты) и нециклическое (эукариоты) .
41

42.

АЭРОБЫ И АНАЭРОБЫ
Аэробы (зависят
от кислорода)
Облигатные
Факультативные
Большинство
эукариот
-
Анаэробы (боятся В основном
кислорода)
бактерии
(Clostridium,
Bacteroides)
Гетерогенная группа организмов:
1) Способные «переключать» свой метаболизм с аэробного
на анаэробный и обратно – Saccharomyces cerevisiae,
Escherichia coli, денитрифицирующие бактерии. При этом
превалирует только один тип метаболизма.
2) Способные защищаться от окисляющего действия
молекулярного кислорода, но не включающих его в свои
метаболические циклы – Lactobacillus. Также называются
аэротолерантными или микроаэрофилами.
42

43.

ПРО МЫШЦЫ
При работе мышцы в первую очередь расходуется небольшой запас АТФ – 1
секунда
Далее идёт регенерация АТФ за счёт креатинфосфата – ещё несколько секунд
Далее расходуется гликоген (2% массы мышечной ткани) в процессе гликолиза
Потом – только окислительное фосфорилирование
+альтернативные субстраты и пути
43

44.

КАК ВОССТАНАВЛИВАЕТСЯ НАДФ+
• НАДФ+ + 2Н+ + 2е- → НАДФН + Н+
44

45.

45

46.

46