Обмен веществ и превращение энергии в клетке

Фотосинтез

Основным источником энергии для всех живых существ служит энергия солнечного света, но только клетки зеленых растений, зеленых и пурпурных бактерий способны синтезировать органические вещества - углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты за счет энергии солнечного света.

Фотосинтез (от греч.- свет и - соединение, связывание) — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии хлорофилла (Рис.6.3.).

Рис. 6.3. Общая схема фотосинтеза

 

Все реакции фотосинтеза происходят в хлоропластах - органоидах, расположенных в цитоплазме растительной клетки. В процессе фотосинтеза различают световую и темновую фазы. (Рис. 6.4.).

Рис. 6.4. Схема фотосинтеза

В первую фазу реакция зависит от света, в спектре которого есть красные и синие лучи. Молекула хлорофилла улавливает энергию фотона света и трансформирует ее в химическую энергию; при этом происходит расщепление молекулы воды (фотолиз) и синтез ATФ. При разложении воды образуются свободный кислород и атомы водорода. Кислород - побочный продукт этой реакции (Рис. 6.5.).

Рис. 6.5. Реакция фотолиза.

Вторая фаза не зависит от света. Атомы водорода используются для синтеза глюкозы, при этом АТФ обеспечивает достаточное количество энергии. На всех этапах фотосинтеза принимают участие соединения, содержащие фосфор. АТФ образуется из АДФ путем присоединения к нему еще одного фосфата (H₃РО₄). Процесс фотосинтеза можно записать в виде реакции:

6 CO₂ + 6 H₂O + световая энергия + хлорофилл -> C₆H₁₂O₆ + 6 O_{2 .}

Глюкоза (C₆H₁₂O₆) - это топливо, которое образуется в процессе фотосинтеза и используется растением для построения листьев, стеблей и т.п.

Первые клетки, способные использовать энергию солнечного света, появились на Земле примерно 3 млрд. лет тому назад в архейскую эру. Это были одноклеточные сине-зеленые водоросли. Их окаменелые остатки были найдены в слоях сланцев, относящихся к этому периоду в истории Земли. Потребовалось еще около 1,5 млрд. лет для насыщения атмосферы Земли кислородом и возникновения аэробных клеток, способных использовать кислород для получения энергии.

 

 

В результате бескислородного неполного окисления глюкозы образуются всего только две молекулы АТФ.

Если в клетке уже имеется кислород, то молекула ПВК не восстанавливается до молочной кислоты, а переносится в митохондрии, где подвергается при участии кислорода полному окислению до CO₂ и H₂O (как при горении) с образованием 36 АТФ.

Энергетический выигрыш аэробного гликолиза в молекулах АТФ, значительно выше, чем при анаэробном гликолизе.

Горением?

а) синтез АТФ б) выделение кислорода в) участие ферментов г) образование CO₂

5. Органические вещества образуются из неорганических в результате:

а) гликолиза б) фотосинтеза в) синтеза АТФ г) синтеза белка

6. АТФ считают основным источником энергии в клетке, так как:

а) преобразует энергию света б) это нуклеотид в) это фермент

г) содержит богатые энергией связи

7. Метаболизм складывается из двух взаимосвязанных и противоположно направленных процессов:

а) синтеза и распада б) жизни и смерти в) возбуждения и торможения

г) поглощения кислорода и выделения углекислого газа

8. Свободный кислород выделяется в процессе фотосинтеза в результате расщепления молекулы:

а) хлорофилла б) воды в) углекислого газа г) АТФ

9. К гетеротрофам принадлежат:

а) белка б) одуванчик в) береза г) картофель

10. В процессе аэробного гликолиза при расщеплении 1 молекулы глюкозы образуется:

а) 1 молекула АТФ б) 2 молекулы АТФ в) 18 молекул АТФ г) 36 молекул АТФ

11. В результате процесса анаэробного гликолиза при расщеплении 1 молекулы глюкозы образуется:

а) 1 молекула АТФ б) 2 молекулы АТФ в) 18 молекул АТФ г) 36 молекул АТФ

 

1. Решите кроссворд «Энергетический обмен в клетке»

1. По горизонтали. Завершающий этап энергетического обмена у аэробных организмов. По вертикали.Процесс разрушения органических веществ и превращения их в более простые соединения.
2. Место протекания реакций бескислородного расщепления.
3. Организмы, нуждающиеся в кислороде для осуществления энергетического обмена.
4. Число, обозначающее во сколько раз образуется больше молекул АТФ при полном кислородном расщеплении, чем при бескислородном.
5. Бескислородное расщепление молекул глюкозы.
6. Кислота, в которую превращается пировиноградная кислота на завершающем этапе гликолиза.
7. Стадия энергетического обмена в клетке, в результате которой образуется этиловый спирт.
8. Продукт подготовительной стадии энергетического обмена, мономер важнейших полисахаридов.
9. Один из полисахаридов, мономером которого является глюкоза.
10. Сокращенное название молекул – аккумуляторов энергии.
11. Продукт жизнедеятельности дрожжей.
12. Газ, выделяемый аэробными организмами в процессе дыхания.

1. Заполните таблицу:

Обмен веществ и превращение энергии в клетке

 

1. Пластический и энергетический обмен.

2. Фотосинтез.

3. Этапы энергетического обмена.

 

1. Пластический и энергетический обмен

Обмен веществ (метаболизм) — совокупность химических реакций в клетке: синтеза (пластический обмен) и расщепления (энергетический обмен).

Обмен веществ — основной признак жизни.

Функции клеточного обмена веществ:

1) обеспечение клетки строительным материалом, необходимым для образования клеточных структур;

2) снабжение клетки энергией, которая используется на процессы жизнедеятельности (синтез веществ, их транспорт и др.).

Пластический обмен — синтез молекул белков из аминокислот, полисахаридов из моносахаридов, жиров из глицерина и жирных кислот, нуклеиновых кислот из нуклеотидов, использование на эти реакции энергии, освобождаемой в процессе энергетического обмена.

Энергетический обмен — окисление органических веществ (углеводов, жиров, белков) и синтез богатых энергией молекул АТФ за счет освобождаемой энергии.

 

Это две стороны единого процесса обмена веществ, так как для пластического обмена необходима энергия АТФ, а энергетический обмен не возможен без органоидов клетки, для образования и обновления которых необходимы белки и другие вещества, синтезированные в реакциях пластического обмена.

Будучи заключенной в химических связях органических веществ, энергия недоступна для использования клетками. Для этого потенциальная энергия органических молекул должна быть высвобождена и переведена в пригодную для использования форму.

АТФ - аденозинтрифосфорная кислота - аккумулятор энергии в клетке.

По химической структуре АТФ - нуклеотид, который включает азотистое основание (аденин), углевод (рибозу) и 3 остатка фосфорной кислоты (Рис. 6.1.).

 

Рис. 6.1. Состав молекулы АТФ,

где ~ макроэргические связи (богатые энергией).

АТФ - неустойчивая структура. Быстрее под влиянием фермента в АТФ разрывается связь между Р и О и к освободившимся связям присоединяется одна молекула воды, причем отщепляется одна молекула фосфорной кислоты.
АТФ переходит в АДФ, т. е. в аденозиндифосфорную кислоту.

АТФ + H₂O + фермент → АДФ + H₃PO₄ + энергия

Если отщепляется ещё одна молекула фосфорной кислоты, то АДФ переходит в АМФ, т. е. в аденозинмонофосфорную кислоту.

АДФ + H₂O + фермент → АМФ + H₃PO₄ + энергия(40 кДж)

Реакция отщепления каждой молекулы фосфорной кислоты от АТФ сопровождается большим энергетическим эффектом - почти 40 кДж. Чтобы подчеркнуть такую особенно высокую энергетическую эффективность фосфорно-кислородной связи в АТФ, ее называют связью, богатой энергией, или макроэргической связью и обозначают знаком ~. В АТФ имеются две макроэргические связи.

По способу получения энергии организмы делятся на 2 группы:

· автотрофы — организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических с помощью солнечной энергии (фототрофы) или энергии, выделяющейся при окислении неорганических веществ (хемотрофы)

· гетеротрофы — организмы, использующие для своей жизнедеятельности органические вещества, синтезированные другими организмами.

Рис. 6.2. Способы получения энергии живыми существами

Фотосинтез

Основным источником энергии для всех живых существ служит энергия солнечного света, но только клетки зеленых растений, зеленых и пурпурных бактерий способны синтезировать органические вещества - углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты за счет энергии солнечного света.

Фотосинтез (от греч.- свет и - соединение, связывание) — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии хлорофилла (Рис.6.3.).

Рис. 6.3. Общая схема фотосинтеза

 

Все реакции фотосинтеза происходят в хлоропластах - органоидах, расположенных в цитоплазме растительной клетки. В процессе фотосинтеза различают световую и темновую фазы. (Рис. 6.4.).

Рис. 6.4. Схема фотосинтеза

В первую фазу реакция зависит от света, в спектре которого есть красные и синие лучи. Молекула хлорофилла улавливает энергию фотона света и трансформирует ее в химическую энергию; при этом происходит расщепление молекулы воды (фотолиз) и синтез ATФ. При разложении воды образуются свободный кислород и атомы водорода. Кислород - побочный продукт этой реакции (Рис. 6.5.).

Рис. 6.5. Реакция фотолиза.

Вторая фаза не зависит от света. Атомы водорода используются для синтеза глюкозы, при этом АТФ обеспечивает достаточное количество энергии. На всех этапах фотосинтеза принимают участие соединения, содержащие фосфор. АТФ образуется из АДФ путем присоединения к нему еще одного фосфата (H₃РО₄). Процесс фотосинтеза можно записать в виде реакции:

6 CO₂ + 6 H₂O + световая энергия + хлорофилл -> C₆H₁₂O₆ + 6 O_{2 .}

Глюкоза (C₆H₁₂O₆) - это топливо, которое образуется в процессе фотосинтеза и используется растением для построения листьев, стеблей и т.п.

Первые клетки, способные использовать энергию солнечного света, появились на Земле примерно 3 млрд. лет тому назад в архейскую эру. Это были одноклеточные сине-зеленые водоросли. Их окаменелые остатки были найдены в слоях сланцев, относящихся к этому периоду в истории Земли. Потребовалось еще около 1,5 млрд. лет для насыщения атмосферы Земли кислородом и возникновения аэробных клеток, способных использовать кислород для получения энергии.