а) Анаболизм и катаболизм
Анаболизм – совокупность метаболических реакций, ведущих к образованию органических веществ, компонентов клетки и других структур, органов и тканей организма. Он сопровождается поглощением энергии и в его основе лежит ассимиляция (от лат. аssimulus-подобный).
Катаболизм – совокупность метаболических реакций, ведущих к расщеплению сложных молекул, компонентов клетки, органов и тканей до простых веществ. Он сопровождается высвобождением энергии, часть которой запасается в виде энергии АТФ. В основе катаболизма лежит диссимиляция (от лат. dissimulus-несходный).
б) Обмен веществ и энергией у аутотрофов. Фотосинтез: биологическая роль, фазы и их характеристика
Автотрофы (autos – сам, trophe – пища: самопитающиеся) – это организмы, которые способны синтезировать органические соединения из неорганических (, O, соединения N, S).
Классификация автотроф:
1) Фотосинтезирующие (фототрофы) – используют световую энергию. Это растения, в листьях которых осуществляется фотосинтез.
2) Хемосинтезирующие (хемотрофы) – микроорганизмы, нитрифицирующие серобактерии и железобактерии. Свободный азот усиливают азотофиксирующие бактерии.
Фотосинтез – процесс синтеза органических соединений из неорганических, идущий за счёт энергии солнечного излучения.
Фотосинтез - это сложный процесс, осуществляющийся организмами, клетки которых содержат специальные фотосинтезирующие пигменты (растения, бурые и диатомовые водоросли).
Центральная роль в нём принадлежит пигменту хлорофиллу, находящемуся в специальных органоидах растительных клеток – хлоропластах.
Фотосинтез включает две фазы:
1) Световая фаза. Начинается с освещения хлоропласта видимым светом. Фотон света попав в молекулу хлорофилла приводит её в возбуждённое состояние. Энергия солнечного излучения инициирует три процесса:
1. образование молекулярного кислорода в результате разложения воды;
2. синтез АТФ (фотофосфорилирование);
3. образование атомарного водорода.
12 НАДФ + 12 Ф + 12 АДФ + 12 O → 12 НАДФ + 12 АТФ + 6 О2
2) Темновая фаза (цикл Кальвина). В темновую фазу происходит фиксация углерода из атмосферы.
6 СО2 + 12 НАДФ + 12 АТФ → С6Н12О6 + 12 НАДФ + 12 Ф + 12 АДФ + 6 O
Суммарное уравнение реакции фотосинтеза:
6 СО2 + 6 O → С6Н12О6 + 6 О2
в) Энергетический обмен у аэробов, его характеристика и биоэнергетика
Важную роль в обеспечении энергетических потребностей организма играют углеводы. Процесс окисления глюкозы называется гликолизом.
Окисление глюкозы без участия кислорода называется анаэробным гликолизом, при участии кислорода – аэробным гликолизом.
Аэробный гликолиз представляет собой множество отдельных ферментативных реакций и служит важным источником энергообеспечения у аэробных организмов. Данный процесс включает два основных этапа: бескислородный этап и кислородный этап или цикл Кребса.
Этапы энергетического обмена (аэробного гликолиза)
Этап | Процессы энергетического обмена | Освобождение и использование энергии |
I. Бескислородный | Расщепление глюкозы с участием АДФ и фосфорной кислоты с образованием 2 молекул пировиноградной кислоты (пируват), АТФ и воды. Процесс протекает в цитоплазме. | Распад одной молекулы глюкозы дает энергию, обеспечивающую синтез двух молекул АТФ. |
С6Н12О6 (глюкоза) + 2 АДФ +2 Ф → 2 С3Н4О3 (пируват) + 2 АТФ + 2 Н2О | ||
II. Кислородный (цикл Кребса) | Процесс идет в митохондриях с помощью ферментов окислительного фосфорилирования при участии кислорода. Расщепление двух молекул пировиноградной кислоты (пируват) идет с участием АДФ и фосфорной кислоты с образованием АТФ, воды и углекислого газа. Данный процесс проходит в митохондриях. | Распад двух молекул пирувата дает энергию для синтеза 36 молекул АТФ |
2 С3Н4О3 (пируват) + 6 О2 + 36 АДФ + 36 Ф → 36 АТФ + 6 СО2 +42 Н2О |
При аэробном окислении процесс расщепления углеводов выражается следующим суммарным уравнением:
С6Н12О6 (глюкоза) + 38АДФ + 38Ф + 6О2 → 38АТФ + 6СО2 + 44Н2О
Таким образом, аэробный гликолиз является более энергетически эффективным процессом, так как при окислении 1 молекулы глюкозы образуется 2850 кДж/ моль энергии (38 молекул АТФ).
г) Энергетический обмен у анаэробов, его характеристика и биоэнергетика
Анаэробный гликолиз служит основным источником энергообеспечения у анаэробных организмов или в случае недостатка кислорода у аэробов (мышечные клетки при работе; в эритроцитах).
Процесс анаэробного гликолиза включает два этапа: бескислородный этап (соответствует первому этапу аэробного гликолиза) и брожение.
Этапы энергетического обмена (анаэробного гликолиза)
Этап | Процессы энергетического обмена | Освобождение и использование энергии |
I. Бескислородный | Переработка пищевых веществ в органах пищеварения, расщепление полимеров до мономеров. | Распад одной молекулы глюкозы дает энергию, обеспечивающую синтез двух молекул АТФ. |
С6Н12О6 (глюкоза) + 2 АДФ +2 Ф → 2 С3Н4О3 (пируват) + 2 АТФ + 2 Н2О | ||
II. Брожение | В зависимости от вида брожения из пирувата образуются различные конечные продукты: этанол при спиртовом брожении; молочная кислота при молочнокислом брожении; масляная кислота при маслянокислом брожении и т.д. | Распад двух молекул пирувата до молочной кислоты. При этом на данном этапе энергия не образуется. |
2 С3Н4О3 + 2 НАДН + Н+ → 2 С3Н6О3 + 2 НАД |
Таким образом, анаэробный гликолиз является энергетически мало эффективным – образуется лишь 2 молекулы АТФ (150 кДж/моль). Важной составляющей обмена веществ у растений является фотосинтез.
Аэробный | Анаэробный |
36 АТФ | 2 АТФ |
2850 кДж/моль | 150 кДж/моль |
д) Значение АТФ в энергетическом обмене. Химический состав и биоэнергетическая характеристика
Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в виде АТФ (чаще). Это универсальный источник энергосбережения клетки.
АТФ- мононуклеотид, состоящий из: аденина, рибозы, 3 остатков фосфорной кислоты.
Энергия, высвобождающаяся при гидролизе АТФ, используется клетками для совершения всех видов работы. Значительные количества энергии расходуются на биологические синтезы.