Отличия пластического обмена веществ от энергетического. У растений в реакциях пластического обмена
Контрольная работа по биологии 9 класс за 1 полугодие
Контрольная работа по биологии за I полугодие в 9 классе
Вариант 1
Часть А
Выбрать один правильный ответ:
1. Мономером молекулы белка служит:
1) азотистое основание 3) аминокислота
2) моносахарид 4) липид
2. Какие пары нуклеотидов образуют комплементарные связи в молекуле ДНК?
1) аденин и тимин 3) гуанин и тимин
2) аденин и цитозин 4) урацил и тимин
3. Организмы животных, растений, грибов, бактерий состоят из клеток, что свидетельствует о
1) единстве органического мира
2) разнообразии строения живых организмов
3) связи организмов со средой обитания
4) сложном строении живых организмов
4. У животных в реакциях пластического обмена
1) происходит расщепление биополимеров
2) используется энергия АТФ
3) синтезируется АТФ
4) происходит денатурация белка
5. При фотосинтезе энергия света запасается в молекуле
1) АТФ; 2) воды; 3) кислорода; 4) углекислого газа
6. Примером бесполого размножения служит
1) образование семян у ландыша
2) развитие личинки у насекомого
3) почкование у гидры
4) партеногенез у пчёл
7. В результате митоза диплоидной соматической клетки образуются
1) четыре гаплоидные гаметы
2) две диплоидные клетки
3) четыре диплоидные клетки
4) клетки с удвоенным числом хромосом
8. Постэмбриональное развитие организмов следует после
1) оплодотворения
2) опыления
3) выхода личинки из яйца
4) образования половых клеток
9. Эмбриональное развитие начинается с
1) бластулы; 2) зиготы; 3) гаструлы; 4) нейрулы
10. Гены – это участки молекулы
1) белка; 2) полисахарида; 3) ДНК; 4) АТФ
11. Генотип гетерозиготного организма:
1) аа; 2)АА; 3) ВВ; 4) Вв
12. Какой процесс может нарушить сцепление генов?
1) удвоение ДНК
2) кроссинговер
3) оплодотворение
4) митотическое деление
Часть В
В1 Установите соответствие между характеристикой полового размножения животных и его формой
ХАРАКТЕРИСТИКА ФОРМЫ ПОЛОВОГО РАЗМНОЖЕНИЯ
1) организм развивается А) с оплодотворением
из зиготы Б) без оплодотворения
2) потомство развивается
из яйцеклеток
3) развивающийся организм
имеет наследственность только
материнскую
4) развитие нового организма
обусловлено женской гаметой
5) потомство наследует гены
двух родителей
В2 Выбрать три ответа из шести
В состав молекулы ДНК входит
А) фосфорная кислота
Б) аденин
В) рибоза
Г) дезоксирибоза
Д) урацил
Е) катион железа
Часть С
1.У мышей длинные уши наследуется как доминантный признак, а короткие – как рецессивный. Скрестили самца с длинными ушами с самкой с короткими ушами. В F1 потомство получилось с длинными ушами. Определите генотип самца.
2. Дайте определения следующим понятиям: ген, локус, доминантный признак, аллельные гены, гетерозиготный организм.
Контрольная работа по биологии за I полугодие в 9 классе
Вариант 2
Часть А
Выбрать один правильный ответ:
1. Какой углевод входит в состав нуклеотидов РНК?
1) рибоза; 3) сахароза
2) глюкоза; 4) дезоксирибоза
2. Синтез клеточных белков происходит на
1) рибосомах; 3) вакуолях
2) лизосомах; 4) центриолях
3. У растений в реакциях пластического обмена
1) синтезируется мономер – глюкоза
2) образуется углекислый газ
3) происходит расщепление крахмала
4) формируется вторичная структура молекулы белка
4. В процессе энергетического обмена происходит
1) распад молекул АТФ
2) процесс сборки белка из аминокислот
3) окисление органических веществ
4) образование липидов
5. Кислород при фотосинтезе образуется в процессе
1) темновой фазы
2) расщепления воды
3) образования глюкозы
4) усвоения углекислого газа
6. Значение полового размножения состоит в том, что
1) образуется небольшое число особей
2) появляется потомство с наследственностью двух родителей
3) у потомков копируется наследственность одного из родителей
4) оно происходит при наступлении благоприятных условий
7. Как называют стадии митоза?
1) периоды;2) ступени; 3) уровни; 4) фазы
8. Какой способ размножения растений создаёт потомство с более разнообразной наследственностью?
1) корневищем; 3) надземными побегами
2) семенами; 4) видоизменёнными корнями
9. У кошки рождаются котята, похожие на родителей, поэтому такой тип индивидуального развития называют:
1) зародышевым; 3) прямым;
2) послезародышевым; 4) непрямым.
10. У большинства животных индивидуальное развитие организма следует после процесса
1) гаметогенеза; 3) полового созревания
2) оплодотворения; 4) мейотического деления клеток.
11. У животных с момента образования зиготы начинается их
1) обмен веществ; 3) зародышевое развитие
2) клеточное дыхание; 4) эволюция.
12. Хромосомы считают носителями наследственной информации, так как в них располагаются
1) молекулы белка; 3) гены
2) полисахариды 4) ферменты
Часть В
В1 Установите соответсвие между видом генотипа и его характеристикой
ХАРАКТЕРИСТИКА ВИДЫ
ГЕНОТИПА ГЕНОТИПА
1) наличие двух доминантных аллелей гена А) гомозиготный
2) наличие доминантного и Б) гетерозиготный
рецессивного аллеля гена
3) зигота содержит два рецессивных аллеля гена
4) образует два типа гамет
5) образует один тип гамет
6) даёт расщепление признаков у потомства
В2 Выбрать три ответа из шести:
В темновой фазе фотосинтеза, в отличие от световой, происходит
А) использование в реакциях углекислого газа
Б) расщепление молекул воды
В) синтез молекул АТФ
Г) использование энергии молекул АТФ
Д) образование глюкозы
Е) поглощение энергии света молекулой хлорофилла
Часть С
1.При скрещивании растений двух гомозиготных сортов томата с красными (А) и жёлтыми (а) плодами в первом поколении все плоды оказались красными. Определите генотипы родителей, гибридов первого поколения. Какая генетическая закономерность проявится в этом скрещивании?
2. Дайте определения следующим понятиям: генотип, рецессивный признак, гомозиготный организм, дигибридное скрещивание, группы сцепления.
Ответы по биологии в 9 классе
Вариант 1
3
1
1
3
1
3
2
3
2
3
4
2
В1. АБББА
В2. АБГ
Вариант 2
1
1
1
3
2
2
4
2
3
2
3
3
В1. АБАБАБ
В2. АГД
Критерии оценки:
Результаты работы оценивают в баллах. За каждое правильно выполненное задание части А - уч-ся получают 1 балл, части В - 2 балла и части С – 3 балла. Всего 22 балла. (Исправления и зачеркивания не являются основанием для снижения оценки.)
«2»- 0 -8 баллов
«3»-9 -14 баллов
«4»-15 -18 баллов
5«»-19-22 баллов
При составлении работы были использованы следующие источники:
Биология: 6-9 классы: тематические и итоговые контрольные работы: дидактические материалы/ [Г.С. Калинова, А.Н. Мягкова, Е.А. Никишова, В.З. Резникова]. – М.: Вентана-Граф, 2009.
Биология. Система заданий для контроля обязательного уровня подготовки основной школы, М. «Вантана-граф»,2004.
Контрольно-измерительные материалы. Биология: 9 класс/ Сост. И.Р. Григорян. – М.: ВАКО, 2010.
www.metod-kopilka.ru
Самостоятельная работа по биологии 9 класс с ответами
Часть А
Выбрать один правильный ответ:
1. Какой углевод входит в состав нуклеотидов РНК?
1) рибоза; 3) сахароза
2) глюкоза; 4) дезоксирибоза
2. Синтез клеточных белков происходит на
1) рибосомах; 3) вакуолях
2) лизосомах; 4) центриолях
3. У растений в реакциях пластического обмена
1) синтезируется мономер – глюкоза
2) образуется углекислый газ
3) происходит расщепление крахмала
4) формируется вторичная структура молекулы белка
4. В процессе энергетического обмена происходит
1) распад молекул АТФ
2) процесс сборки белка из аминокислот
3) окисление органических веществ
4) образование липидов
5. Кислород при фотосинтезе образуется в процессе
1) темновой фазы
2) расщепления воды
3) образования глюкозы
4) усвоения углекислого газа
6. Значение полового размножения состоит в том, что
1) образуется небольшое число особей
2) появляется потомство с наследственностью двух родителей
3) у потомков копируется наследственность одного из родителей
4) оно происходит при наступлении благоприятных условий
7. Как называют стадии митоза?
1) периоды;2) ступени; 3) уровни; 4) фазы
8. Какой способ размножения растений создаёт потомство с более разнообразной наследственностью?
1) корневищем; 3) надземными побегами
2) семенами; 4) видоизменёнными корнями
9. У кошки рождаются котята, похожие на родителей, поэтому такой тип индивидуального развития называют:
1) зародышевым; 3) прямым;
2) послезародышевым; 4) непрямым.
10. У большинства животных индивидуальное развитие организма следует после процесса
1) гаметогенеза; 3) полового созревания
2) оплодотворения; 4) мейотического деления клеток.
11. У животных с момента образования зиготы начинается их
1) обмен веществ; 3) зародышевое развитие
2) клеточное дыхание; 4) эволюция.
12. Хромосомы считают носителями наследственной информации, так как в них располагаются
1) молекулы белка; 3) гены
2) полисахариды 4) ферменты
13. Укажите генотип человека, если по фенотипу он светловолосый и голубоглазый (рецессивные признаки):
1) ААВВ; 3) аавв
2) АаВв; 4) Аавв
14. При скрещивании собак с чёрной и рыжей шерстью появилось 5 щенков, и все они имели чёрную шерсть, что свидетельствует о проявлении:
1) закона независимого наследования;
2) правила единообразия;
3) промежуточного характера наследования;
4) сцепленного с полом наследования.
15. Как называется наследственная болезнь, при которой человек не может различать зелёный и красный цвета?
1) близорукость; 3) частичная слепота
2) дальнозоркость; 4) дальтонизм.
Часть В
В1 Установите соответсвие между видом генотипа и его характеристикой
ХАРАКТЕРИСТИКА ВИДЫ
ГЕНОТИПА ГЕНОТИПА
1) наличие двух доминантных аллелей гена А) гомозиготный
2) наличие доминантного и Б) гетерозиготный
рецессивного аллеля гена
3) зигота содержит два рецессивных аллеля гена
4) образует два типа гамет
5) образует один тип гамет
6) даёт расщепление признаков у потомства
В2 Выбрать три ответа из шести:
В темновой фазе фотосинтеза, в отличие от световой, происходит
А) использование в реакциях углекислого газа
Б) расщепление молекул воды
В) синтез молекул АТФ
Г) использование энергии молекул АТФ
Д) образование глюкозы
Е) поглощение энергии света молекулой хлорофилла
Часть С
При скрещивании растений двух гомозиготных сортов томата с красными (А) и жёлтыми (а) плодами в первом поколении все плоды оказались красными. Определите генотипы родителей, гибридов первого поколения. Какая генетическая закономерность проявится в этом скрещивании?
Блок 2. Клетка как биологическая система. Раздел 2.5
2.5 Обмен веществ и превращения энергии – свойства живых организмов.Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь. Стадииэнергетического обмена. Брожение и дыхание. Фотосинтез, его значение,космическая роль. Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакциифотосинтеза, их взаимосвязь. Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерийна Земле.
Обмен веществ (метаболизм) – это совокупность взаимосвязанных процессов синтеза и расщепления химических веществ, происходящих в организме. Биологи разделяют его на пластический (анаболизм) и энергетический обмены (катаболизм), которые связаны между собой. Все синтетические процессы нуждаются в веществах и энергии, поставляемых процессами расщепления. Процессы расщепления катализируются ферментами, синтезирующимися в ходе пластического обмена, с использованием продуктов и энергии энергетического обмена.
Для отдельных процессов, происходящих в организмах, используются следующие термины:
Анаболизм (ассимиляция) – синтез более сложных мономеров из более простых с поглощением и накоплением энергии в виде химических связей в синтезированных веществах.
Катаболизм (диссимиляция) – распад более сложных мономеров на более простые с освобождением энергии и ее запасанием в виде макроэргических связей АТФ.
Живые существа для своей жизнедеятельности используют световую и химическую энергию. Зеленые растения – автотрофы, – синтезируют органические соединения в процессе фотосинтеза, используя энергию солнечного света. Источником углерода для них является углекислый газ. Многие автотрофные прокариоты добывают энергию в процессе хемосинтеза – окисления неорганических соединений. Для них источником энергии могут быть соединения серы, азота, углерода. Гетеротрофы используют органические источники углерода, т. е. питаются готовыми органическими веществами. Среди растений могут встречаться те, которые питаются смешанным способом (миксотрофно) – росянка, венерина мухоловка или даже гетеротрофно – раффлезия. Из представителей одноклеточных животных миксотрофами считаются эвглены зеленые.
Ферменты, их химическая природа, роль в метаболизме. Ферменты – это всегда специфические белки – катализаторы. Термин «специфические» означает, что объект, по отношению к которому этот термин употребляется, имеет неповторимые особенности, свойства, характеристики. Каждый фермент обладает такими особенностями, потому что, как правило, катализирует определенный вид реакций. Ни одна биохимическая реакция в организме не происходит без участия ферментов. Особенности специфичности молекулы фермента объясняются ее строением и свойствами. В молекуле фермента есть активный центр, пространственная конфигурация которого соответствует пространственной конфигурации веществ, с которыми фермент взаимодействует. Узнав свой субстрат, фермент взаимодействует с ним и ускоряет его превращение.
Ферментами катализируются все биохимические реакции. Без их участия скорость этих реакций уменьшилась бы в сотни тысяч раз. В качестве примеров можно привести такие реакции, как участие РНК – полимеразы в синтезе – и-РНК на ДНК, действие уреазы на мочевину, роль АТФ – синтетазы в синтезе АТФ и другие. Обратите внимание на то, что названия многих ферментов оканчиваются на «аза».
Активность ферментов зависит от температуры, кислотности среды, количества субстрата, с которым он взаимодействует. При повышении температуры активность ферментов увеличивается. Однако происходит это до определенных пределов, т. к. при достаточно высоких температурах белок денатурируется. Среда, в которой могут функционировать ферменты, для каждой группы различна. Есть ферменты, которые активны в кислой или слабокислой среде или в щелочной или слабощелочной среде. В кислой среде активны ферменты желудочного сока у млекопитающих. В слабощелочной среде активны ферменты кишечного сока. Пищеварительный фермент поджелудочной железы активен в щелочной среде. Большинство же ферментов активны в нейтральной среде.
Энергетический обмен в клетке (диссимиляция)
Энергетический обмен – это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ. Процессы расщепления органических соединений у аэробных организмов происходят в три этапа, каждый из которых сопровождается несколькими ферментативными реакциями.
Первый этап – подготовительный. В желудочно-кишечном тракте многоклеточных организмов он осуществляется пищеварительными ферментами. У одноклеточных – ферментами лизосом. На первом этапе происходит расщепление белков до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, полисахаридов до моносахаридов, нуклеиновых кислот до нуклеотидов. Этот процесс называется пищеварением.
Второй этап – бескислородный (гликолиз). Его биологический смысл заключается в начале постепенного расщепления и окисления глюкозы с накоплением энергии в виде 2 молекул АТФ. Гликолиз происходит в цитоплазме клеток. Он состоит из нескольких последовательных реакций превращения молекулы глюкозы в две молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) и две молекулы АТФ, в виде которой запасается часть энергии, выделившейся при гликолизе: С6Н12O6 + 2АДФ + 2Ф → 2С3Н4O3 + 2АТФ. Остальная энергия рассеивается в виде тепла.
В клетках дрожжей и растений (при недостатке кислорода) пируват распадается на этиловый спирт и углекислый газ. Этот процесс называется спиртовым брожением.
Энергии, накопленной при гликолизе, слишком мало для организмов, использующих кислород для своего дыхания. Вот почему в мышцах животных, в том числе и у человека, при больших нагрузках и нехватке кислорода образуется молочная кислота (С3Н6O3), которая накапливается в виде лактата. Появляется боль в мышцах. У нетренированных людей это происходит быстрее, чем у людей тренированных.
Третий этап – кислородный, состоящий из двух последовательных процессов – цикла Кребса, названного по имени Нобелевского лауреата Ганса Кребса, и окислительного фосфорилирования. Его смысл заключается в том, что при кислородном дыхании пируват окисляется до окончательных продуктов – углекислого газа и воды, а энергия, выделяющаяся при окислении, запасается в виде 36 молекул АТФ. (34 молекулы в цикле Кребса и 2 молекулы в ходе окислительного фосфорилирования). Эта энергия распада органических соединений обеспечивает реакции их синтеза в пластическом обмене. Кислородный этап возник после накопления в атмосфере достаточного количества молекулярного кислорода и появления аэробных организмов.
Окислительное фосфорилирование или клеточное дыхание происходит, на внутренних мембранах митохондрий, в которые встроены молекулы-переносчики электронов. В ходе этой стадии освобождается большая часть метаболической энергии. Молекулы-переносчики транспортируют электроны к молекулярному кислороду. Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть расходуется на образование АТФ.
Суммарная реакция энергетического обмена:
С6Н12O6 + 6O2 → 6СO2 + 6Н2O + 38АТФ.
Фотосинтез и хемосинтез
Все живые существа нуждаются в пище и питательных веществах. Питаясь, они используют энергию, запасенную, прежде всего, в органических соединениях – белках, жирах, углеводах. Гетеротрофные организмы, как уже говорилось, используют пищу растительного и животного происхождения, уже содержащую органические соединения. Растения же создают органические вещества в процессе фотосинтеза. Исследования в области фотосинтеза начались в 1630 г. экспериментами голландца ван Гельмонта. Он доказал, что растения получают органические вещества не из почвы, а создают их самостоятельно. Джозеф Пристли в 1771 г. доказал «исправление» воздуха растениями. Помещенные под стеклянный колпак они поглощали углекислый газ, выделяемый тлеющей лучиной. Исследования продолжались, и в настоящее время установлено, что фотосинтез – это процесс образования органических соединений из диоксида углерода (СО2) и воды с использованием энергии света и проходящий в хлоропластах зеленых растений и зеленых пигментах некоторых фотосинтезирующих бактерий.
Хлоропласты и складки цитоплазматической мембраны прокариот содержат зеленый пигмент – хлорофилл. Молекула хлорофилла способна возбуждаться под действием солнечного света и отдавать свои электроны и перемещать их на более высокие энергетические уровни. Этот процесс можно сравнить с подброшенным вверх мячом. Поднимаясь, мяч запасается потенциальной энергией; падая, он теряет ее. Электроны не падают обратно, а подхватываются переносчиками электронов (НАДФ+ – никотинамиддифосфат). При этом энергия, накопленная ими ранее, частично расходуется на образование АТФ. Продолжая сравнение с подброшенным мячом, можно сказать, что мяч, падая, нагревает окружающее пространство, а часть энергии падающих электронов запасается в виде АТФ. Процесс фотосинтеза подразделяется на реакции, вызываемые светом, и реакции, связанные с фиксацией углерода. Их называют световой и темновой фазами.
«Световая фаза» – это этап, на котором энергия света, поглощенная хлорофиллом, преобразуется в электрохимическую энергию в цепи переноса электронов. Осуществляется на свету, в мембранах гран при участии белков – переносчиков и АТФ-синтетазы.
Реакции, вызываемые светом, происходят на фотосинтетических мембранах гран хлоропластов:
1) возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;
2) восстановление акцепторов электронов – НАДФ+ до НАДФ Н
2Н+ + 4е- + НАДФ+ → НАДФ Н;
3) фотолиз воды, происходящий при участии квантов света: 2Н2О → 4Н+ + 4е- + О2.
Данный процесс происходит внутри тилакоидов – складках внутренней мембраны хлоропластов. Из тилакоидов формируются граны – стопки мембран.
Так как в экзаменационных работах спрашивают не о механизмах фотосинтеза, а о результатах этого процесса, то мы и перейдем к ним.
Результатами световых реакций являются: фотолиз воды с образованием свободного кислорода, синтез АТФ, восстановление НАДФ+ до НАДФ Н. Таким образом свет нужен только для синтеза АТФ и НАДФ-Н.
«Темновая фаза» – процесс преобразования СО2 в глюкозу в строме (пространстве между гранами) хлоропластов с использованием энергии АТФ и НАДФ Н.
Результатом темновых реакций являются превращения углекислого газа в глюкозу, а затем в крахмал. Помимо молекул глюкозы в строме происходит образование, аминокислот, нуклеотидов, спиртов.
Суммарное уравнение фотосинтеза —
Значение фотосинтеза. В процессе фотосинтеза образуется свободный кислород, который необходим для дыхания организмов:
кислородом образован защитный озоновый экран, предохраняющий организмы от вредного воздействия ультрафиолетового излучения;
фотосинтез обеспечивает производство исходных органических веществ, а следовательно, пищу для всех живых существ;
фотосинтез способствует снижению концентрации диоксида углерода в атмосфере.
Хемосинтез – образование органических соединений из неорганических за счет энергии окислительно-восстановительных реакций соединений азота, железа, серы. Существует несколько видов хемосинтетических реакций:
1) окисление аммиака до азотистой и азотной кислоты нитрифицирующими бактериями:
Nh4 → HNQ2 → HNO3 + Q;
2) превращение двухвалентного железа в трехвалентное железобактериями:
Fe2+ → Fe3+ + Q;
3) окисление сероводорода до серы или серной кислоты серобактериями
h3S + O2 = 2h3O + 2S + Q,
h3S + O2 = 2h3SO4 + Q.
Выделяемая энергия используется для синтеза органических веществ.
Роль хемосинтеза. Бактерии – хемосинтетики, разрушают горные породы, очищают сточные воды, участвуют в образовании полезных ископаемых.
Источник: Г.И. Лернер. Биология. Полный справочник для подготовки к ЕГЭ
karpt.blogspot.com
Лекция 13. Пластический обмен веществ
Лекция 13. Пластический обмен веществ
Пластический обмен веществ (анаболизм, или ассимиляция) - это совокупность физиолого-биохимических процессов, в ходе которых из простых органических и неорганических веществ образуются сложные вещества. Пластический обмен протекает с расходом высокоорганизованной энергии (например, в виде АТФ), которая расходуется на восстановление начальных соединений углерода путем присоединения к ним электронов и протонов.Для пластического обмена нужны первичные источники углерода (начальная "кирпич" для образования органических веществ) и первичные источники высокоорганизованной энергии и тепла.Все организмы способны синтезировать сложные органические вещества, используя относительно простые органические вещества с асимметричным атомом углерода. Организмы, все клетки которых нуждаются в готовых органических веществ, называются гетеротрофными (или просто гетеротрофами).Однако существуют организмы, в которых часть клеток способна ассимилировать (то есть усваивать) углекислый газ. Такие организмы называются автотрофным (или просто автотрофами). К ним относятся растения и сине-зеленые водоросли. К автотрофов часто относят и других прокариот, способных к автотрофного (хемоавтотрофные, где используется не энергия света, а энергия химических соединений) усвоение веществ.Все организмы способны получать высокоорганизованное энергию путем катаболизма (то есть за счет окисления органических веществ). Организмы, у которых все клетки получают высокоорганизованное энергию только таким путем, называются органотрофнимы (или просто органотрофы). Однако существуют организмы, в которых хотя бы часть клеток способна использовать световую энергию.Термодинамика живых систем.Второй закон термодинамики ОВОР, что энтропия (мера неупорядоченности) в изолированной системе постоянно растет. Другими словами можно сказать, что беспорядок "приводится сам», а для упорядочения системы нужно выполнить химическую, механическую и транспортную работу. Ее постоянно вынуждены выполнять организмы, для того чтобы поддерживать жизнедеятельность, это происходит благодаря наличию метаболизма.Системы с большим запасом свободной энергии нестабильны, в них самовольно происходят процессы, уменьшают ее. Итак спонтанно могут происходить только реакции, сопровождающиеся выделением энергии (ΔG <0), они называются екзергоничнимы, но не реакции, для которых ΔG> 0 (ендергонични). В состоянии термодинамического ΔG = 0 система не может выполнять работу. Достижения состояния равновесия для клетки означает смерть.Если прямая реакция екзергонична, например окисление глюкозы до углекислого газа и воды ΔG0 = -686 ккал / моль (2879 кДж / моль)), то обратная обязательно будет ендергоничною, то есть для реакции синтеза глюкозы из углекислого газа и воды ΔG0 = + 686 ккал / моль.Изменение свободной энергии при реакции зависит от ее конкретного типа (т.е. содержания энергии в исходных веществах и продуктах), а также от того, насколько далеко была система от термодинамического равновесия в начальный момент времени (то есть насколько концентрация веществ отличаются от равновесных).В реальных условиях живой клетки большинство химических реакций никогда не достигают равновесного состояния из-за того, что продукты постоянно используются в других реакциях или выделяются в среду. Таким образом живая система находится в динамично стабильном состоянии: в ней происходят непрерывные изменения вследствие тока вещества и энергии, но основные показатели поддерживаются на постоянном уровне. Например глюкоза с одной стороны поглощается из крови и используется многими тканями, с другой - всасывается кишечника и мобилизуется из мест ее запасания. В результате слияния этих двух процессов ее концентрация в крови остается достаточно стабильной.БИОСИНТЕЗ (от био ... и греч. Synthesis - соединение), образование органических веществ из более простых соединений, происходит в живых организмах под действием биокатализаторов - ферментов. Б.- важная сторона обмена веществ живых организмов. Биосинтез зависим от процессов расщепления сложных веществ на более простые. Источником энергии для Б. служат богатые энергией (макроэргических фосфатов) соединения, а начальной (для всех организмов кроме бактерий, осуществляющих хемосинтез) - есть энергия солнечного излучения, аккумулированная зелёными растениями и цианооактериями в процессе фотосинтеза (о чем были приведены ранее). Каждый одноклеточный организм как и каждая клетка многоклеточного организма, синтезирует его составляющие вещества. Характер Б., осуществляемого в клетке, определяется наследственной информации, закодированной в ее генетическом аппарате. Б., осуществляемый микроорганизмами широко применяется в биотехнологии как способ промежуточного получения витаминов, некоторых гормонов, антибиотиков, аминокислот, а также кормовых белков и др. соединений.ФОТОСИНТЕЗ (от фото ... и греч. Synthesis - соединение), образование клетками высших растений водорослей и некоторыми бактериями органических веществ с участием энергии света. Происходит с помощью пигментов (хлорофиллов и других), присутствующих в хлоропластах и хроматофорах. В основе Ф. лежит окислительно-восстановительный процесс, в каком электроны переносятся от донора-восстановителя (вода, водород и др.) К акцептора (СО2, ацетат) с образованием восстановленных соединений (углеводы) и выделением O2, если окисляется h3O ( если фотосинтезирующие бактерии, использующие другие, чем вода, доноры, кислород не выделяют).Этапы фотосинтеза представлены в таблице 1.Таблица 1. Этапы фотосинтеза.
Схема двух фотохимических систем (ФС1 и ФСII) фотосинтеза.
Преобразование энергии света в энергию химических связей начинается в специфических структурах - реакционных центрах (РЦ). Они состоят из молекул хлорофилла
а (у бактерий - бактериохлорофилл, в галобактерий - бактериородопсином), выполняющих функцию фотосенсибилизаторов, пигмента феофитин, связанных с ними доноров и акцепторов электронов и других соединений. В Ф. высших растений, водорослей, цианобактерий участвуют две последовательные фотореакции из разных РЦ. При поглощении квантов пигментами фотосистемы II (ФС II) происходит перенос электронов от воды к промежуточному акцептору и через цепь переноса электронов в РЦ фотосистемы I (ФС I). Возбуждение ФС I сопровождается переносом электрона на вторую ступень (через промежуточный акцептор и ферредоксин к НАДФ +). В РЦ сосредоточена лишь небольшая (~ 1%) часть хлорофилла непосредственно участвует в преобразовании энергии поглощенных фотонов в энергию химических связей, основная его масса и дополнительные (сопутствующие) пигменты выполняют роль Светособирающие антенны. Несколько десятков или сотен таких молекул, собранных в т.н. фотосинтетическое единицы, поглощают кванты и передают возбуждение на пигментные молекулы РЦ. Это значительно повышает скорость Ф. даже при невысоких интенсивности света. В РЦ происходит образование первичных восстановителя и окислителя, которые затем инициируют цепь последовательных. окис.-отн. реакций, и энергия в результате запасается в восстановленном никотинамидадениндинуклеогидфосфати (НАДФ.Н) и АТФ (фотосиитетич. фосфорилирования) - осн. продуктах фотохимических световых стадий Ф. Продукты первичных стадий Ф. высших растений и водорослей, в которых запасена энергия света, используются в дальнейшем в цикле фиксации СО2 и преобразовании углерода в углеводы (т.н. цикл Калвина). СО2 присоединяется к рибулозодифосфату при участии фермента рибулозодифосфаткарбоксилазы. Из полученного шестивуглецевого соединение образуется трьохвуглецева (С3) фосфоглицеринового к-та (ФГК) возобновляемая затем с использованием АТФ и НАДФ.Н к трьохвуглецевих сахаров (триозофосфатов), из которых и образуется конечный продукт Ф.- глюкоза. Вместе с тем часть триозофосфатив претерпевает процесс конденсации и перестройки превращаясь в рибулозомонофосфат, который фосфорилуется с участием "свеитлового" АТФ к рибулозодифосфату - первичного акцептора CO2, и обеспечивает непрерывную работу цикла. В некоторых растениях (кукуруза, сахарный тростник и др.) Первичное преобразование углерода идет не через трёхуглеродные, а через чотирьохвуглецеви соединения (С4-растения C4-метаболизм углерода). Акцептором СО2 в клетках мезофилла таких растений служит фосфоэнолпируват (ФЭП). Продукты его карбоксилирования - яблочная или аспарагинова к-ты диффундируют в обкладки сосудистых пучков, где декарбоксилюются с освобождением СО2, который и попадает в цикл Кальвина. Преимущества такого "кооперативного" метаболизма обусловлены тем, что ФЭП-карбоксилаза при низкой концентрации СО2 активнее, чем рибулозодифосфаткарбоксилаза, и, кроме того, в обкладочных клетках с пониженной концентрацией O2 слабее выражено фотодыхание, связано с окислением рибулозофосфату, и сопутствующие ему потери энергии (до 50%). С4-растения привлекают внимание исследователей высокой фотосинтетической продуктивностью.Фотосинтез единственный процесс в биосфере, ведущий к увеличению свободной энергии биосферы за счет внешнего источника - Солнца и обеспечивает существование как растений, так и всех гетеротрофных организмов, в т.ч. и человека. Ежегодно в результате Ф. на Земле образуется 150 млрд. Т органического вещества и выделяется около 200 млрд. Т свободного О2. Коллобиг О2, углерода и др. элементов, привлекаемых в Ф., создал и поддерживает современный состав атмосферы, необходимый для жизни на Земле. Ф. препятствует увеличению концентраций СО2 в атмосфере, предотвращая перегрев Земли (вследствие т.н. парникового эффекта). Кислород Ф. необходим не только для жизнедеятельности организмов, но и для защиты живого от губительного коротковолнового УФ-излучения (кислородно-озоновый экран атмосферы). Запасенная в продуктах Ф. энергия (в виде видов топлива) является осн. источником энергии для человечества. Предполагается, что в энергетике будущего Ф. может занять одно из первых мест как неисчерпаемый источник и такое, что не загрязняет среду (создание плантаций быстрорастущих растений с последующим использованием растительной массы для получения тепловой энергии или переработки в высококачественное топливо - спирт). Не менее важна роль Ф. как основы получения продовольствия, кормов, технического сырья. Несмотря на высокую эффективность начальных фотофизических и фотоимичних стадий (ок. 95%), в урожай переходит лишь менее 1-2% солнечной энергии; потери обусловлены неполным поглощением света, лимитирование процесса на биохимических и физиологических уровнях. Обеспечение растений водой минеральным питанием, СО2, селекция сортов с высокой эффективностью Ф., создание благоприятной структуры посевов и др. используют в целях реализации резервов фотосинтетической продуктивности.Биосинтез белка.ТРАНСКРИПЦИЯ (от лат. Transcriptio, букв.- переписка), биосинтез молекул РНК, на участках ДНК; первый этап реализации генетической информации в живых клетках. Осуществляется ферментом ДНК зависимой РНК-полимеразы, которая в большинстве изученных организмов представляет собой комплекс 4 и более неидентичных субъединиц, выполняющих различные роли в процессе Т. Фермент «узнает» о знаке начала Т.- промотор (участок ДНК), присоединяется к нему, расплетает двойную спираль ДНК и копирует, начиная с этого места, один из ее цепей, перемещаясь вдоль ДНК и последовательно присоединяя мономерные звенья (нуклеотиды) к той, что образует РНК в соответствии с принципом комплементарности. По мере движения РНК-полимеразы цепь РНК, растет, отходит от матрицы и двойная спираль ДНК позади фермента восстанавливается. Когда РНК-полимераза достигает конца копируемого участка (терминатора), РНК отделяется от матрицы. Число копий разных участков ДНК может меняться в ходе развития организма. Для высокоэффективной инициации часто требуется присоединения к промотора белков положительного контроля (например., Белка-активатора катаболизма). Показано, что у прокариот в регуляции на этапе инициации могут участвовать белки-репрессоры, связывающие близкие к точке начала Т. участка - операторы. Некоторые знаки конца Т. (терминаторы) познаются самой РНК-полимеразы, в узнавании др. участвует особый терминуючий белок В регуляции Т. на этапе терминации участвуют белки-антитерминаторы и компоненты аппарата белкового синтеза. В эукариот существуют самостоятельные РНК-полимеразы для синтеза рибосомальных, информац. и транспортных РНК. Единицы Т., называемые oпeронамы, у прокариот включают, как правило, несколько функционально связанных генов, у эукариот они всегда или почти всегда моногенное. В опухолеродных вирусов возможном переносе информации с РНК на ДНК (обратная Т.У с помощью фермента обратной транскриптазы (ревертазы).ТРАНСЛЯЦИЯ (от лат. Translatio - передача), синтез полипептидных цепей белков на матрице информационной РНК согласно генетического кода второй этап реализаций генетической информации в живых клетках. В. процессе трансляции информация о специфическое строение будущего белка, записанная в виде последовательности нуклеотидов в молекулах иРНК, переводится с нуклеотидного кода в определенную последовательность аминокислот в белках, синтезируемых. Осуществляется сложным макромолекулярным комплекс, состоит кроме иРНК с рибосомы, транспортных РНК (тРНК) аминоацил-тРНК-синтетаз, белковых факторов инициации, элонгации (удлинение или наращивания полипептида), терминации (окончания) Т. н др. Аминокислоты доставляются в рибосомы тРНК. На этапе инициации Т. меньше субъединица рибосомы, инициаторна (у бактерий формилметионилова) тРНК и факторы инициации "узнают" о кодон-инициатор в 5'-конце иРНК. После этого присоединяется большая субъединица рибосомы
и в ней начинается собственно синтез белка, который происходит в 3 этапа:1. Присоединение т. РНК,2. Образование пептидной связи3. Продвижение рибосомы на три нуклеотида - транслокация.
после чего весь цикл повторяется. При познании кодонов-терминатор белковые факторы терминации катализируют освобождения полипептидной цепи от рибосомы.При синтезе белка иРНК входит в состав полирибосомы (на ней одновременно ведут синтез до 100 рибосом). В прокариот полирибосомы образуются в ходе транскрипции, на иРНК, еще связанной с ДНК. В эукариот синтез белка ограничен цитоплазмой.
biolog-kmk.ucoz.net
Обмен веществ в клетке | Дистанционные уроки
25-Июл-2013 | комментариев 8 | Лолита Окольнова
Во всех клетках живых организмов непрерывно идут процессы обмена веществ и энергии.
Это называется метаболизм.
Если рассмотреть этот процесс более детально, то это постоянные процессы образования и распада веществ и поглощения и выделения энергии.
Процесс синтеза веществ = пластический обмен = ассимиляция = анаболизм
Чтобы что-то построить, надо затратить энергию — этот процесс идет с поглощением энергии.
Процесс расщепления = энергетический обмен = диссимиляция = катаболизм
Это процесс, при котором сложные вещества разлагаются на простые. “Ломать — не строить”, так что энергия при этом выделяется.
В основном, это реакции окисления, происходят они в митохондриях, самый простой пример — дыхание. При дыхании сложные органические вещества расщепляются до простых, выделяется углекислый газ и энергия.
Вообще, эти два процесса взаимосвязаны и переходят один в другой. Суммарно уравнение метаболизма — обмена веществ в клетке — можно записать так:
катаболизм + анаболизм = обмен веществ в клетке = метаболизм
Рассмотрим эти процессы подробнее.
Энергетический обмен = Диссимиляция = Катаболизм
Этот процесс идет в несколько этапов и нам нужно рассмотреть как он проходит а различных организмах.
Организмов будет всего 2 — многоклеточный (человек, например) и одноклеточный (растительный и животный).
И запомните, сочетание букв АТФ (аденинтрифосфорная кислота) — означает “энергию”. Просто эта энергия заключена в молекуле.
Обмен веществ в клетке
Этапы диссимиляции:
1 этап — подготовительный
Давайте проследим путь пищи от начала и до конца… Итак, пища поступила в организм. А что у нас за пища? Точнее, из чего она состоит? Из белков, жиров и углеводов.
Пища начинает перевариваться.
В чем суть пищеварения? Очень просто: полимеры: белки, жиры и углеводы расщепляются до мономеров:
- жиры → до глицерина и жирных кислот
- углеводы (полисахариды) → до моносахаридов
Такое расщепление возможно с помощью ферментов (био-катализаторов)
- у одноклеточных — в их “мини-желудочках” — лизосомах
2 этап — бескислородный — гликолиз
Глюкоза, полученная в предыдущем этапе, превращается в пировиноградную кислоту и накапливается энергия (“+” — это выделение энергии, “-” — поглощение).
С6h22O6 → C3h5O3 + 2 АТФ
Происходит этот процесс уже в цитоплазме клеток (как много-, так и одноклеточных организмов).
У растений этот процесс проходит немного по-другому. Наверняка слышали про “спиртовое брожение” — основу производства алкогольной продукции:
С6h22O6 = 2C2H5OH + 2CO2
А вы знаете, почему после тренировок мышцы болят?
Если организм испытывает серьезные физические нагрузки и при этом потребляет для дыхания кислород, то энергии, которая образуется при гликолиза, становится мало и происходит другой процесс — образование молочной кислоты:
С6h22O6 = 2C3H6O3
Вот как раз из-за нее и болят мышцы!
3 этап — кислородный = Цикл Кребса + окислительное фосфорилирование
Здесь мы не будем детально разбирать цикл Кребса и фосфорилирование — это будет отдельная подробная тема, которая и не очень-то нужна в формате ЕГЭ…
Сама суть этого процесса в том, что в митохондриях (на кристах) кислота превращается уже до конца: до CO2 (то, что мы выдыхаем) и h3O:
в цикле Кребса: C3h5O3→CO2 + h3O + 34 АТФ
и еще + 2 АТФ в процессе фосфорилирования
Общее уравнение диссимиляции:
С6h22O6 + 6O2 = 6CO2 + 6h3O + 38 АТФ
- в ЕГЭ это вопрос А3 — метаболизм клетки
- А16 — метаболизм человека
- эти же вопросы есть в части В
Еще на эту тему:
Обсуждение: "Обмен веществ в клетке"
(Правила комментирования)distant-lessons.ru
Отличия пластического обмена от энергетического
В организме человека в течение всей его жизни происходит большое количество различных химических реакций, вне зависимости от того, спит он, делает зарядку либо идет в магазин за покупками.
Эти химические реакции принято объединять одним общим понятием обменом веществ. Принимая пищу, организмом потребляются питательные вещества, которые впоследствии проходят трансформацию и используются в процессе нашей жизнедеятельности.
Читайте также: Пластический обмен.
Метаболизмом или обменом веществ и энергии, называют совокупное количество химических реакций, происходящих в клетках организма на протяжении всей жизни. Эти химические процессы являются главным условиям для поддержания жизнедеятельности клеток, источником их роста, функционирования, развития.
Метаболизм разделяется на два противоположных и неразрывных процесса: анаболизм (пластический обмен) и катаболизм (энергетический обмен).
Чем пластический обмен отличается от энергетического?
Статьи по теме:
Пластический обмен синтезирует сложные вещества из более простых. Для протекания таких реакций необходимы затраты энергии. Так, например, из аминокислот образуются белки, из жирных кислот и глицерина образуются жиры. Благодаря пластическому обмену, строящиеся углеводы, жиры и белки впоследствии идут на строительство новых клеток и межклеточного пространства.
При энергетическом обмене, в отличие от пластического обмена, происходит расщепление органических веществ на более простые, в процессе чего высвобождается энергия в форме АТФ. Продуктами энергетического обмена являются вода, углекислый газ и прочие вещества, которые клетка больше не может использовать.
Энергетический обмен включает в себя три основных стадии.
На первой стадии сложные молекулы (белки, углеводы и жиры) распадаются до простых молекул вне клеточного пространства. На второй стадии (брожение) простые молекулы попадают в клетки и расщепляются до более простых веществ, данный процесс проходит без участия кислорода и сопровождается выделением энергии. В третей стадии (дыхание) задействован кислород. Вследствие чего происходит окисление органических веществ и выделение большого количества энергии.
Сложные реакции, происходящие в процессе энергетического и пластического обменов, довольно тесно взаимосвязаны между собой и внешней средой, из которой клетки получают питательные вещества. Питательные вещества служат сырьем при осуществлении реакций пластического обмена, а при расщеплении из них высвобождается энергия, необходимая для существования клеток.
← Вирус Эпштейна-Барра, симптомы Прочная взаимосвязь пластического и энергетического обмена веществ →biologylife.ru
Пластический обмен. Биосинтез белка. Роль ядра, рибосом и эндоплазматической сети в этом процессе. Матричный характер реакций биосинтеза.
1. Пластический обмен — совокупность реакций синтеза органических веществ в клетке с использованием энергии. Синтез белков из аминокислот, жиров из глицерина и жирных кислот — примеры биосинтеза в клетке.
2. Значение пластического обмена: обеспечение клетки строительным материалом для создания клеточных структур; органическими веществами, которые используются в энергетическом обмене.
3. Фотосинтез и биосинтез белков — примеры пластического обмена. Роль ядра, рибосом, эндоплазматической сети в биосинтезе белка. Ферментативный характер реакций биосинтеза, участие в нем разнообразных ферментов. Молекулы АТФ — источник энергии для биосинтеза.
4. Матричный характер реакций синтеза белков и нуклеиновых кислот в клетке. Последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК — матричная основа для расположения нуклеотидов в молекуле иРНК, а последовательность нуклеотидов в молекуле иРНК — матричная основа для расположения аминокислот в молекуле белка в определенном порядке.
5. Этапы биосинтеза белка:
1) транскрипция — переписывание в ядре информации о структуре белка с ДНК на иРНК. Значение дополнительности азотистых оснований в этом процессе. Молекула иРНК — копия одного гена, содержащего информацию о структуре одного белка. Генетический код — последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК, которая определяет последовательность аминокислот в молекуле белка. Кодирование аминокислот триплетами — тремя рядом расположенными нуклеотидами;
2) перемещение иРНК из ядра к рибосоме, нанизывание рибосом на иРНК. Расположение в месте контакта иРНК и рибосомы двух триплетов, к одному из которых подходит тРНК с аминокислотой. Дополнительность нуклеотидов иРНК и тРНК — основа взаимодействия аминокислот. Передвижение рибосомы на новый участок иРНК, содержащий два триплета, и повторение всех процессов: доставка новых аминокислот, их соединение с фрагментом молекулы белка. Движение рибосомы до конца иРНК и завершение синтеза всей молекулы белка.
6. Высокая скорость реакций биосинтеза белка в клетке. Согласованность процессов в ядре, цитоплазме, рибосомах — доказательство целостности клетки. Сходство процесса биосинтеза белка в клетках растений, животных и др. — доказательство их родства, единства органического мира
Пластический и энергетический обмены клетки (ассимиляция и диссимиляция)
В клетке обнаружены примерно тысяча ферментов. С помощью такого мощного каталитического аппарата осуществляется сложнейшая и многообразная химическая деятельность. Из громадного числа химических реакций клетки выделяются два противоположных типа реакций - синтез и расщепление.
Реакция синтеза. В клетке постоянно идут процессы созидания. Из простых веществ образуются более сложные, из низкомолекулярных - высокомолекулярные. Синтезируются белки, сложные углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты. Синтезированные вещества используются для построения разных частей клетки, ее органоидов, секретов, ферментов, запасных веществ. Синтетические реакции особенно интенсивно идут в растущей клетке, постоянно происходит синтез веществ для замены молекул, израсходованных или разрушенных при повреждении. На место каждой разрушенной молекулы белка или какого-нибудь другого вещества встает новая молекула. Таким путем клетка сохраняет постоянными свою форму и химический состав, несмотря на непрерывное их изменение в процессе жизнедеятельности.
Синтез веществ, идущий в клетке, называют биологическим синтезом или сокращенно биосинтезом.
Все реакции биосинтеза идут с поглощением энергии.
Совокупность реакций биосинтеза называют пластическим обменом или ассимиляцией (лат. "симилис" - сходный). Смысл этого процесса состоит в том, что поступающие в клетку из внешней среды пищевые вещества, резко отличающиеся от вещества клетки, в результате химических превращений становятся веществами клетки.
Реакции расщепления. Сложные вещества распадаются на более простые, высокомолекулярные - на низкомолекулярные. Белки распадаются на аминокислоты, крахмал - на глюкозу. Эти вещества расщепляются на еще более низкомолекулярные соединения, и в конце концов образуется совсем простые, бедные энергией вещества - СО2 и Н2О. Реакции расщепления в большинстве случаев сопровождаются выделением энергии. Биологическое значение этих реакций состоит в обеспечении клетки энергией. Любая форма активности - движение, секреция, биосинтез и др. - нуждается в затрате энергии.
Совокупность реакции расщепления называют энергетическим обменом клетки или диссимиляцией. Диссимиляция прямо противоположна ассимиляции: в результате расщепления вещества утрачивают сходство с веществами клетки.
Пластический и энергетический обмены (ассимиляция и диссимиляция) находятся между собой в неразрывной связи. С одной стороны, реакции биосинтеза нуждаются в затрате энергии, которая черпается из реакций расщепления. С другой стороны, для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный биосинтез, обслуживающих эти реакции ферментов, так как в процессе работы они изнашиваются и разрушаются.
Сложные системы реакций, составляющие процесс пластического и энергетического обменов, тесно связаны не только между собой, но и с внешней средой. Из внешней среды в клетку поступают пищевые вещества, которые служат материалом для реакций пластического обмена, а в реакциях расщепления из них освобождается энергия, необходимая для функционирования клетки. Во внешнюю среду выделяются вещества, которые клеткой больше не могут быть использованы.
Совокупность всех ферментативных реакций клетки, т. е. совокупность пластического и энергетического обменов (ассимиляции и диссимиляции), связанных между собой и с внешней средой, называют обменом веществ и энергии. Этот процесс является основным условием поддержания жизни клетки, источником ее роста, развития и функционирования.
АТФ как единое и универсальное энергетическое вещество. Все проявления жизнедеятельности, все функции клетки осуществляются с затратой энергии. Энергия требует для движения биосинтетических реакций, переноса веществ через клеточные мембраны, для любых форм клеточной активности.
Источником энергии в живых клетках, обеспечивающим все виды их деятельности, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Освобождающаяся при расщеплении АТФ энергия обеспечивает любые виды клеточных функций - движение, биосинтез, перенос веществ через мембраны и др. Так как запас АТФ в клетке невелик, то понятно, что по мере убыли АТФ содержание ее должно восстанавливаться. В действительности так и происходит. Биологический смыл остальных реакций энергетического обмена и состоит в том, что энергия, освобождающаяся в результате химических реакций окисления углеводов и других веществ, используется для синтеза АТФ, т. е. для восполнения ее запаса в клетке. При усиленной, но кратковременной работе, например при беге на короткую дистанцию, мышцы работают почти исключительно за счет распада содержащейся в них АТФ. После окончания бега спортсмен усиленно дышит, разогревается: в этот период происходит интенсивное окисление углеводов и других веществ для восполнения убыли израсходованной АТФ. При длительной и не очень напряженной работе содержание АТФ в клетках может существенно не изменяться, так как реакции окисления успевают обеспечить быстрое и полное восстановление израсходованной АТФ.
Итак, АТФ представляет единый и универсальный источник энергии для функциональной деятельности клетки. Отсюда понятно, что возможна передача энергии из одних частей клетки в другие и заготовка энергии впрок. Синтез АТФ может происходить в одном месте клетки и в одно время, а использоваться она может в другом месте и в другое время.
Синтез АТФ осуществляется главным образом в митохондриях. Именно поэтому митохондрии называют "силовыми станциями" клетки. Образовавшаяся здесь АТФ по каналам эндоплазматической сети направляется в те участки клетки, где возникает потребность в энергии.
Этапы энергетического обмена. Для изучения энергетического обмена клетки его удобно разделить на три последовательных этапа. Рассмотрим их на примере животной клетки.
Первый этап подготовительный. На этом этапе крупные молекулы углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот распадаются на мелкие молекулы: из крахмала образуется глюкоза, из жиров - глицерин и жирные кислоты, из белков - аминокислоты, из нуклеиновых кислот - нуклеотиды. Распад веществ на этом этапе сопровождается незначительным энергетическим эффектом. Вся освобождающаяся при этом энергии рассеивается в виде тепла.
Второй этап энергетического обмена называют бескислородным или неполным. Вещества, образовавшиеся в подготовительном этапе - глюкоза, глицерин, органические кислоты, аминокислоты и др. - вступают на путь дальнейшего распада. Это сложный, многоступенчатый процесс. Он состоит из ряда следующих одна за другой ферментативных реакций. Ферменты, обслуживающие этот процесс, расположены на внутриклеточных мембранах правильными рядами. Вещество, попав на первый фермент этого ряда, передвигается, как на конвейере, на второй фермент, далее - на третий и т. д. Это обеспечивает быстрое и эффективное течение процесса. Разберем его на примере бескислородного расщепления глюкозы, которое имеет специальное название - гликолиза. Гликолиз представляет собой ряд последовательных ферментативных реакций. Его обслуживает 13 различных ферментов, и в ходе его образуется более десятка промежуточных веществ. Многие промежуточные реакции гликолиза идут с участием фосфорной кислоты Н3РО4. В нескольких реакциях участвует АДФ. Не останавливаясь на деталях, укажем лишь, что на начальные ступени ферментного конвейера вступают шестиуглеродная глюкоза, Н3РО4 и АДФ, а с последних сходят трехуглеродная молочная кислота, АДФ и вода. Суммарное уравнение гликолиза должно быть записано так:
С6Н12О6+2Н3РО4+2АДФ =2С3Н6О3+2АТФ+2Н2О
Процесс гликолиза происходит у всех животных клеток и у некоторых микроорганизмов. Всем известное молочнокислое брожение (при скисании молока, образовании простокваши, сметаны, кефира) вызывается молочнокислыми грибами и бактериями. По механизму оно вполне тождественно гликолизу.
У растительных клеток и у некоторых дрожжевых грибов распад глюкозы осуществляется путем спиртового брожения. Спиртовое брожение, как и гликолиз, представляет длинный ряд ферментативных реакций, причем большая часть реакций гликолиза и спиртового брожения полностью совпадают, и только на самых последних этапах есть некоторые различия. В ряде промежуточных реакций спиртового брожения, как и при гликолизе, принимают участие Н3РО4 и АДФ. Конечными продуктами спиртового брожения являются двуокись углерода, этиловый спирт, АТФ и вода. Суммарное уравнение спиртового брожения следует записать так:
С6Н12О6+2Н3РО4+2АДФ = 2СО2+2С2Н5ОН+2АТФ+2Н2О
Из приведенных уравнений гликолиза и спиртового брожения видно, что в этих процессах не участвует кислород, поэтому их назвают бескислородными, или с неполным расщеплением, так как полное расщепление - это расщепление до конца, т. е. превращение глюкозы в простейшие соединения - СО2 и Н2О, что соответствует уравнению
С6Н12О6+6О2= 6СО2+6Н2О
Наконец, и это особенно важно, из уравнений следует, что при распаде одной молекулы глюкозы в ходе гликолиза и спиртового брожения образуются две молекулы АТФ. Следовательно, распад глюкозы в процессе гликолиза и спиртового брожения сопряжен с синтезом универсального энергетического вещества АТФ.
Так как синтез АТФ представляет эндотермический процесс, то, очевидно, энергия для синтеза АТФ черпается за счет энергии реакций бескислородного расщепления глюкозы. Следовательно, энергия, освобождающаяся в ходе реакций гликолиза, не вся переходит в тепло. Часть ее идет на синтез двух богатых энергией фосфатных связей.
Произведем несложный расчет: всего в ходе бескислородного расщепления грамм-молекулы глюкозы, освобождается 200 кдж (50 ккал). На образование одной связи, богатой энергией, при превращении грамм-молекулы АДФ и АТФ затрачивается 40 кдж (10 ккал).
В ходе бескислородного расщепления образуются две такие связи. Таким образом, в энергию двух грамм-молекул АТФ переходит 2Х40=80 кдж (2Х10=20 ккал). Итак, из 200 кдж (50 ккал) только 80 (20) сберегаются в виде АТФ, а 120 (30 ккал) рассеиваются в виде тепла. Следовательно, в ходе бескислородного расщепления глюкозы 40% энергии сберегается клеткой.
Третий этап энергетического обмена - стадия кислород-ного, или полного расщепления, или дыхания. Продукты, возникшие в предшествующей стадии, окисляются до конца, т. е. до СО2 и Н2О.
Основное условие осуществления этого процесса - наличие в окружающей среде кислорода и поглощение его клеткой. Стадия кислородного расщепления, как и предыдущая стадия бескислородного расщепления, представляет собой ряд последовательных ферментативных реакций. Каждая реакция катализируется особым ферментом.
Весь ферментативный ряд кислородного расщепления сосредоточен в митохондриях, где ферменты расположены на мембранах правильными рядами. Сущность каждой из реакций состоит в окислении органической молекулы, которая с каждой ступенью постепенно разрушается и превращается в конечные продукты окисления - СО2 и Н2О.
Все промежуточные реакции кислородного расщепления, как и промежуточные реакции бескислородного процесса, идут с освобождением энергии. Количество энергии, освобождаемой на каждой ступени при кислородном процессе, много больше, чем на каждой ступени бескислрородного процесса. В сумме кислородное расщепление дает громадную величину - 2600 кдж (650 ккал). Если бы вся эта энергия освободилась в результате одной реакции, клетка подверглась бы тепловому повреждению. При рассредоточении процесса на ряд промежуточных звеньев такой опасности нет.
Подробное исследование реакций кислородного расщепления показало, что в этих реакциях, как и в реакциях бескислородного процесса, принимает участие Н3РО4 и АДФ и что кислородный процесс, как и бескислородный, сопряжен с синтезом АТФ. В ходе кислородного расщепления двух трехуглеродных молекул происходит образование 36 молекул АТФ - 36 богатых энергией фосфатных связей. Таким образом, суммарное уравнение кислородного процесса можно записать так:
2С3Н6О3+6О2+36Н3РО4+36АДФ =6СО2+6Н2О+36АТФ+36Н2О, а суммарное уравнение полного расщепления глюкозы так:
С6Н12О6+6О2+38Н3РО4+38АДФ =6СО2+6Н2О+38АТФ+38Н2О
Теперь должно быть ясно значение для клетки третьей, кислородной стадии энергетического обмена. Если в ходе бескислородного расщепления освобождается 200 кдж/моль (50 ккал/моль) глюкозы, то в стадии кислородного процесса освобождается 2600 кдж (650 ккал), т. е. в 13 раз больше. Если в ходе бескислородного расщепления синтезируются две молекулы АТФ, то в кислородную стадию их образуется 36, т. е. в 18 раз больше. Иными словами, в ходе расщепления глюкозы в клетке на стадии кислородного процесса освобождается и преобразуется в другие формы энергии свыше 90% энергии глюкозы.
Займемся снова расчетом. Всего в процессе расщепления глюкозы до СО2 и Н2О, т. е. в ходе кислородного и бескислородного процессов, синтезируется 2+36=38 молекул АТФ. Таким образом, в потенциальную энергию АТФ переходит 38 Х 40=1520 кдж (38 Х 10=380 ккал). Всего при расщеплении глюкозы (в бескислродную и кислородную стадии) освобождается 200+2600=2800 кдж (50+650= 700 ккал). Следовательно, почти 55% всей энергии, освобождаемой при расщеплении глюкозы, сберегается клеткой в форме АТФ. Остальная часть (45%) рассеивается в виде тепла. Чтобы оценить значение этих цифр, вспомним, что в паровых машинах из энергии, освобождаемой при сгорании угля, в полезную форму преобразуется не более 12 - 15%. В двигателях внутреннего сгорания он достигает примерно 35%. Таким образом, по эффективности преобразования энергии живая клетка превосходит все известные преобразователи энергии в технике.
При сопоставлении количества энергии, освобождаемой в ходе бескислородного и кислородного расщепления глюкозы, а также числа молекул АТФ, синтезируемых в обе стадии, видно, что кислородный процесс несравненно более эффективен, чем бескислородный. Вполне понятно поэтому, что в нормальных условиях для мобилизации энергии в клетке всегда используется как бескислородный, так и кислородный путь расщепления. Если осуществление кислородного процесса затруднено или вовсе невозможно, например при недостатке кислорода, тогда для поддержания жизни остается только бескислородный процесс. Но при этом для получения АТФ в количестве, необходимом для жизнедеятельности, клетке приходится расщеплять очень большое количество глюкозы.
Дыхание и горение. Окисление органических веществ, происходящее в клетке, часто сравнивают с горением: в обоих случаях происходит поглощение кислорода и выделение СО2 и Н2О. Однако между этими процессами имеются глубокие различия. Дыхание представляет высокоупорядоченный, многоэтапный процесс. Благодаря участию в нем ферментов оно идет с достаточной скоростью при температуре, несравненно более низкой, чем горение. Принципиально отличается в обоих процессах способ преобразования химической энергии расщепляемых веществ. При горении вся энергия переходит в тепловую. Дальнейшее использование ее для производства работы всегда происходит с низким к. п. д. При биологическом окислении главная часть энергии переходит в химическую энергию универсального энергетического вещества - АТФ, которое в дальнейшем используется клеткой с к. п. д., недостижимым для тепловых двигателей.
sbio.info
