Глюкоза пировиноградная

Задания

Изучить тему: «Обмен веществ и энергии в клетке». Выписать слова, которые Вам не понятны и перевести на свой родной язык.

Ответить письменно на вопросы в конце текста.

Тема. Обмен веществ и энергии в клетке

 

Живые клетки представляют собой открытые системы, осуществляющие практически всеми своими компонентами обмен веществ и энергии с окружающей средой. Такой обмен заключается в двух противоположных, но взаимосвязанных процессах, которые называются ассимиляцией и диссимиляцией.

Ассимиляция – это пластический обмен или синтез органических веществ, сопровождающийся поглощением энергии.

Диссимиляция – это энергетический обмен или расщепление органических веществ. Является источником энергии.

Обмен веществ в клетке регулируют мембраны, избирательно пропуская определенные вещества в клетку и из нее, а также образуя отсеки эндоплазматической сети для задержки ферментов. Ферменты определяют скорость биохимических процессов.

Диссимиляция

 

Энергетический обмен представляет собой реакции расщепления с помощью ферментов. Эти реакции сопровождаются выделением энергии. Энергия освобождается при перемещении электронов на более низкий энергетический уровень своей или другой молекулы (или атома), чаще всего кислорода. Половина энергии превращается в энергию связей АТФ, а другая половина превращается в теплоту. Однако биологическое окисление проходит ступенчато, выделяя на каждом этапе порцию энергии и небольшое количество тепла, которое рассеивается во внешней среде и поддерживает постоянную температуру тела.

Энергетический обмен проходит в 3 этапа:

1. подготовительный,

2. бескислородный,

3. кислородный.

Подготовительный этап.

Проходит в пищеварительном тракте и в цитоплазме клеток.

Под действием ферментов расщепляются:

¨ полисахариды (крахмал и гликоген) – до моносахаридов (глюкоза);

¨ белки – до аминокислот;

¨ жиры - до глицерина и жирных кислот;

¨ нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов.

Выделяется небольшое количество энергии, рассеивающейся в виде тепла.

Бескислородный этап (анаэробный).

Проходит в цитоплазме клеток без участия кислорода. Мономеры, образовавшиеся на первом этапе, расщепляются дальше. Например, 1 молекула глюкозы расщепляется при гидролизе на 2 молекулы пировиноградной кислоты. Это сопровождается синтезом 2-х молекул АТФ.

 

C₆H₁₂O₆ + 2АДФ + 3H₃PO₄ + 2НАД           2C₃H₄O₆ + 2АТФ + 2НАД ● Н

глюкоза                                                                  пировиноградная

                                                                                                                                        кислота

НАД – никотинамидаденин – динуклеотид. Служит переносчиком энергии.

НАД · Н – восстановленная формула НАД.

Гликолиз происходит при больших нагрузках в поперечно – полосатых скелетных мышцах и заканчивается накоплением молочной кислоты, что приводит к утомлению мышц.

При гликолизе выделяется 80кДж, которые идут на синтез АТФ и 120кДж, которые рассеиваются в виде тепла.

В клетках растительных организмов и дрожжевых грибов расщепление глюкозы идет путем спиртового брожения. При этом пировиноградная кислота поэтапно превращается в уксусный альдегид, а затем в этиловый спирт и СО₂ или ацетон, уксусную кислоту и т.д., в зависимости от вида микроорганизмов.

Кислородный этап (аэробный).

Кислородное расщепление проходит в митохондриях с участием ферментов и кислорода.

Происходит дальнейшее окисление пировиноградной или молочной кислоты с переносом электронов на более низкий уровень. При этом освобождающаяся энергия идет на синтез 36 молекул АТФ (1440кДж). В результате образуется вода и углекислый газ.

 

2C₃H₆O₃ + 6O₂ + 36H₃PO₄ + 36АДФ 36АТФ + 6CO₂ + 42H₂O

молочная

кислота

 

Таким образом, в энергетическом обмене при расщеплении 1 молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ (2АТФ +36АТФ) и выделяется 2800кДж энергии.

Ассимиляция

 

По способу биологического синтеза все организмы можно разделить на автотрофные и гетеротрофные.

Автотрофы– организмы самостоятельно синтезируют органические вещества из неорганических (СО₂  и Н₂О).

При фотосинтезе растения используют энергию света, а при хемосинтезе бактерии используют энергию химических реакций.

Гетеротрофы– это все животные, грибы, большая часть бактерий, растения-сапрофиты и паразиты. Они не синтезируют органические вещества из неорганических.

К пластическому обмену относятся фотосинтез, хемосинтез, биосинтез белка, синтез нуклеиновых кислот, жиров и углеводов.

 

Фотосинтез.

Это синтез органических веществ за счет энергии солнечного излучения. Проходит в зеленых растениях при помощи пигмента хлорофилла, находящегося в хлоропластах.

Строение хлоропластов.

Хлоропласты рассеяны в цитоплазме высших растений. Имеют двояковыпуклую форму и зеленый цвет, благодаря пигменту хлорофиллу. В состав хлоропластов также входят желтые пигменты –каротиноиды. Пигменты находятся в системе мембран.

Хлоропласты образуются из небольших телец, окруженных двойной мембранной оболочкой. Основное вещество хлоропластов – строма или матрикс. Здесь содержатся белки, липиды, кольцевая ДНК, рибосомы, РНК, зерна запасных белков, углеводов (крахмал). В строме проходит темновая стадия фотосинтеза. Строма напоминает гель.

Мембранная система состоит из большого количества плоских мешочков, заполненных жидкостью – это тилакоиды. Там, где тилакоиды лежат стопками, они образуют граны. В световом микроскопе граны имеют вид мелких зернышек. В мембранной системе протекает световая стадия фотосинтеза.

Строение хлорофилла.

Хлорофилл – это зеленый пигмент растений. Он нерастворим в воде. В его состав входит порфириновая головка, связанная сложноэфирной связью с углеводородным хвостом (С₂₀Н₃₉). В центре порфиринового кольца находится атом магния.

 

 

 

Во время световой стадии фотосинтеза пигменты поглощают видимый свет. Это приводит один из электронов молекулы хлорофилла в возбужденное состояние. Электрон поднимается на более высокий энергетический уровень. Таким образом, хлорофилл окисляется и служит донором электрона. Акцептор, принявший электрон, восстанавливается.

Первичными продуктами фотосинтеза являются моносахариды, которые запасаются в виде крахмала и других полисахаридов. Суммарное уравнение фотосинтеза:

 

                                 Энергия света

6СО₂ + 6Н₂О                                          С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Углекислый  вода Хлорофилл    глюкоза  кислород

газ

 

Фотосинтез проходит две фазы – световую и темновую.

Световая фаза.

Под действием солнечного света электрон молекулы хлорофилла приобретает запас энергии. Энергия расходуется на синтез АТФ и восстановление НАДФ до НАДФ·Н (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Происходит фотолиз воды – разложение воды на ион водорода Н⁺ и ион гидроксида ОН^-.

2Н₂О             4Н⁺ + 4е^- + О₂

 

В результате переноса электронов и протонов через мембрану тилакоида происходит превращение световой энергии в энергию химических связей АТФ. Кислород, образующийся при фотолизе воды, является побочным продуктом фотосинтеза.

Темновая стадия.

Связана с восстановлением СО₂ до органических веществ, чему способствует запас энергии АТФ и НАДФ·Н.

6СО₂ + 24Н      С₆Н₁₂О₆ + 6Н₂О.

 

Темновая стадия служит для синтеза органических веществ (углеводов).

Значение фотосинтеза огромно, так как этот процесс обогащает атмосферу кислородом и очищает ее от избытка углекислого газа. В органических веществах аккумулируется химическая энергия, необходимая для осуществления всех процессов жизнедеятельности растений и животных.

 

 

Схема фотосинтеза

Хемосинтез

Источником энергии для синтеза сложных органических веществ служит энергия окисления неорганических веществ - аммиака, сероводорода, серы, водорода, азотной кислоты и т. д. Хемосинтез свойствен бактериям. Они обладают специальным ферментативным аппаратом.

Хемосинтез был открыт русским микробиологом С.Н. Виноградским.

Среди хемосинтезирующих бактерий можно назвать нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой, а затем азотной кислоты; серобактерии, окисляющие сероводород до серы или серной кислоты; железобактерии, переводящие двухвалентное железо в трехвалентное. Хемосинтез протекает без выделения кислорода.

Значение хемосинтеза. Хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в биосфере: они участвуют в очистке сточных вод, способствуют накоплению в почве минеральных веществ, превращают азот воздуха в аммиак, который хорошо усваивается растениями.