Обмен энергии в клетке растений: Обмен веществ у растений — урок. Биология, 6 класс.

Энергия в клетке. Использование и хранение / Хабр

Всем привет! Эту статью я хотел посвятить клеточному ядру и ДНК. Но перед этим нужно затронуть то, как клетка хранит и использует энергию (спасибо spidgorny). Мы будем касаться вопросов связанных с энергией почти везде. Давайте заранее в них разберемся.  

Из чего можно получать энергию? Да из всего! Растения используют световую энергию. Некоторые бактерии тоже. То есть органические вещества синтезируются из неорганических за счет световой энергии. + Есть хемотрофы. Они синтезируют органические вещества из неорганических за счет энергии окисления аммиака, сероводорода и др. веществ. А есть мы с вами. Мы — гетеротрофы. Кто это такие? Это те, кто не умеет синтезировать органические вещества из неорганических. То есть хемосинтез и фотосинтез, это не для нас. Мы берем готовую органику (съедаем). Разбираем ее на кусочки и либо используем, как строительный материал, либо разрушаем для получения энергии.

Что конкретно мы можем разбирать на энергию? Белки (сначала разбирая их на аминокислоты), жиры, углеводы и этиловый спирт (но это по желанию). То есть все эти вещества могут быть использованы, как источники энергии. Но для ее хранения мы используем жиры и углеводы. Обожаю углеводы! В нашем теле основным запасающим углеводом является гликоген.

Он состоит из остатков глюкозы. То есть это длинная, разветвленная цепочка, состоящая из одинаковых звеньев (глюкозы). При необходимости в энергии мы отщепляем по одному кусочку с конца цепи и окисляя его получаем энергию. Такой способ получения энергии характерен для всех клеток тела, но особенно много гликогена в клетках печени и мышечной ткани.

Теперь поговорим о жире. Он хранится в специальных клетках соединительной ткани. Имя им — адипоциты. По сути это клетки с огромной жировой каплей внутри.

При необходимости, организм достает жир из этих клеток, частично расщепляет и транспортирует. По месту доставки происходит окончательное расщепление с выделением и преобразованием энергии.

Довольно популярный вопрос: «Почему нельзя хранить всю энергию в виде жира, или гликогена?»

У этих источников энергии разное назначение. Из гликогена энергию можно получить довольно быстро. Его расщепление начинается почти сразу после начала мышечной работы, достигая пика к 1-2 минуте. Расщепление жиров протекает на несколько порядков медленней. То есть если вы спите, или медленно куда-то идете — у вас постоянный расход энергии, и его можно обеспечить расщепляя жиры. Но как только вы решите ускориться (упали сервера, побежали поднимать), резко потребуются много энергии и быстро ее получить расщепляя жиры не получится. Тут нам и нужен гликоген.

Есть еще одно важное различие. Гликоген связывает много воды. Примерно 3 г воды на 1 г гликогена. То есть, для 1 кг гликогена это уже 3 кг воды. Не оптимально… С жиром проще. Молекулы липидов (жиры=липиды), в которых запасается энергия не заряжены, в отличие от молекул воды и гликогена. Такие молекулы называется гидрофобными (дословно, боящимися воды). Молекулы воды же поляризованы. Примерно так это выглядит.

По сути, положительно заряженные атомы водорода взаимодействуют с отрицательно заряженными атомами кислорода. Получается стабильное и энергетически выгодное состояние.

Теперь представим молекулы липидов. Они не заряжены и не могут нормально взаимодействовать с поляризованными молекулами воды. Поэтому смесь липидов с водой энергетически невыгодна. Молекулы липидов не способны адсорбировать воду, как это делает гликоген. Они «кучкуются» в так называемые липидные капли, окружаются мембраной из фосфолипидов (одна их сторона заряжена и обращена к воде снаружи, вторая — не заряжена и смотрит на липиды капли). В итоге, у нас есть стабильная система, эффективно хранящая липиды и ничего лишнего.

Окей, мы разобрались с тем, в каких формах хранится энергия. А что с ней происходит дальше? Вот отщепили мы молекулу глюкозы от гликогена. Превратили ее в энергию. Что это значит?

Сделаем небольшое отступление.

В клетке происходит порядка 1.000.000.000 реакций каждую секунду. При протекании реакции одно вещество трансформируется в другое. Что при этом происходит с его внутренней энергией? Она может уменьшаться, увеличиваться или не меняться. Если она уменьшается -> происходит выделение энергии. Если увеличивается -> нужно взять энергию из вне. Организм обычно совмещает такие реакции. То есть энергия, выделившаяся при протекании одной реакции идет на проведение второй.

Так вот в организме есть специальные соединения, макроэрги, которые способны накапливать и передавать энергию в ходе реакции. В их составе есть одна, или несколько химических связей, в которых и накапливается эта энергия. Теперь можно вернуться к глюкозе. Энергия выделившаяся при ее распаде запасется в связях этих макроэргов.

Разберем на примере.

Самым распространенным макроэргом (энергетической валютой) клетки является АТФ (Аденозинтрифосфат).

Выглядит примерно так.

В его состав входит азотистое основание аденин (одно из 4, используемых для кодирования информации в ДНК), сахар рибоза и три остатка фосфорной кислоты (поэтому и АденозинТРИфосфат). Именно в связях между остатками фосфорной кислоты накапливается энергия. При отщеплении одного остатка фосфорной кислоты образуется АДФ (АденозинДИфосфат). АДФ может выделять энергию, отрывая еще один остаток и превращаясь в АМФ (АденозинМОНОфосфат). Но эффективность отщепленная второго остатка намного ниже. Поэтому, обычно, организм стремится из АДФ снова получить АТФ. Происходит это примерно так. При распаде глюкозы, выделяющаяся энергия тратится на образование связи между двумя остатками фосфорной кислоты и образование ATP. Процесс многостадийный и пока мы его опустим.

Получившийся АТФ является универсальным источником энергии. Он используется везде, начиная от синтеза белка (для соединения аминокислот нужна энергия), заканчивая мышечной работой. Моторные белки, осуществляющие мышечное сокращение используют энергию, запасенную в АТФ, для изменения своей конформации. Изменение конформации это переориентация одной части большой молекулы относительно другой. Выглядит примерно так.

То есть химическая энергия связи переходит в механическую энергию. Вот реальные примеры белков, использующих АТФ для осуществления работы.

Знакомьтесь, это миозин. Моторный белок. Он осуществляет перемещение крупных внутриклеточных образований и участвует в сокращении мышц. Обратите внимание, у него имеется две «ножки». Используя энергию запасенную в 1 молекуле АТФ он осуществляет одно конформационное изменение, по сути один шаг. Самый наглядный пример перехода химической энергии АТФ в механическую.

Второй пример — Na/K насос. На первом этапе он связывает три молекулы Na и одну АТФ. Используя энергию АТФ, он меняет конформацию, выбрасывая Na из клетки. Затем он связывает две молекулы калия и, возвращаясь к исходной конформации, переносит калий в клетку. Штука крайне важная, позволяет поддерживать уровень внутриклеточного Na в норме.

А если серьезно, то:

Пауза. Зачем нам АТФ? Почему мы не можем использовать запасенную в глюкозе энергию напрямую? Банально, если окислить глюкозу до CO2 за один раз, мгновенно выделится экстремально много энергии. И большая ее часть рассеется в виде тепла. Поэтому реакция разбивается на стадии. На каждой выделяется немного энергии, она запасается, и реакция продолжается пока вещество полностью не окислиться.

Подитожу. Запасается энергия в жирах и углеводах. Из углеводов ее можно извлечь быстрее, но в жирах можно запасти больше. Для проведения реакций клетка использует высокоэнергетические соединения, в которых запасается энергия распада жиров, углеводов и тд… АТФ — основное такое соединение в клетке. По сути, бери и используй. Однако не единственное. Но об этом позже.

P.S. Я попытался максимально упростить материал, поэтому появились некоторые неточности. Прошу ревностных биологов меня простить.

Карта сайта

16.

2D: Газообмен в растениях

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Джон В. Кимбалл
• Университет Тафтса и Гарвард

Для осуществления фотосинтеза зеленым растениям необходим запас углекислого газа и средства удаления кислорода . Для осуществления клеточного дыхания растительным клеткам требуется кислород и средства утилизации углекислого газа (так же, как клетки животных). В отличие от животных, у растений нет специализированных органов для газообмена (за немногими неизбежными исключениями!). Есть несколько причин, по которым они могут обойтись без них:

• Каждая часть растения заботится о своих собственных потребностях в газообмене. Хотя растения имеют сложную систему транспортировки жидкости, она не участвует в транспорте газа.
• Корни, стебли и листья дышат со скоростью, намного меньшей, чем характерно для животных. Только во время фотосинтеза происходит обмен большими объемами газов, и каждый лист хорошо приспособлен для удовлетворения собственных потребностей.
• Расстояние, на которое должны диффундировать газы даже в большой установке, невелико. Каждая живая клетка в растении расположена близко к поверхности. Хотя это очевидно для листьев, это верно и для стеблей. только живых клеток в стебле организованы в тонкие слои прямо под корой. Клетки внутри мертвы и служат только для механической поддержки.
• Большинство живых клеток растений имеют, по крайней мере, часть своей поверхности, контактирующей с воздухом. Рыхлая упаковка клеток паренхимы в листьях, стеблях и корнях образует сообщающуюся систему воздушных пространств. Газы диффундируют через воздух в несколько тысяч раз быстрее, чем через воду. Как только кислород и углекислый газ достигают сети межклеточных воздушных пространств (стрелки), они быстро диффундируют через них.
• Кислород и углекислый газ также проходят через клеточную стенку и плазматическую мембрану клетки путем диффузии. Диффузии углекислого газа могут способствовать аквапориновые каналы, встроенные в плазматическую мембрану.

Листья

Обмен кислорода и углекислого газа в листе (а также потеря водяного пара при транспирации) происходит через поры, называемые устьицами (единственное число = устьица).

Рисунок 16.2.4.1 Устьица

Обычно устьица открываются, когда свет падает на лист утром, и закрываются ночью. Непосредственной причиной является изменение тургора камеры охраны . Внутренняя стенка каждой замыкающей клетки толстая и эластичная. Когда внутри двух замыкающих клеток, окружающих каждое устьице, развивается тургор, тонкие наружные стенки выпячиваются и заставляют внутренние стенки принимать форму полумесяца. Это открывает стому. Когда замыкающие клетки теряют тургор, эластичные внутренние стенки восстанавливают свою первоначальную форму, и стома закрывается.

В таблице показано осмотическое давление, измеренное в разное время суток в типичных замыкающих камерах. Осмотическое давление в других клетках нижнего эпидермиса оставалось постоянным и составляло 150 фунтов/дюйм 9 . 0071 2 (~1000 кПа, кПа). Когда осмотическое давление замыкающих клеток становилось выше осмотического давления окружающих клеток, устьица открывались. Вечером, когда осмотическое давление замыкающих клеток падало почти до осмотического давления окружающих клеток, устьица закрывались.

Открывающиеся устьица

Повышение осмотического давления в замыкающих клетках вызывается поглощением ионов калия (К ⁺ ). Концентрация К ⁺ в открытых замыкающих клетках значительно превышает концентрацию в окружающих клетках. Вот как он накапливается:

• Синий свет поглощается фототропином , который активирует протонный насос (Н ⁺ -АТФаза) в плазматической мембране замыкающей клетки.
• АТФ, образующийся в результате световых реакций фотосинтеза, приводит в действие насос.
• По мере того, как протоны (H ⁺ ) выкачиваются из клетки, ее внутренняя часть становится все более отрицательной.
• Это привлекает дополнительные ионы калия в клетку, повышая ее осмотическое давление.

Закрывающиеся устьица

Хотя открытые устьица необходимы для фотосинтеза, они также подвергают растение риску потери воды в результате транспирации. Около 90% поглощаемой растением воды теряется при транспирации. У покрытосеменных и голосеменных растений (но не у папоротников и плауновидных) абсцизовая кислота (АБК) является гормоном, вызывающим закрытие устьиц, когда почвенная вода недостаточна для обеспечения транспирации (что часто происходит около полудня).

Механизм:

• АБК связывается с рецепторами на поверхности плазматической мембраны замыкающих клеток.
• Рецепторы активируют несколько взаимосвязанных путей, которые сходятся, чтобы произвести
  • повышение рН в цитозоле
  • перенос Ca ²⁺ из вакуоли в цитозоль
• Эти изменения стимулируют потерю из клетки отрицательно заряженных ионов (анионов), особенно NO ₃ ⁻ и Cl ⁻ , а также потерю K ⁺ с сотового.
• Потеря этих растворенных веществ в цитозоле снижает осмотическое давление клетки и, таким образом, тургор.
• Устьица закрываются.

Открытые устьица также обеспечивают отверстие, через которое бактерии могут проникнуть внутрь листа. Однако замыкающие клетки имеют рецепторы, которые могут обнаруживать присутствие молекул, связанных с бактериями, называемых патоген-ассоциированными молекулярными паттернами (PAMP). ЛПС и флагеллин являются примерами. Когда замыкающие клетки обнаруживают эти PAMP, ABA опосредует закрытие устьица и, таким образом, закрывает дверь для проникновения бактерий.

Эта система врожденного иммунитета напоминает ту, что встречается у животных.

Плотность устьиц

Плотность устьиц на растущих листьях зависит от таких факторов, как температура , влажность и интенсивность света вокруг растения. Это также зависит от концентрации углекислого газа в воздухе вокруг листьев. Отношение обратное ; то есть как концентрация CO ₂ увеличивается, количество образующихся устьиц уменьшается, и наоборот. Некоторые доказательства:

• Растения, выращенные в искусственной атмосфере с высоким уровнем CO ₂ , имеют меньше устьиц, чем обычно.
• Образцы гербария показывают, что количество устьиц у данного вида снижалось за последние 200 лет — время промышленной революции и повышения уровня CO ₂ в атмосфере.

Эти данные могут быть определены количественно путем определения устьичный индекс : отношение количества устьиц в данной области к общему количеству устьиц и других эпидермальных клеток в той же области.

Вопросы и ответы

Как растение определяет, сколько устьиц нужно произвести?

Оказывается, зрелые листья растения определяют условия вокруг себя и посылают сигнал (его природа пока неизвестна, но см. ниже*), который регулирует количество устьиц, которые образуются на развивающихся листьях.

Два эксперимента (сообщено Лейком и др., в Nature , 411 :154, 10 May 2001):

• Когда зрелые листья растения ( Arabidopsis ) помещают в стеклянные пробирки, наполненные высоким уровнем (720 ppm) CO ₂ , у развивающихся листьев меньше устьиц, чем обычно, даже если они растут в обычном воздухе (360 частей на миллион).
• И наоборот, когда зрелые листья находятся в условиях нормального воздуха (360 частей на миллион CO ₂ ), а побеги подвергаются воздействию высокой концентрации CO ₂ (720 частей на миллион), новые листья развиваются с нормальным устьичным индексом.

*Одним сигналом, увеличивающим плотность устьиц у 2-дневных проростков арабидопсиса (экспериментальная установка отличается от описанной выше), является пептид из 45 аминокислот, называемый stomagen , который высвобождается клетками мезофилла и индуцирует образование устьиц. в эпидермисе сверху.

Устьица показывают прошлые уровни углекислого газа

Поскольку уровни CO ₂ и устьичный индекс обратно пропорциональны, могут ли ископаемые листья рассказать нам о прошлых уровнях CO ₂ в атмосфере? Да. Как сообщает Грегори Реталлак (в Nature , 411 :287, 17 мая 2001 г.), его изучение ископаемых листьев гинкго и его родственников показывает: период (275–290 млн лет назад) и снова в эпоху плейстоцена (1–8 млн лет назад). Оба эти периода, как известно из геологических данных, были периодами низкого уровня углекислого газа в атмосфере и ледниковыми периодами (с ледниками).

Эти исследования также подтверждают важность двуокиси углерода как парникового газа, играющего важную роль в глобальном потеплении.

Корни и стебли

Одревесневшие стебли и зрелые корни покрыты слоями мертвых пробковых клеток, пропитанных суберином — воскообразным водостойким (и воздухонепроницаемым) веществом. Таким образом, пробка так же непроницаема для кислорода и углекислого газа, как и для воды. Однако пробка как зрелых корней, так и одревесневших стеблей продырявлена ​​неопробковевшими порами, называемыми 9.0032 чечевицы . Они позволяют кислороду достигать межклеточных пространств внутренних тканей и выделять углекислый газ в атмосферу.

Рисунок 16.2.4.2 Чечевички. На фото чечевички в коре молодого стебля.

У многих однолетних растений стебли зеленые и почти так же важны для фотосинтеза, как и листья. Эти стебли используют устьица, а не чечевицы для газообмена.

Эта страница под названием 16.2D: Газообмен в растениях распространяется под лицензией CC BY 3.0 и была создана, изменена и/или курирована Джоном В. Кимбаллом с использованием исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts. ; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Джон В. Кимбалл

   Лицензия

   СС BY

   Версия лицензии

   3,0

   Показать оглавление

   нет

2. Теги

   1. камеры охраны
   2. лист
   3. источник@https://www.biology-pages.info/
   4. устьица
   5. устьичный индекс

Элементы преобразования энергии и роста растений

Всем растениям требуется 17 элементов для завершения своего жизненного цикла. Углерод, водород и кислород получают из воздуха и воды. Остальные 14 элементов растения получают из почвы, которую часто обогащают удобрениями и добавками. Рост и развитие растений во многом зависят от сочетания и концентрации доступных минеральных элементов питания.

Около половины основных элементов считаются макроэлементами: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний и сера. Углерод необходим для образования углеводов, белков, нуклеиновых кислот и многих других соединений, что делает его важным компонентом всех макромолекул (молекул, образующихся в результате соединения более мелких субъединиц). В среднем сухой вес (то есть без учета воды) клетки на 50 процентов состоит из углерода, что делает его ключевой частью растительных биомолекул. Существует четыре основных класса биологических макромолекул — углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Они хранят энергию и действуют как химические мессенджеры.

Вторым по распространенности элементом в растительных клетках является азот. Вот почему мы придаем значение соотношению углерода и азота. Азот входит в состав белков и нуклеиновых кислот, а также используется в синтезе некоторых витаминов. Водород и кислород входят в состав многих органических соединений, а также образуют воду. Кислород необходим для клеточного дыхания, поскольку растения используют кислород для хранения энергии в форме АТФ. Аденозин-5′-трифосфат, или АТФ, является основной молекулой для хранения и передачи энергии в клетках. Растения захватывают и хранят энергию, которую они получают от света во время фотосинтеза, в молекулах АТФ. Его часто называют энергетической валютой клетки, и его можно сравнить с хранением денег в банке. АТФ может использоваться для хранения энергии для будущих реакций, т. е. изыматься для оплаты реакций, когда клетке требуется энергия.

Фосфор необходим для синтеза нуклеиновых кислот и фосфолипидов. Являясь частью АТФ, фосфор позволяет преобразовать энергию пищи в химическую энергию посредством окислительного фосфорилирования, на заключительном этапе клеточного дыхания или энергии света преобразуется в химическую энергию. Сера также играет роль в фотосинтезе как часть цепи переноса электронов, которая является ключевой для преобразования энергии света в АТФ.