Как поступить
в Онлайн-школу №1 и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

Обмен веществ и энергии в организме: пластический обмен (фотосинтез, синтез белка)

Биохимия

Обмен веществ и энергии в организме: пластический обмен (фотосинтез, синтез белка)

Разминка

  • Что такое обмен веществ?
  • Для каких организмов характерен фотосинтез?
  • Какие типы питания существуют?

План урока

  • Пластический обмен
  • Стадии фотосинтеза
  • Хемосинтез
  • Синтез белка

Цели урока

  • Уметь: объяснять сущность понятий «обмен веществ», «пластический обмен», объяснять стадии биосинтеза белка.
  • Знать: этапы фотосинтеза, типы питания живых организмов.

 

Пластический обмен

 

Обмен веществ и энергии (метаболизм) осуществляется на всех уровнях организма: клеточном, тканевом и организменном. Он обеспечивает постоянство внутренней среды организма -  гомеостаз - в непрерывно меняющихся условиях существования. В клетке протекают одновременно два процесса - это пластический обмен ( анаболизм или ассимиляция ) и энергетический обмен ( фатаболизм или диссимиляция ).


Пластический обмен  — это совокупность реакций биосинтеза, или создание сложных молекул из простых. В клетке постоянно синтезируются белки из аминокислот, жиры из глицерина и жирных кислот, углеводы из моносахаридов, нуклеотиды из азотистых оснований и сахаров. Эти реакции идут с затратами энергии. 


По способу получения органических вещей веществ живые организмы разделяют на две группы: гетеротрофы и автотрофы.


Гетеротрофы — это организмы, использующие в качестве источника углерода и одновременно источника энергии готовые органические вещества, получаемые извне. 


К ним относятся животные, грибы, многие бактерии. По способу получения органических веществ гетеротрофов разделяют на паразитов, сапротрофов и голозойные организмы.

 

Паразиты получают вещества из живых организмов, нанося им вред, например: дизентерийная амёба, бычий цепень, петров крест.

 

Сапротрофы питаются органическими веществами мёртвых организмов, всасывая их через клеточную стенку, например: многие грибы, бактерии гниения.

 

Голозойные организмы поедают пищу (органические вещества), переваривают её и усваивают путём всасывания. Голозойные организмы подразделяют на травоядных, плотоядных и всеядных.


Автотрофы — это организмы, способные самостоятельно синтезировать необходимые органические вещества, используя в качестве источника углерода углекислый газ. 


Автотрофов разделяют на фотосинтетиков , использующих для синтеза органических веществ энергию света (зелёные растения и цианобактерии) и хемосинтетиков , синтезирующих органические вещества за счёт энергии химических связей (некоторые виды бактерий). 

 

Существуют также миксотрофы , обладающие смешанным питанием и в отсутствие света способные питаться гетеротрофно (эвглена зелёная).

 

 

Стадии фотосинтеза

 

Фотосинтез — важнейший процесс, лежащий в основе возникновения и существования подавляющего большинства организмов на Земле.


Фотосинтез  — это процесс образования органических соединений из диоксида углерода (CO2) и воды (H2O) с использованием энергии света.


Хлоропласты в клетках растений и складки цитоплазматической мембраны прокариот содержат зелёный пигмент —  хлорофилл . Хлорофилл обладает особой химической структурой, которая позволяет ему улавливать кванты света. Молекула хлорофилла способна возбуждаться под действием солнечного света, отдавать свои электроны и перемещать их на более высокие энергетические уровни.

 

Процесс фотосинтеза включает две последовательные фазы: световую и темновую.


Световая фаза  — это этап, на котором энергия света, поглощённая хлорофиллом, преобразуется в электрохимическую энергию в цепи переноса электронов. Она осуществляется на свету, в мембранах гран тилакоидов, при участии белков-переносчиков и АТФ-синтетазы.


Световая фаза фотосинтеза растений включает в себя  нециклическое фосфорилирование  и  фотолиз воды
 

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⋅Н2;
  • фотолиз воды, происходящий при участии квантов света:
    2H2O → 4H++4e+O2

  

Результатами световых реакций являются:

 

  • фотолиз воды с образованием свободного кислорода;
  • синтез АТФ;
  • восстановление НАДФ+ до НАДФ⋅Н.

 

В реакциях световой фазы фотосинтеза накапливается энергия в НАДФ⋅Н и АТФ, которая тратится в процессах темновой фазы.

 

Синтез АТФ из АДФ за счёт энергии света — очень эффективный процесс: за одно и то же время в хлоропластах образуется в 30 раз (!) больше АТФ, чем в митохондриях.

 

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.


Темновая фаза  — процесс преобразования CO2 в глюкозу с использованием энергии, запасённой в молекулах АТФ и НАДФ⋅Н.


Реакции темновой фазы фотосинтеза протекают независимо от света. Эти реакции осуществляются в строме хлоропластов, куда из тилакоидов поступают богатые энергией вещества: НАДФ⋅Н и АТФ, накопленные в реакциях световой фазы фотосинтеза.

Рис.1. Суммарные уравнения и частные реакции фотосинтеза Рис.1. Суммарные уравнения и частные реакции фотосинтеза

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.

 

Значение фотосинтеза:

 

  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.

 

 

Хемосинтез


Хемосинтез  — древнейший тип автотрофного питания, который в процессе эволюции мог появиться раньше фотосинтеза. В отличие от фотосинтеза при хемосинтезе первичным источником энергии является не солнечный свет, а химические реакции окисления веществ, обычно неорганических.


Хемосинтез наблюдается только у ряда прокариот. Многие хемосинтетики обитают в недоступных для других организмов местах: на огромных глубинах, в бескислородных условиях.

 

Хемосинтез в каком-то смысле уникальное явление. Хемосинтезирующие организмы не зависят от энергии солнечного света ни напрямую как растения, ни косвенно как животные. Исключением являются бактерии, окисляющие аммиак, т. к. последний выделяется в результате гниения органики.

 

Сходство хемосинтеза с фотосинтезом:

 

  • автотрофное питание,
  • энергия запасается в АТФ и потом используется для синтеза органических веществ.

Отличия хемосинтеза:

 

  • источник энергии – различные окислительно-восстановительные химические реакции,
  • характерен только для ряда бактерий и архей;
  • клетки не содержат хлорофилла;
  • в качестве источника углерода для синтеза органики используется не только CO2, но также окись углерода (CO), муравьиная кислота (HCOOH), метанол (CH3OH), уксусная кислота (CH3COOH), карбонаты.

 

Хемосинтетики получают энергию при окислении серы, сероводорода, водорода, железа, марганца, аммиака, нитрита и др. Как видно, используются неорганические вещества.

 

В зависимости от окисляемого субстрата для получения энергии хемосинтетиков делят на группы: железобактерии, серобактерии, метанообразующие археи, нитрифицирующие бактерии и др.

 

У аэробных хемосинтезирующих организмов акцептором электронов и водорода служит кислород, т. е. он выступает в роли окислителя.

 

Хемотрофы играют важную роль в круговороте веществ, особенно азота, поддерживают плодородие почв.

 

Важнейшая группа хемосинтезирующих организмов — нитрифицирующие бактерии . Исследуя их, русский микробиолог Сергей Николаевич Виноградский в 1887 г. открыл процесс хемосинтеза. Обитая в почве, эти бактерии окисляют аммиак, образующийся при гниении органических остатков, до азотистой кислоты: 

2NH3 + 3O2 → HNO2 + 2H2O + E,

а образующуюся при этом энергию используют в своей жизнедеятельности. 

 

Затем другие бактерии этой группы окисляют азотистую кислоту до азотной: 

2HNO2 + O2 → 2HNO3 + E.

 

Взаимодействуя с минеральными веществами почвы, азотистая и азотная кислоты образуют соли (нитриты, нитраты), являющиеся важнейшими компонентами минерального питания высших растений.

 

 

Синтез белка

 

Каждая клетка содержит тысячи белков. Свойства белков определяются их первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот в их молекулах.

 

В свою очередь наследственная информация о первичной структуре белка заключена в последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Эта информация получила название  генетической , а участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка, называется ген.


Ген  — это участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка.

 

Ген — это единица наследственной информации организма.


Каждая молекула ДНК содержит множество генов. Совокупность всех генов организма составляет его  генотип .


Биосинтез белка  — это один из видов пластического обмена, в ходе которого наследственная информация, закодированная в генах ДНК, реализуется в определённую последовательность аминокислот в белковых молекулах.


Рис.2. Стадии биосинтеза белка Рис.2. Стадии биосинтеза белка

Процесс биосинтеза белка состоит из двух этапов: транскрипции и трансляции.

 

Каждый этап биосинтеза катализируется соответствующим ферментом и обеспечивается энергией АТФ.

 

Биосинтез происходит в клетках с огромной скоростью. В организме высших животных в одну минуту образуется до 60 тыс. пептидных связей.


Транскрипция  — это процесс снятия информации с молекулы ДНК синтезируемой на ней молекулой иРНК (мРНК).


Носителем генетической информации является ДНК, расположенная в клеточном ядре.

Рис.3. Транскрипция Рис.3. Транскрипция

В ходе транскрипции участок двуцепочечной ДНК «разматывается». На одной из цепочек синтезируется молекула иРНК.

 

Информационная (матричная) РНК состоит из одной цепи и синтезируется на ДНК в соответствии с правилом комплементарности.

 

Образуется молекула иРНК, которая является копией второй цепочки ДНК, только в ней тимин заменён на урацил. Закодированная в ДНК информация о первичной структуре белка переписывается на иРНК.

Как и в любой другой биохимической реакции, в этом процессе участвует фермент —  РНК-полимераза .


Молекула ДНК содержит большое количество генов. В начале каждого гена располагается  промотором  — особая последовательность нуклеотидов ДНК, которую определяет РНК-полимераза, и с этого места начинает сборку молекулы иРНК.

 

Синтез иРНК продолжается до очередного «знака препинания» —  терминатора . Эта последовательность нуклеотидов указывает на завершение синтеза иРНК.


В клетках прокариот иРНК образуется в цитоплазме, поэтому образовавшиеся молекулы могут сразу участвовать в синтезе белков.


У эукариот иРНК синтезируется в ядре, поэтому сначала она взаимодействует со специальными ядерными белками и переносится через ядерную мембрану в цитоплазму.


Трансляция  — это перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка.


В цитоплазме клетки обязательно должен иметься полный набор аминокислот, необходимых для синтеза белков. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления белков, получаемых организмом с пищей, а некоторые могут синтезироваться в самом организме.

 

Аминокислоты доставляются к рибосомам транспортными РНК (тРНК). Любая аминокислота может попасть в рибосому, только прикрепившись к специальной тРНК.

 

На тот конец иРНК, с которого нужно начать синтез белка, нанизывается рибосома. Она движется вдоль иРНК прерывисто, «скачками», задерживаясь на каждом триплете приблизительно 0,2 секунды.

Рис.4. Трансляция Рис.4. Трансляция

За это время молекула тРНК, антикодон которой комплементарен кодону, находящемуся в рибосоме, успевает распознать его. Аминокислота, которая была связана с этой тРНК, отделяется от «черешка» тРНК и присоединяется с образованием пептидной связи к растущей цепочке белка. В тот же самый момент к рибосоме подходит следующая тРНК (антикодон которой комплементарен следующему триплету в иРНК), и следующая аминокислота включается в растущую цепочку.

 

Аминокислоты, доставленные на рибосомы, ориентированы по отношению друг к другу так, что карбоксильная группа одной молекулы оказывается рядом с аминогруппой другой молекулы. В результате между ними образуется пептидная связь.

Рибосома постепенно сдвигается по иРНК, задерживаясь на следующих триплетах. Так постепенно формируется молекула полипептида (белка).

 

Синтез белка продолжается до тех пор, пока на рибосоме не окажется один из трёх  стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА) . После этого белковая цепочка отсоединяется от рибосомы, выходит в цитоплазму и формирует присущую этому белку вторичную, третичную и четвертичную структуры.

Рис.5. Биосинтез белка Рис.5. Биосинтез белка

Так как клетке необходимо много молекул каждого белка, то как только рибосома, первой начавшая синтез белка на иРНК, продвинется вперёд, за ней на ту же иРНК нанизывается вторая рибосома. Затем на иРНК последовательно нанизываются следующие рибосомы.

 

Все рибосомы, синтезирующие один и тот же белок, закодированный в данной иРНК, образуют полисому . Именно на полисомах и происходит одновременный синтез нескольких одинаковых молекул белка.

 

Когда синтез данного белка окончен, рибосома может найти другую иРНК и начать синтезировать другой белок.


Упражнение

 

Установите соответствие между характеристикой организма и функциональной группой, к которой его относят. Для этого к каждому элементу первого столбца подберите позицию из второго столбца. Впишите в таблицу цифры выбранных ответов.

 

ХАРАКТЕРИСТИКА

ГРУППА

A) образуют органические вещества из неорганических

1)производители

Б) потребляют готовые органические вещества

2)потребители

В) используют солнечную энергию для синтеза органических веществ

Г) принадлежит к растительноядным животным

Д) являются первым звеном цепи питания

 

Запишите в ответ цифры, расположив их в порядке, соответствующем буквам:

 

А

Б

В

Г

Д


Контрольные вопросы

 

  1. Что такое пластический обмен?
  2. Какие процессы происходят в световой стадии фотосинтеза?
  3. Что является результатом фотосинтеза?
  4. В чём заключается роль хемосинтеза?
  5. Что такое транскрипция?
  6. Из каких процессов состоит трансляция?


Выводы

Пластический обмен — процесс получения необходимых организму веществ.

 

Гетеротрофы (животные, многие бактерии, грибы) получают органические вещества извне. Автотрофы могут синтезировать необходимые им органические вещества за счёт фотосинтеза (растения) или хемосинтеза (некоторые бактерии). Важнейший процесс пластического обмена — синтез белков.



 

Ответы

Упражнение

12121

Обмен веществ и энергии: энергетический обмен

Биохимия

  • Обучение грамоте. Письмо. Первая учебная тетрадь

    Русский язык

  • Язык и речь

    Русский язык

  • Числа от 1 до 100. Счёт десятками.

    Математика