Тема 9: «Биоэнергетика и метаболизм у автотрофов и гетеротрофов. Окислительно-восстановительные реакции».

 

Организмы, в зависимости от способа получения энергии делятся на 2 группы: фототрофы - используют энергию Солнца; хемотрофы - используют энергию химических связей химических соединений. Каждая из названых групп делится еще на 2 группы в зависимости от источника углерода и доноров электронов: литотрофы - используют углерод углекислого газа, а в качестве доноров электронов используют неорганические вещества: воду, сероводород, аммиак, водород, серу и др; органотрофы - потребляют углерод органических веществ, органические вещества являются и донорами электронов и протонов. Конечным акцептором электронов в окислительно-восстановительных реакциях у организмов могут быть: кислород, нитраты, сульфаты, органические вещества и др. Если конечным акцептором электронов является кислород, то организмы относят к аэробам. Если не кислород - анаэробам. В результате вышеприведенных рассуждений, все организмы делятся: фотолитотрофы, фотоорганотрофы, хемолитотрофы и хемоорганотрофы. Среди них могут быть аэробы и анаэробы. Типичным представителем фотолитотрофов следует считать зеленые клетки вы- сших растений. Они в качестве источника углерода используют углекислый газ, в качестве источника энергии - свет, донором электронов является вода. К хемоорганотрофам относятся животные. У них источник углерода - органи- ческие вещества, источник энергии - окислительно-восстановительные реакции, донором электронов являются также органические соединения. К двум остальным группам: фотоорганотрофам и хемолитотрофам относятся различные представители бактерий.

Пластический обмен

Все химические реакций живой клетки можно разделить на два типа: реакции синтеза (биосинтеза), с помощью которых осуществляется пластический обмен, и реакции расщепления - энергетический обмен.

Обмен веществ и энергии - это совокупность физических, химических и физиологических процессов превращения веществ и энергии в живых организмах, а также обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой.

Обмен веществ у живых организмов заключается в поступлении из внешней среды различных веществ, в превращении и использовании их в процессах жизнедеятельности и в выделении образующихся продуктов распада в окружающую среду.
Все происходящие в организме преобразования вещества и энергии объединены общим названием - метаболизм (обмен веществ). На клеточном уровне эти преобразования осуществляются через сложные последовательности реакций, называемые путями метаболизма, и могут включать тысячи разнообразных реакций. Эти реакции протекают не хаотически, а в строго определенной последовательности и регулируются множеством генетических и химических механизмов. Метаболизм можно разделить на два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса: анаболизм (ассимиляция) и катаболизм (диссимиляция).

Анаболизм - это совокупность процессов биосинтеза органических веществ (компонентов клетки и других структур органов и тканей). Он обеспечивает рост, развитие, обновление биологических структур, а также накопление энергии (синтез макроэргов). Анаболизм заключается в химической модификации и перестройке поступающих с пищей молекул в другие более сложные биологические молекулы. Например, включение аминокислот в синтезируемые клеткой белки в соответствии с инструкцией, содержащейся в генетическом материале данной клетки.
Катаболизм - это совокупность процессов расщепления сложных молекул до более простых веществ с использованием части из них в качестве субстратов для биосинтеза и расщеплением другой части до конечных продуктов метаболизма с образованием энергии. К конечным продуктам метаболизма относятся вода (у человека примерно 350 мл в день), двуокись углерода (около 230 мл/мин), окись углерода (0,007 мл/мин), мочевина (около 30 г/день), а также другие вещества, содержащие азот (примерно б г/день). Катаболизм обеспечивает извлечение химической энергии из содержащихся в пище молекул и использование этой энергии на обеспечение необходимых функций. Например, образование свободных аминокислот в результате расщепления поступающих с пищей белков и последующее окисление этих аминокислот в клетке с образованием СО2, и Н2О, что сопровождается высвобождением энергии.
Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия. Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание катаболических процессов ведет к частичному разрушению тканевых структур. Состояние равновесного или неравновесного соотношения анаболизма и катаболизма зависит от возраста (в детском возрасте преобладает анаболизм, у взрослых обычно наблюдается равновесие, в старческом возрасте преобладает катаболизм), состояния здоровья, выполняемой организмом физической или психоэмоциональной нагрузки.

 

Энергетический обмен состоит из трех этапов.

Первый из них: подготовительный этап. На этом этапе крупные молекулы белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов расщепляются на более мелкие: глюкозу, глицерин, жирные кислоты, нуклеотиды. При этом выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде тепла.

Второй этап - бескислородный или анаэробный. Этот этап можно рассмотреть на примере расщепления глюкозы. Обратите внимание на то, что при этом не используется кислород и образуется всего две молекулы АТФ. Необходимо учитывать, что в виде АТФ запасается всего 40% энергии, остальное рассеивается в виде тепла.

Третий этап - кислородный или аэробный. Особенность данного этапа состоит в том, что в реакциях гликолиза участвует кислород и образуется 36 молекул АТФ.

Имейте в виду, что в случаях большой надобности в энергии в клетках эукариот может идти процесс энергетического обмена только до второго этапа, то есть только анаэробный гликолиз.

При изучении пластического обмена обратите внимание на то, в каких органоидах клетки происходит синтез тех или иных органических веществ (углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот).

Фотосинтез -это процесс образования органических веществ из неорганических с помощью световой энергии. Исходными для фотосинтеза являются углекислый газ и вода, содержащие значительно меньше энергии, чем глюкоза. Следовательно, в процессе фотосинтеза солнечная энергия преобразуется в химическую. (Энергия переходит из одной формы в другую).

Обратите внимание: процесс фотосинтеза имеет несколько ключевых моментов. Молекула хлорофилла содержит атом Mg. Электроны на внешнихорбиталях металла неустойчивы. При ударе фотоном электрон вылетает из атома. Но в таком состоянии он долго существовать не может. Он должен вернуться на свое место, излучив предварительно энергию, полученную от фотона, или отдать ее. У растений в хлоропластах эта энергия не теряется. Она частично идет на синтез АТФ, но, самое важное, этот электрон идет на фотолиз воды. Образовавшиеся ионы водорода идут на синтез органических веществ, а кислород выделяется в атмосферу. Это реакции световой фазы. Следующая фаза условно получила название темновой. Это ряд ферментативных реакций, в процессе которых связывется углекислый газ и синтезируются углеводы. При этом расходуется энергия АТФ и атомы водорода.

Биосинтез АТФ в клетке

1. Окислительное фосфорилирование
2. Фотофосфорилирование
3. Субстратное фосфорилирование

 

 

Таблица 1. Номера вопросов контрольной работы

Последняя цифра шифра	Предпоследняя цифра шифра
	1,20,23, 34,42,55,	2,19,24, 35,43,56,	3,18,25, 36,44,57,	4,17,26, 37,45,58	5,16,27, 38,46,59
	10 19 24	9 13 25 37 44 57	8 17 26 38 45 58	7 16 27 39 46 59	6 11 28 40 47 60
	8 18 25 38 44 57	7 17 26 39 45 58	6 19 27 40 46 59	5 11 28 31 47 60	4 15 29 32 48 51
	6 16 27 37 43 58	5 11 23 38 44 59	4 13 28 39 45 60	3 14 29 40 46 51	2 17 30 31 47 52
	4 14 26 35 44 59	3 12 27 36 45 60	2 11 29 37 46 51	1 18 30 38 47 52	10 12 21 39 48 53
	3 12 28 33 43 60	2 13 29 34 44 51	1 12 30 35 45 52	10 15 21 3 46 53	9 16 22 37 47 54
	2 15 27 32 46 51	1 14 28 33 47 52	10 16 24 34 48 53	9 17 22 35 49 54	8 13 23 36 50 55
	5 17 30 31 45 52	8 15 21 32 46 53	9 18 23 33 47 54	6 13 23 34 48 55	3 19 24 35 49 56
	7 13 22 39 47 51	10 19 22 40 48 52	5 20 21 31 49 53	2 12 24 32 50 54	1 17 25 33 41 55
	9 11 21 40 41 53	4 18 30 31 42 54	7 15 22 32 43 55	8 20 25 33 44 56	7 14 26 34 45 57

 

 

Продолжение таблицы № 1

Последняя цифра шифра	Предпоследняя цифра шифра
	6 15 28 39 47 60	7 14 29 40 48 54	8 13 30 31 49 53	9 12 21 33 50 52	10 11 22 32 41 51
	5 12 29 31 48 51	4 15 30 32 49 52	3 17 21 33 50 53	2 16 22 34 41 54	1 15 23 35 42 55
	3 16 30 33 49 52	2 18 21 34 50 53	1 20 22 35 41 54	10 13 23 36 42 55	9 14 24 37 43 56
	1 19 21 32 48 53	10 14 22 33 49 54	9 12 23 34 50 55	8 18 24 35 41 56	7 20 25 36 42 57
	9 15 22 40 49 54	8 13 23 31 50 55	7 16 24 32 41 56	6 17 25 33 42 57	5 19 26 34 43 58
	8 14 23 38 48 55	7 11 24 39 49 56	6 18 25 40 50 57	5 20 26 31 41 58	4 17 27 32 42 59
	7 18 24 37 41 56	6 12 25 38 42 57	5 11 26 39 43 58	4 19 27 40 44 59	3 20 28 31 45 60
	4 11 25 36 50 57	1 16 27 37 41 58	10 14 27 38 42 59	7 20 28 39 43 60	2 14 29 40 44 51
	10 13 26 34 42 56	9 19 28 35 43 57	4 15 28 36 44 58	3 11 29 37 45 59	8 16 30 38 46 60
	2 20 27 35 46 58	5 17 26 36 47 59	2 19 29 37 48 60	1 15 30 38 49 51	6 12 21 39 50 52

Задания для контрольных работ

По курсу необходимо выполнить одну контрольную работу. По контрольной работе даются вопросы для выбора контрольного задания. В контрольном задании необходимо ответить на 7 вопросов, которые берутся из разделов «Перечень вопросов контрольной работы».

Ответы даются в краткой форме, но должны содержать конкретный материал, включая формулы химических соединений и уравнения реакций изучаемых вопросов, по которым рецензент определяет степень проработки вопросов студентом. Примерный объем всего контрольного задания – стандартная школьная тетрадь. Задание должно быть написано четким и разборчивым почерком. С правой стороны тетради обязательно оставлять поля для рецензии и заметок. Неряшливое выполнение работы не допускается. Такие работы возвращаются без проверки и не зачитываются. В конце контрольной работы следует указать, какая литература использована и год ее издания, а также год издания методических указаний. Кроме того, должна быть личная подпись студента, выполнившего задание, и дата выполнения. Номера вопросов для контрольного задания берутся из таблиц, приложенным ниже, соответственно двум последним цифрам шифра (т. е. номеру зачетной книжки). Последняя цифра шифра находится в первой колонке по вертикали, а предпоследняя – сверху по горизонтали. В точке пересечения этих двух колонок обозначены номера вопросов, на которые вам необходимо ответить.

Например, при шифре 4245 берем две последние цифры – 45; по вертикали отыскиваем последнюю цифру – 5, а по горизонтали (сверху) находим предпоследнюю цифру – 4. В точке пересечения строчки 5 и колонки 4 находим номера вопросов. На которые необходимо ответить, а именно 9,16,22,37,47,54,66.