можно ли считать что фотосинтез включает в себя два процесса ассимиляцию и диссимиляцию и почему

Фотосинтез как ассимиляционный процесс. Значение и механизм фотосинтеза.

Ищем педагогов в команду «Инфоурок»

9 класс Урок №________ Дата_________________

Тема: Фотосинтез как ассимиляционный процесс. Значение и механизм фотосинтеза.

Тип урока: изучение нового материала.

Цель: изучить особенности метаболизма автотрофных организмов на примере процесса фотосинтеза

Задачи урока через планируемые результаты:

-предметные: раскрыть особенности процесса фотосинтеза, сущность световой и темновой фаз фотосинтеза

— метапредметные: учащиеся учатся устанавливать причинно-следственные связи, строить логические рассуждения, делать выводы по проделанной работе, самостоятельно работать с текстом учебника

— личностные: осознание ценности биологических знаний в жизни человека и своей жизни; формирование коммуникативной компетентности в общении и сотрудничестве с учителем и учащимися класса

Оборудование: схемы, плакаты, таблицы.

2.Актуализация и мотивация учебной деятельности

Что такое анаболизм, катаболизм?

— Где протекают процессы катаболизма?

3. Изучение нового материала

этот процесс можно сравнить с подброшенным вверх мячом. Поднимаясь, мяч запасается потенциальной энергией; падая, он теряет её. Электроны не падают обратно, а подхватываются молекулами переносчика электронов НАДФ + (никотинамидадениндинуклеотидфосфата). При этом их энергия частично расходуется на образование АТФ.

Процесс фотосинтеза включает две последовательные фазы: световую и темновую.

На фотосинтетических мембранах гран хлоропластов происходят следующие процессы:

возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;

восстановление акцепторов электронов — НАДФ + до НАДФ ⋅ Н 2;

фотолиз воды, происходящий при участии квантов света:

Результатами световых реакций являются:

-фотолиз воды с образованием свободного кислорода;

Во время световой фазы образуются богатые энергией молекулы и ионы водорода, необходимые для темновой фазы фотосинтеза. Дальнейшие процессы фотосинтеза могут идти и без солнечного освещения.

Источник углерода (CO2) растение получает из воздуха через устьица.

Превращение углекислого газа в глюкозу в ходе темновой фазы фотосинтеза получило название цикла Кальвина по имени его открывателя.

Результатом темновых реакций является превращение углекислого газа в глюкозу, а затем в крахмал.

Помимо молекул глюкозы в строме хлоропластов происходит образование аминокислот, нуклеотидов, спиртов.

1. В процессе фотосинтеза образуется свободный кислород, который необходим для дыхания организмов.

2. Фотосинтез обеспечивает постоянство уровня CO2 и O2 в атмосфере.

3. Фотосинтез обеспечивает образование органических веществ, а следовательно, пищу для всех живых существ.

4. В верхних слоях воздушной оболочки Земли из кислорода образуется озон O3, из которого формируется защитный озоновый экран, предохраняющий организмы от опасного для жизни воздействия ультрафиолетового излучения.

Примеры анаболизма и катаболизма:

Анаболизм (пластический обмен, ассимиляция):

— синтез нуклеиновых кислот;

Катаболизм (энергетический обмен, диссимиляция):

Установите соответствие между процессами, протекающими в клетках организмов, и их принадлежностью к ассимиляции или диссимиляции:

Источник

Практически любой процесс, протекающий в клетке, является следствием неразрывной связи ассимиляции и диссимиляции.

Что включает в себя процесс ассимиляции и диссимиляции?

Что включает в себя процесс ассимиляции и диссимиляции?

Что такие ассимиляция и диссимиляция?

Что такие ассимиляция и диссимиляция.

К какому процессу относится испарение воды : ассимиляции или диссимиляции?

К какому процессу относится испарение воды : ассимиляции или диссимиляции.

Совокупность реакции обмена веществ и энергии называется А) анаболизм Б) ассимиляция В) диссимиляция Г) метаболизм?

Совокупность реакции обмена веществ и энергии называется А) анаболизм Б) ассимиляция В) диссимиляция Г) метаболизм.

. Чем отличаются процессы ассимиляции и диссимиляции?

. Чем отличаются процессы ассимиляции и диссимиляции?

Какая связь объединяет эти процессы в понятие – метаболизм?

Почему процесс диссимиляции преобладает над процессами ассимиляции?

Почему процесс диссимиляции преобладает над процессами ассимиляции?

Почему в популяции процессы диссимиляции преобладают над процессами ассимиляции?

Почему в популяции процессы диссимиляции преобладают над процессами ассимиляции?

Вопрос почему ассимиляция невозможна без диссимиляции и наоборот?

Вопрос почему ассимиляция невозможна без диссимиляции и наоборот.

Что произойдет с клеткой если в ее метаболизме будут преобладать процессы диссимиляции или ассимиляции?

Что произойдет с клеткой если в ее метаболизме будут преобладать процессы диссимиляции или ассимиляции.

Они обои хищные )и они живут в воде)еще они икры разметают, метут.

У них у обоих есть острые зубы. Они оба живут в воде.

Вот Экология Алматы продолжает ухудшаться. Согласно последней информации Департамента статистики, за прошлый год уровень вредных выбросов увеличился почти на два с половиной процента, и это только от городских предприятий. По оценкам экологов, осно..

Губки совершенно неподвижны. У них могут лишь слегка сужаться поры, пронизывающие тело, и оскулум.

Поденки наряду со стрекозами относятся к числу древнейших насекомых, ископаемые остатки которых известны из девонского периода. Греческое слово «эфемерон», от которого образованно научное название отряда, означает быстротечный, скоро проходящий. Де..

Роза фиалка лилия сосна мята.

Вроде все, может что то не нашла.

От некоторых болезней человек может умереть. Чтоб вылечить хоть одну болезнь приходится принимать лекарства, если болезнь очень тяжёлая то приходится делать операцию Вывод в том что болезнь влияет на человека негативно.

Источник

Можно ли считать, что фотосинтез включает в себя два процесса — ассимиляцию и диссимиляцию и почему?

В 9:15 поступил вопрос в раздел Разное, который вызвал затруднения у обучающегося.

Вопрос вызвавший трудности

Ответ подготовленный экспертами Учись.Ru

Для того чтобы дать полноценный ответ, был привлечен специалист, который хорошо разбирается требуемой тематике «Разное». Ваш вопрос звучал следующим образом: Можно ли считать, что фотосинтез включает в себя два процесса — ассимиляцию и диссимиляцию и почему?

После проведенного совещания с другими специалистами нашего сервиса, мы склонны полагать, что правильный ответ на заданный вами вопрос будет звучать следующим образом:

НЕСКОЛЬКО СЛОВ ОБ АВТОРЕ ЭТОГО ОТВЕТА:

Работы, которые я готовлю для студентов, преподаватели всегда оценивают на отлично. Я занимаюсь написанием студенческих работ уже более 4-х лет. За это время, мне еще ни разу не возвращали выполненную работу на доработку! Если вы желаете заказать у меня помощь оставьте заявку на этом сайте. Ознакомиться с отзывами моих клиентов можно на этой странице.

ПОМОГАЕМ УЧИТЬСЯ НА ОТЛИЧНО!

Выполняем ученические работы любой сложности на заказ. Гарантируем низкие цены и высокое качество.

Деятельность компании в цифрах:

Зачтено оказывает услуги помощи студентам с 1999 года. За все время деятельности мы выполнили более 400 тысяч работ. Написанные нами работы все были успешно защищены и сданы. К настоящему моменту наши офисы работают в 40 городах.

Площадка Учись.Ru разработана специально для студентов и школьников. Здесь можно найти ответы на вопросы по гуманитарным, техническим, естественным, общественным, прикладным и прочим наукам. Если же ответ не удается найти, то можно задать свой вопрос экспертам. С нами сотрудничают преподаватели школ, колледжей, университетов, которые с радостью помогут вам. Помощь студентам и школьникам оказывается круглосуточно. С Учись.Ru обучение станет в несколько раз проще, так как здесь можно не только получить ответ на свой вопрос, но расширить свои знания изучая ответы экспертов по различным направлениям науки.

Источник

17. Пластический обмен. Фотосинтез

17. Пластический обмен. Фотосинтез

Вспомните!

Какую часть метаболизма называют пластическим обменом?

Какова роль зелёных растений в природе?

В каких органоидах клетки осуществляется фотосинтез?

Любой живой организм – открытая динамичная система, в которой постоянно осуществляются разнообразные процессы. В ходе жизнедеятельности клетки накапливают питательные вещества, образуют новые органоиды, растут, делятся, выполняют свои специфические функции, осуществляя при этом активный синтез органических веществ – пластический обмен и расходуя энергию, запасённую в процессе энергетического обмена. Особенно активно ассимиляция происходит в период роста организма. Но для осуществления процессов биосинтеза наличия одной энергии мало. Нужен ещё материал, из которого организм сможет синтезировать свои органические соединения. Самым важным элементом, необходимым всем живым организмам, является углерод.

Типы питания. В зависимости от способа получения углерода, т. е. по типу питания, все организмы делят на две большие группы: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофные организмы способны самостоятельно синтезировать необходимые органические соединения, используя в качестве источника углерода неорганическое вещество – углекислый газ (СО 2). Для этого они используют энергию света (растения и синезелёные водоросли) или энергию, выделяющуюся при окислении неорганических соединений (серобактерии, железобактерии).

Существуют ещё миксотрофные организмы (от греч. mixis – смешение), которые сочетают свойства автотрофов и гетеротрофов. К ним относят, например, эвглену зелёную, способную на свету самостоятельно синтезировать органические вещества, а в темноте – питаться готовыми.

Фотосинтез. Одним из наиболее важных процессов пластического обмена является фотосинтез – образование органических веществ при помощи энергии света. Эта энергия служит основным источником жизни на нашей планете. Зелёные растения и цианобактерии (синезелёные водоросли) используют солнечную энергию, синтезируя с её помощью органические соединения и аккумулируя её таким образом в виде энергии химических связей. Практически всё живое на Земле так или иначе связано с фотосинтезом. Гетеротрофные организмы полностью зависят от автотрофов, которые поставляют им углерод в виде готовых органических соединений. В процессе фотосинтеза выделяется кислород, используемый для дыхания. Все запасы горючих полезных ископаемых на нашей планете образовались органическим путём из остатков растений, живших много миллионов лет назад. Сжигая уголь и нефть, мы используем солнечную энергию, запасённую древними растениями.

Все реакции фотосинтеза осуществляются в специализированных органоидах: у высших растений – в хлоропластах, у водорослей – в хроматофорах, а у цианобактерий – на впячиваниях клеточной мембраны (рис. 55).

Рис. 55. Хлоропласт: А – расположение в клетке; Б – электронная фотография; В – схема строения

Рис. 56. Фотосинтез у высших растений

Суммарное уравнение фотосинтеза можно записать в следующем виде:

В процессе фотосинтеза при участии углекислого газа и воды образуется сахар – глюкоза. Эта реакция протекает за счёт энергии света, которая запасается в химических связях молекулы глюкозы, т. е. во время фотосинтеза происходит преобразование солнечной энергии в химическую (рис. 56). Весь этот процесс можно условно разделить на две фазы – световую и темновую. Рассмотрим, как происходит этот процесс в хлоропластах высших растений.

Световая фаза. Основной пигмент растительной клетки – хлорофилл – находится в мембране тилакоидов гран. Во время световой фазы молекулы хлорофилла поглощают кванты света – фотоны и переходят в неустойчивое возбуждённое состояние. Стремясь вернуться в исходное состояние, они отдают эту избыточную энергию, которая частично переходит в тепловую. Другая часть избыточной энергии запасается в виде АТФ, т. е. накапливается энергия, необходимая для осуществления процессов, протекающих в темновой фазе.

Оставшиеся ионы ОН – отдают свои электроны молекулам хлорофилла, превращаются в свободные радикалы и взаимодействуют друг с другом, образуя воду и молекулярный кислород:

По сути, кислород, образующийся во время световой фазы, является побочным продуктом фотосинтеза.

Все описанные выше реакции происходят только на свету. Реакции следующей темновой фазы могут осуществляться как на свету, так и в темноте.

Темновая фаза. Во время этой фазы происходит связывание углекислого газа и использование его атомов углерода для синтеза глюкозы. Атомы водорода, необходимые для этой реакции, приносят молекулы-переносчики, присоединившие водород во время световой фазы, а энергию предоставляют молекулы АТФ.

Обе фазы фотосинтеза неразрывно связаны между собой, образуя единый сложный процесс, важнейшим итогом которого является синтез органических соединений – сахаров и выделение молекулярного кислорода.

Большой вклад в изучение процесса фотосинтеза внёс выдающийся русский учёный Климент Аркадьевич Тимирязев. Он впервые доказал, что растения, синтезируя сахара из неорганического вещества – углекислого газа, преобразуют энергию света в энергию химических связей.

Однако ещё раньше, в 1771 г., английский учёный Джозеф Пристли на основании своих наблюдений сделал вывод, что растения улучшают воздух, делая его пригодным для дыхания. Так впервые было определено уникальное значение зелёных растений.

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое ассимиляция?

2. Опишите известные вам типы питания. Какой критерий лежит в разделении организмов на автотрофные и гетеротрофные?

3. Какие организмы называют автотрофными?

4. Почему у зелёных растений в результате фотосинтеза выделяется в атмосферу свободный кислород?

5. Каковы признаки гетеротрофного типа питания? Приведите примеры гетеротрофных организмов.

6. Как вы думаете, почему всё живое на Земле можно назвать «детьми Солнца»?

7. Используя дополнительные источники информации, подготовьте сообщение или презентацию на тему «Хемосинтез и его значение в жизни планеты».

Подумайте! Выполните!

1. Как связаны между собой фотосинтез и проблема обеспечения продовольствием населения Земли?

2. Можно ли считать, что фотосинтез включает в себя одновременно два процесса – ассимиляцию и диссимиляцию? Объясните свою точку зрения.

3. Приведите примеры использования особенностей метаболизма живых организмов в медицине, сельском хозяйстве и других отраслях.

4. Достаточно ли знать, что организм способен выделять кислород, чтобы отнести его к автотрофам? И верно ли обратное утверждение: «Если организм является автотрофом, то он выделяет кислород»?

5. Как особенности метаболизма живых организмов используются в сельском хозяйстве, медицине, микробиологии, биотехнологии? Найдите необходимую информацию, используя дополнительные источники (литература, ресурсы Интернета). Обобщите информацию и представьте её в виде стенда.

Работа с компьютером

Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

Фотосинтез без хлорофилла

Фотосинтез без хлорофилла Биофизик Ю. Владимиров рассказал мне однажды, что лет двадцать назад академик А. Красновский спросил как-то своих учеников: — Какой самый простой признак фотосинтеза? — Присутствие хлорофилла, — дружно ответили его молодые коллеги. Догма о

Обмен витаминов

Обмен витаминов Ни один из витаминов не осуществляет свои функции в обмене веществ в том виде, в котором он поступает с пищей. Этапы обмена витаминов:1. всасывание в кишечнике с участием специальных транспортных систем;2. транспорт к местам утилизации или депонирования с

Обмен кетоновых тел

Обмен кетоновых тел При голодании, длительной физической нагрузке и в случаях, когда клетки не получают достаточного количества глюкозы (желудочно-кишечные расстройства у детей, диета с низким содержанием углеводов, почечная глюкозурия, сахарный диабет), в жировой ткани

Обмен железа

Обмен железа В организме взрослого человека содержится 3–4 г железа, из этого количества около 3,5 г находится в плазме крови. Гемоглобин эритроцитов содержит примерно 68 % всего железа организма, ферритин – 27 % (резервное железо печени, селезенки, костного мозга), миоглобин

Что такое фотосинтез и какое значение он имеет для жизни на Земле?

Что такое фотосинтез и какое значение он имеет для жизни на Земле? Фотосинтезом называют образование высшими растениями, водорослями, фотосинтезирующими бактериями сложных органических веществ, необходимых для жизнедеятельности как самих растений, так и всех других

2.4. Фотосинтез и хемосинтез

Бактериальный фотосинтез и хемосинтез

Бактериальный фотосинтез и хемосинтез Различные группы фотосинтезирующих бактерий осуществляют особую разновидность фотосинтеза – бактериальный фотосинтез. Бактерии имеют свои специфические фотосинтетические пигменты (в частности, различные бактериохлорофиллы),

Глава 3. Фотосинтез

Глава 3. Фотосинтез Представьте себе планету без фотосинтеза. Начнем с того, что она не была бы зеленой. Изумрудный цвет Земли — символ торжества растений и водорослей, а в конечном счете — их зеленых пигментов, улавливающих свет для фотосинтеза. Первейший из этих

ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

ОБМЕН УГЛЕВОДОВ Следует еще раз подчеркнуть, что процессы, происходящие в организме, представляют собой единое целое, и только для удобства изложения и облегчения восприятия рассматриваются в учебниках и руководствах в отдельных главах. Это относится и к разделению на

7.6. Азотный обмен

7.6. Азотный обмен Азот, углерод, кислород и водород являются основообразующими химическими элементами, без которых (хотя бы в пределах нашей солнечной системы) не возникла бы жизнь. Азот в свободном состоянии обладает химической инертностью и является самым

16. Обмен веществ и превращение энергии. Энергетический обмен

16. Обмен веществ и превращение энергии. Энергетический обмен Вспомните!Что такое метаболизм?Из каких двух взаимосвязанных процессов он состоит?Где в организме человека происходит расщепление большей части органических веществ, поступающих с пищей?Обмен веществ и

Источник

Обмен веществ и превращение энергии — основа жизнедеятельности клетки. Энергетический обмен в клетке и его сущность. Значение АТФ в энергетическом обмене.

Пластический обмен. Фотосинтез. Пути повышения продуктивности сельскохозяйственных растений. Биосинтез белков. Ген и его роль в биосинтезе. Код ДНК. Реакции матричного синтеза. Взаимосвязь процессов пластического и энергетического обмена.

• Повторить имеющийся учебный материал.

• Ответить на вопросы для самоконтроля.

• Выполнить поэтапно контрольные работы № 13-15.

• Проанализировать рисунок 4.

• Проанализировать таблицы 36-41.

• Проанализировать схемы 9-16 и пояснения к ним.

• По словарям основных терминов и понятий проверить знание терминов (Внимание! Эта тема имеет несколько словарей).

Вопросы для самоконтроля (обмен веществ)

• Сформулируйте закон сохранения энергии.

• Назовите главный источник энергии на Земле, определяющий возможность жизни.

• Что такое энергетические уровни в цепи питания?

• Из каких двух противоположных процессов складывается обмен веществ и энергии в организме и в клетке?

• Что называют пластическим обменом в клетке?

• Что такое ассимиляция?

• Расходуется ли АТФ в процессе ассимиляции?

• Какие вещества образуются в процессе ассимиляции?

• Что такие диссимиляция? Почему она проходит поэтапно?

• Что характерно для каждого этапа и как это связано с их названиями?

• Проследите последовательные преобразования крахмала и энергии в процессе диссимиляции (I, II и III этапы).

• Каковы конечные продукты диссимиляции белков, жиров, углеводов?

Обмен веществ и энергии в клетке

Контрольная работа № 13

1. Почему ассимиляция называется пластическим обменом (создаются органические вещества, расщепляются органические вещества)?

2. Почему диссимиляция называется энергетическим обменом (поглощается энергия, выделяется энергия)?

3. Что включает в себя: процесс ассимиляции (синтез органических веществ с поглощением энергии, распад органических веществ с выделением энергии); процесс диссимиляции (синтез органических веществ с поглощением энергии, распад органических веществ с выделением энергии)?

4. Какие процессы, происходящие в клетке, относятся к ассимиляционным (синтез белка, фотосинтез, синтез липидов, синтез АТФ, дыхание)?

5. Чем отличается окисление органических веществ в митохондриях от горения этих же веществ (выделение теплоты, выделение теплоты и синтез АТФ, синтез АТФ; процесс окисления происходит с участием ферментов, без участия ферментов)?

6. Что общего между окислением, происходящим в митохондриях клеток, и горением (образование СO₂ и Н₂O; выделение теплоты; синтез АТФ)?

7. На каком этапе диссимиляции полимеры расщепляются до мономеров (I, II, III)?

8. Что происходит с глюкозой на II этапе диссимиляции (гликолиз с образованием пировиноградной кислоты; окисление до СO₂ и Н₂O)?

9. Какой этап диссимиляции называют кислородным (I, II, III) и почему (в процессе реакции к промежуточным продуктам присоединяется кислород; в процессе реакции выделяется кислород)?

10. На каком этапе диссимиляции углеводов синтезируются 2 АТФ (I, II, III); 36 АТФ (I, II, III); АТФ не синтезируется (I, II, III)?

Схема 9. Метаболизм

Схема 10. Превращения пировиноградной кислоты в клетках различных организмов

1—2 — анаэробный путь образования молочной кислоты в клетках животных, молочнокислых бактерий и высших растений (в гиалоплазме)

1—3 — спиртовое брожение у дрожжей (анаэробный процесс)

1—4 — дыхание аэробных организмов (в митохондриях)

Пояснения к схеме 11

Превращение веществ и энергии в процессе диссимиляции включает в себя следующие этапы.

I этап — подготовительный: сложные органические вещества под действием пищеварительных ферментов распадаются на простые, при этом выделяется только тепловая энергия.

Жиры → глицерин и жирные кислоты

II этап — гликолиз (бескислородный): осуществляется в гиалоплазме, с мембранами не связан; в нем участвуют ферменты; расщеплению подвергается глюкоза:

III этап — кислородный: осуществляется в митохондриях, связан с матриксом митохондрий и внутренней мембраной, в нем участвуют ферменты, расщеплению подвергается пировиноградная кислота

СO₂ (диоксид углерода) выделяется из митохондрий в окружающую среду. Атом водорода включается в цепь реакций, конечный результат которых — синтез АТФ. Эти реакции идут в такой последовательности:

Схема 11. Синтез АТФ в митохондрии клетки

1. Атом водорода Н с помощью ферментов-переносчиков поступает во внутреннюю мембрану митохондрии, образующую кристы, где он окисляется:

2. Протон Н + (катион водорода) выносится переносчиками на наружную поверхность мембраны крист. Для протонов эта мембрана, так же как и наружная мембрана митохондрии, непроницаема, поэтому они накапливаются в межмембранном пространстве, образуя протонный резервуар.

3. Электроны водорода е переносятся на внутреннюю поверхность мембраны крист и тут же присоединяются к кислороду с помощью фермента оксидазы, образуя отрицательно заряженный активный кислород (анион):

4. Катионы и анионы по обе стороны мембраны создают разноименно заряженное электрическое поле, и когда разность потенциалов достигнет 200 мВ, начинает действовать протонный канал. Он возникает в молекулах ферментов АТФ-синтетаз, которые встроены во внутреннюю мембрану, образующую кристы.

5. Через протонный канал протоны Н + устремляются внутрь митохондрии, создавая высокий уровень энергии, большая часть которой идет на синтез АТФ из АДФ и Ф (АДФ + Ф → АТФ), а сами протоны Н + взаимодействуют с активным кислородом, образуя воду и молекулярный O₂:

В результате расщепления одной молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ: на II этапе — 2 АТФ и на III этапе — 36 АТФ. Образовавшиеся молекулы АТФ выходят за пределы митохондрии и участвуют во всех процессах клетки, где необходима энергия. Расщепляясь, АТФ отдает энергию (одна фосфатная связь заключает 40 кДж) и в виде АДФ и Ф (фосфата) возвращается в митохондрии.

Таблица 36. Образование АТФ в ходе диссимиляции

Этап диссимиляции, процессы

Образующиеся макроэнергетические продукты

Сколько молекул АТФ образуется

Образование ацетилкофермента А

38 молекул АТФ образуется при полном окислении 1 молекулы глюкозы

* Коэффициент, показывающий, сколько молекул АТФ образуется за счет энергии одной молекулы восстановленного переносчика.

** Поскольку из одной молекулы глюкозы образуется две молекулы пировиноградной кислоты, а из каждой молекулы пировиноградной кислоты образуется одна молекула ацетилкофермента А, и при этом восстанавливаются две молекулы НАД.

*** Поскольку за каждый оборот цикла Кребса окисляется одна молекула ацетилкофермента А, то для окисления одной молекулы глюкозы требуется два оборота цикла.

Словарь основных терминов и понятий

Анаболизм (греч. «анаболе» — подъем) — пластический обмен, ассимиляция — одна из сторон обмена веществ. Включает процессы синтеза аминокислот, моносахаридов, жирных кислот, нуклеотидов, а также макромолекул белков, полисахаридов, жиров, нуклеиновых кислот, АТФ. Процесс проходит в три этапа: 1) синтез промежуточных соединений из низкомолекулярных веществ (органических кислот, альдегидов); 2) синтез «строительных блоков» из промежуточных соединений (аминокислот, жирных кислот, моносахаридов); 3) синтез из «строительных блоков» макромолекул белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, жиров. Идет с поглощением энергии и участием ферментов.

Гликолиз (греч. «гликис» — сладкий, «лизис» — растворяю) — бескислородный этап диссимиляции, ферментативный негидролитический анаэробный процесс- распада углеводов до пировиноградной кислоты. Ферменты, ведущие гликолиз, находятся в гиалоплазме (коллоидном веществе цитоплазмы) и не связаны с мембранами. Конечными продуктами гликолиза являются две молекулы пировиноградной кислоты, две молекулы АТФ и две молекулы восстановленного НАД Н₂. При невозможности дальнейшего кислородного окисления (у облигатных анаэробов) пировиноградная кислота может окисляться в молочную кислоту (при этом будет затрачиваться одна молекула НАД ∙ Н₂ на окисление каждой молекулы пировиноградной кислоты в молочную), этиловый спирт или другие продукты брожения. Если же дальнейшее кислородное окисление возможно, то пировиноградная кислота поступает из цитоплазмы в митохондрии, где претерпевает окислительное декарбоксилирование. Образовавшийся в ходе его ацетил-КоА (ацетилкоэнзим А, ацетилкофермент А) поступает затем в цикл Кребса. Гликолиз — эволюционно наиболее древний путь расщепления глюкозы. У анаэробов он является единственным процессом получения энергии. У аэробов же гликолиз обязательно предшествует кислородному этапу диссимиляции или идет в условиях недостатка кислорода. Гликолиз энергетически значительно менее выгоден, чем кислородное окисление.

Дыхание — цепь физиологических процессов, происходящих в организме растений и животных, при которых поглощается кислород, выделяется двуокись углерода и вода, а также энергия, обеспечивающая жизнедеятельность организма. У животных различают дыхание внешнее (органы дыхания и дыхательные пути) и внутриклеточное (митохондрии), поскольку кислород усваивается только в митохондриях. У растений дыхание осуществляется всеми органами, кислород же усваивается также только в митохондриях клеток. Здесь он включается в электронно-транспортную цепь, присоединяя протоны, кинетическая энергия которых израсходовалась на синтез АТФ. Это кислородный этап диссимиляции (катаболизма), поэтому митохондрии называют дыхательными центрами клеток.

Катаболизм (энергетический обмен, диссимиляция) — одна из сторон метаболизма (обмена веществ), происходящего в любой живой клетке. Катаболизм, или процесс расщепления сложных органических веществ (пищевых, запасных), осуществляется постепенно, в три этапа: I — подготовительный, II — бескислородный (гликолиз), III — кислородный. При этом обязательно участвуют ферменты и выделяется энергия, необходимая для синтеза АТФ и согревания организма (тепловая). Вся энергия, необходимая гетеротрофному организму для жизнедеятельности, получается в результате расщепления органических веществ пищи. Чем больше организм испытывает физических нагрузок, тем больше энергии должна содержать пища и, наоборот, при легкой физической нагрузке пища должна быть малокалорийной.

Метаболизм (греч. «метаболе» — превращение) — обмен веществ — совокупность химических реакций в живой клетке. Единый процесс, свойственный всем живым организмам — животным и растениям. Складывается из двух взаимно противоположных процессов — анаболизма и катаболизма. Значение метаболизма в целом заключается в следующем: 1) поглощение энергии Солнца (растением) и создание органического вещества и пищи (животным); 2) расщепление пищевых веществ до макромолекул — будущих «строительных блоков»; 3) сборка (синтез) из «строительных блоков» белков, жиров, нуклеиновых кислот, углеводов и других веществ; 4) разрушение (расщепление) созданных организмом органических веществ до конечных неорганических — СO₂ и Н₂O. Метаболизм растений (фотосинтезирующие автотрофы) и животных (гетеротрофы) существенно различается. В живом организме анаболизм и катаболизм должны быть уравновешены. Если один процесс существенно преобладает над другим, то обмен веществ и энергии нарушается и, следовательно, нарушается жизнедеятельность клетки, а затем и всего организма. Метаболизм живой клетки отличается от тепловых процессов неживых тел тем, что живая клетка постоянно черпает энергию из окружающей среды, а та энергия, которая освобождается при расщеплении органических веществ, не рассеивается, а вновь используется на синтез новых веществ, благодаря чему клетка поддерживает свое существование, сопротивляется процессам, ведущим к изменению ее структуры и потере энергии. Неживые же тела теряют свою энергию безвозвратно, так как она переходит в теплоту и рассеивается.

Окислительное фосфорилирование — процесс образования АТФ на клеточных мембранах. Сопряжено с окислением восстановленных переносчиков (например, НАД Н₂ до НАД; НАДФ ∙ Н₂ до НАДФ) и переносом электронов в электронно-транспортной сети.

Субстратное фосфорилирование — процесс образования АТФ, не связанный с мембранами. В этом случае АТФ образуется за счет того, что фосфатная группа перемещается от фосфорилированного соединения (субстрата) к АДФ (например, образование АТФ при гликолизе).

Хемиосмотическая теория Митчела — учение о механизме преобразования энергии в биологических мембранах. Разработана П. Митчелом в 1961-1966 гг. Согласно этой теории, трансмембранные потенциалы ионов могут служить источником энергии для синтеза АТФ, транспорта веществ и других энергозависимых процессов в клетке. В частности, АТФ синтезируется за счет кинетической энергии протона, проходящего через АТФ-синтетазу (специфический тоннельный белок, пронизывающий мембрану).

Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты) — циклическая последовательность ферментативных окислительных превращений девяти три- и дикарбоновых кислот (их декарбоксилирование, дегидрогенизация, изомеризация). Основные этапы этого цикла показаны на схемах 12, 13. Цикл Кребса протекает в матриксе митохондрий в аэробных условиях. Ему предшествует образование ацетил-КоА (ацетилкофермента А, ацетилкоэнзима А) из пировиноградной кислоты (при этом из одной молекулы пировиноградной кислоты образуются также одна молекула углекислого газа и одна молекула восстановленного кофермента НАД ∙ Н₂).

Цикл начинается образованием лимонной кислоты при взаимодействии ацетил-КоА и щавелево-уксусной кислоты и завершается образованием щавелево-уксусной кислоты (для нового цикла), двух молекул углекислого газа, одной молекулы АТФ и четырех молекул восстановленных коферментов (ФАД ∙ Н₂ и ЗНАД ∙ Н₂). (То есть часть молекул окисляется до конечных продуктов, а часть продолжает «крутиться» в цикле.) Затем (уже вне цикла Кребса) эти восстановленные коферменты окисляются на мембранах митохондрий с образованием АТФ (и воды). Обобщенно превращения, происходящие в цикле Кребса, можно представить следующим образом:

Цикл Кребса широко распространен в клетках животных и растений. Он является основным процессом, обеспечивающим клетку энергией в аэробных условиях. Кроме того, он соединяет воедино различные метаболические пути, поскольку его продукты являются биохимическими предшественниками многих жизненно важных веществ (схема 13).

Схема 12. Цикл Кребса

Знак «•» означает один атом углерода. Из данной схемы видно, что для того, чтобы окислиться до углекислого газа (СO₂), атом углерода предварительно окисляется до карбоксильной группы (-СООН), обозначенной на схеме знаком «О».

Схема 13. Связь цикла Кребса с различными метаболическими путями

Вопросы для самоконтроля

• Почему роль зеленых растений на Земле К. А. Тимирязев назвал космической?

• В какой органелле растительной клетки содержится хлорофилл?

• Когда и у каких растений впервые появился хлорофилл в процессе эволюции?

• Каковы физико-химические свойства хлорофилла?

• Каково внутреннее строение хлоропласта?

• В какой структуре хлоропласта содержится пигмент хлорофилл?

• Как называются мембранные структуры хлоропласта?

• Как называют немембранную часть хлоропласта?

• Чем покрыт хлоропласт и какую форму он может иметь?

• Какие условия необходимы для процесса фотосинтеза?

• Из каких двух фаз (стадий) состоит процесс фотосинтеза?

• Как расходуется энергия возбужденного атома?

• Какие преобразования энергии происходят в хлоропласте?

• Что такое фотолиз воды?

• Какова химическая природа энергетического процесса при фотосинтезе?

• Что образуется в период прохождения световой фазы?

• Какой тип дыхания организмов появился на Земле в связи с возникновением световых реакций фотосинтеза?

• Почему конечные стадии фотосинтеза называют темновыми?

• Какие структуры и какие вещества принимают участие в темновых реакциях фотосинтеза?

• Является ли процесс синтеза углеводов ферментативным?

• В какую фазу фотосинтеза выделяется кислород, уходящий в атмосферу?

• Можно ли считать, что фотосинтез включает в себя два процесса — ассимиляцию и диссимиляцию и почему?

• Какую роль играют углеводы в образовании аминокислот и жирных кислот?

• Можно ли считать растения единственными организмами на Земле, создающими из неорганических веществ органические?

• Какие организмы называют автотрофными?

• Какой способ питания появился на Земле раньше — хемотрофный или фототрофный?

• Откуда получают органические вещества гетеротрофные организмы?

• Чем питаются сапротрофы, паразиты?

• Приведите примеры автотрофных и гетеротрофных организмов.

• Каковы способы питания у зеленой водоросли, белого гриба, гнилостной бактерии, бычьего цепня, волка, человека?

а — хлоропласта, б — лейкопласта, в — хромопласта;

1 — внешняя мембрана, 2 — внутренняя мембрана, 3 — матрикс (строма), 4 — тилакоиды стромы (ламеллы), 5 — грана, 6 — тилакоид граны,

7 — крахмальное зерно, 8 — каротиноиды в каплях липидов, 9 — ДНК, 10 — рибосомы, 11 — разрушающиеся мембранные структуры

Контрольная работа № 14

1. В каких органеллах клетки осуществляется процесс фотосинтеза (митохондрии, рибосомы, хлоропласты, хромопласты)?

2. Где сосредоточен пигмент хлорофилл (оболочка хлоропласта, строма, граны)?

3. Какие лучи спектра поглощает хлорофилл (красные, зеленые, фиолетовые)?

4. При расщеплении какого соединения выделяется свободный кислород при фотосинтезе (СO₂, Н₂O, АТФ)?

5. В какую стадию фотосинтеза образуется свободный кислород (темновую, световую, постоянно)?

6. Что происходит с АТФ в световую стадию (синтез, расщепление)?

7. На какой стадии в хлоропласте образуется первичный углевод (световая стадия, темновая стадия)?

8. Расщепляется ли молекула СO₂ при синтезе углеводов (да, нет)?

9. Какую роль играют ферменты при фотосинтезе (нейтрализуют, катализируют, расщепляют)?

10. Имеется ли хлорофилл у хемосинтезирующих организмов (да, нет)?

11. Какой способ питания у человека (автотрофный, гетеротрофный)?

12. Какие растения создают наибольшую биомассу и выделяют большую часть кислорода (споровые, семенные, водоросли)?

Пояснения к схеме 14. Фотосинтез

Процесс фотосинтеза осуществляется в хлоропластах в два этапа. В гранах (тилакоидах) протекают реакции, вызываемые светом, — световые, а в строме — реакции, не связанные со светом, — темновые, или реакции фиксации углерода.

1. Свет, попадая на молекулы хлорофилла, которые находятся в мембранах тилакоидов гран, приводит их в возбужденное состояние. В результате этого электроны сходят со своих орбит и переносятся с помощью переносчиков за пределы мембраны тилакоида, где и накапливаются, создавая отрицательно заряженное электрическое поле.

2. Место вышедших электронов в молекулах хлорофилла занимают электроны воды так как вода под действием света подвергается фоторазложению (фотолизу):

3. Протоны Н + не проникают через мембрану тилакоида и накапливаются внутри, образуя положительно заряженное электрическое поле, что приводит к увеличению разности потенциалов по обе стороны мембраны.

4. При достижении критической разности потенциалов (200 мВ) протоны Н + устремляются по протонному каналу в ферменте АТФ-синтетаза, встроенному в мембрану тилакоида, наружу. На выходе из протонного канала создается высокий уровень энергии, которая идет на синтез АТФ (АДФ + Ф → АТФ). Образовавшиеся молекулы АТФ переходят в строму, где участвуют в реакциях фиксации углерода.

Таким образом, активированный световой энергией электрон хлорофилла используется для присоединения водорода к переносчику. НАДФ ∙ Н₂ переходит в строму хлоропласта, где участвует в реакциях фиксации углерода.

Реакции фиксации углерода (темновые реакции)

Осуществляются в строме хлоропласта, куда поступают АТФ, НАДФ ∙ Н₂ от тилакоидов гран и СО₂ из воздуха. Кроме того, там постоянно находятся пятиуглеродные соединения — пентозы С₅, которые образуются в цикле Кальвина (цикле фиксации СО₂). Упрощенно этот цикл можно представить следующим образом:

1. К пентозе С₅ присоединяется СО₂, в результате чего появляется нестойкое шестиуглеродное соединение С₆, которое расщепляется на две трехуглеродные группы 2С₃ — триозы.

2. Каждая из триоз 2С₃ принимает по одной фосфатной группе от двух АТФ, что обогащает молекулы энергией.

3. Каждая из триоз 2С₃ присоединяет по одному атому водорода от двух НАДФ ∙ Н₂.

4. После чего одни триозы объединяются, образуя углеводы

5. Другие триозы объединяются, образуя пентозы 5С₃ → 3С₅, и вновь включаются в цикл фиксации СО₂.

Суммарная реакция фотосинтеза:

Схема 14. Фотосинтез

Пояснение к схемам 15, 16. Процесс фотосинтеза

После того как усвоен материал о процессах, происходящих в световую фазу согласно «протонной теории», предлагаем совместить его с теорией «фотосистем». Эти два подхода не только не противоречат друг другу, но, наоборот, дополняют. Преобразование энергии света в энергию химических связей происходит в фотосистемах — ФС (квантососмах), которые являются элементарными структурами, в которых происходит фотосинтез. Они представляют собой пигментно-белковые комплексы, расположенные в мембранах тилакоидов гран. В состав ФС входит от нескольких десятков до сотен молекул хлорофилла, играющих роль антенн, собирающих свет, и лишь несколько из них образуют реакционный центр — РЦ, который и является энергетической «ловушкой» для квантов света. Существует два типа фотосистем — ФСI и ФСII, которые отличаются друг от друга способностью воспринимать свет разной длины волны, что связано с разным сочетанием пигментов, входящих в их состав (см. табл. 37). Легче возбудимы коротковолновые РЦ в ФСII, поэтому именно в них начинается электронно-транспортная цепь (ЭТЦ), которая состоит из переносчиков — цитохромов и передаваемых ими возбужденных электронов. При этом электроны перемещаются в одном направлении, постепенно теряя энергию. Но эта энергия не рассеивается, а идет на синтез АТФ из АДФ и остатка фосфорной кислоты. Этот процесс называется нециклическим фосфорилированием. Электроны, идущие по ЭТЦ, передаются не за пределы мембраны тилакоида, а внутри мембраны к ФСI в ее РЦ. Там энергия принесенного электрона способствует выбиванию более труднодоступного (длинноволнового) электрона ФСI на внешнюю орбиту, так как одной лишь энергии квантов света для этого недостаточно. Выбитый электрон подхватывается специальным переносчиком ферредоксином (из группы цитохромов) и может быть далее отправлен по двум разным путям:

1. Электрон возвратится опять в ЭТЦ и цитохромами будет спущен в ФСI, при этом синтезируется АТФ. Такой путь электрона называется циклическим, а синтез АТФ — циклическим фосфорилированием; он наблюдается в том случае, когда количество свободного НАДФ + ограничено.

Схема 15. Процесс фотосинтеза

Схема 16. Световая фаза в фотосистемах (по П. Рейвну, Р. Эверту, С. Айкхорн)

Таблица 37. Фотосистемы растительной клетки

Источник