§13. Обмен веществ и превращение энергии в клетке

Скачать:

Предварительный просмотр:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение Саратовской области

«Балашовский техникум механизации сельского хозяйства»

Методическая разработка бинарного занятия

по дисциплинам «Биология» и «Химия» на тему:

«Обмен веществ и превращение энергии в клетке»

Подготовили:

Курсакова С.Н.

Гречишкина И.Н.

Балашов 2015 г.

1.Предисловие

2.Основная часть

3.Заключение

4.Литература

1.Предисловие

Обмен веществ – это основа жизнедеятельности клетки. Знания процессов обмена веществ в клетке позволяют понять, как происходит круговорот веществ в природе, каким образом накапливается растительная биомасса, которая является основой питания для гетеротрофных организмов, решать проблемы связанные с обеспечением продуктами питания большей части населения планеты.

Все живые организмы представляют собой открытые системы, способные активно организовать поступления энергии и вещества извне.

Энергия необходима для осуществления жизненно важных процессов, но прежде всего для химического синтеза вещества, используемых для построения и восстановления структур клетки и организма.

Сегодня на уроке мы рассмотрим процессы обмена веществ, органические и неорганические вещества, входящие в состав пищевых продуктов, а также рассмотрим проблему обеспечения продуктами питания населения планеты.

2.Основная часть

Учебно-методическая карта занятия

Тема занятия: «Обмен веществ и превращение энергии в клетке»

Вид занятия: бинарный урок.

Цели занятия:

Учебная: изучить виды обмена веществ в клетке, сформировать понятия жиров, белков, углеводов, показать связь калорийности продуктов с расходом внутренней энергии.

Развивающая: Совершенствовать умение анализировать причинно-следственные связи при объяснении сущности природных явлений.

Воспитательная: показать как человек познавая законы природы, заставляет их работать на благо людей.

Наглядные пособия:

Стенд «Фотосинтез»

Плакат «Преобразование энергии АТФ»

Плакат «Строение молекулы белка».

Слайды.

Набор реактивов

Раздаточный материал: упаковки пищевых продуктов с обозначением калорийности продуктов.

Ход занятия

2. Выявление степени готовности студентов к занятию.

3. Мотивация познавательной деятельности студентов

4. Запись темы и плана занятия

План

2).Вещества входящие в состав пищевых продуктов.

5.. Объяснение нового материала (метод: объяснительно-иллюстративный)

6.Закрепление изученного материала.

7. Задание на дом

8. Заключительная часть

1.Организационный момент (приветствие, отметка отсутствующих, проверка готовности студентов к занятию)

1)Выявление степени готовности студентов к занятию.

Метод тестирование (см. Приложение№)

3.Мотивация познавательной деятельности.

Сегодня мы проводим необычный урок, который называется бинарным. Все дисциплины имеют связь между собой и многие темы взаимно дополняют друг друга

4.Запись темы и плана занятия

План

1).Пластический и энергетический обмен веществ в клетке

2).Вещества, входящие в состав пищевых продуктов.

3). Проблема обеспечения населения продуктами питания

5. Объяснение нового материала (метод: объяснительно-иллюстративный)

Вопрос №1 «Пластический и энергетический обмен веществ в клетке»

На предыдущих занятиях мы рассмотрели структуру клетки, познакомились с функциями органоидов клетки, отмечали, что в клетке находятся как органические, так и неорганические соединения.

Сегодня мы изучим, каким образом происходит обмен веществ в клетке, рассмотрим свойства органических и неорганических веществ.

Обмен веществ – это основа жизнедеятельности клетки. Знания процессов обмена веществ в клетке позволяют понять, как происходит круговорот веществ в природе, каким образом накапливается растительная биомасса, которая является основой питания для гетеротрофных организмов, решать проблемы связанные с обеспечением продуктами питания большей части населения планеты.

Все живые организмы представляют собой открытые системы, способные активно организовать поступления энергии и вещества извне.

Энергия необходима для осуществления жизненно важных процессов, но прежде всего для химического синтеза вещества, используемых для построения и восстановления структур клетки и организма.

Сейчас мы посмотрим с вами фильм «пластический и энергетический обмен» Обратите внимание, как образуются сложные органические вещества, и что происходит при расщеплении данных соединений (Просмотр диафильма).

Мы с вами познакомились с двумя видами обмена веществ. Рассмотрим их более подробно.

Запишете: «Пластический обмен»

Определение: реакция синтеза осуществляющийся с потреблением энергии, составляют основу пластического обмена (или ассимиляции).

Существуют различные формы пластического обмена: биосинтез белков, хемосинтез, фотосинтез.

Некоторые формы пластического обмена характерны только для автотрофных организмов, а некоторые и для автотрофных и гетеротрофных.

Давайте повторим какие организмы мы называем автотрофными (ответ ребят), а какие гетеротрофными (ответ ребят).вот такая форма пластического обмена как фотосинтез. Характерна для гетеротрофных или автотрофных организмов? (ответ ребят)

Рассмотрим как происходит фотосинтез.

К стенду . Фотосинтез состоит из двух фаз световой и темновой.

Графопроектор . В световой фазе квант света действует на электроны воды и подвергает её фоторазложению

Н 2 О  Н + +(ОН) -

Ионы гидроксила отдают свои электроны другим молекулам, и превращается в свободный радикал.

(ОН) -  ОН

Ионы гидроксила ОН взаимодействуют друг с другом в результате чего образуется вода и кислород:

4ОН  2Н 2 О+О 2

Энергия света используется для синтеза АТФ, АДФ и фосфата.

То есть накапливается энергия, которая необходима в темновой фазе.

В темновой фазе протекает ряд реакций, в которых участвуют молекулы АТФ и атомы Н

6СО 2 +24Н  С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О

Молекулы глюкозы соединяются между собой и образуют крахмал, который откладывается в виде запасов.

Так энергия солнечного света преобразуется в энергия химических связей сложных органических соединений.

Запишете, какие процессы происходят в световой и темновой фазе.

А теперь рассмотрим энергетический обмен. Запишите: «Энергетический обмен»

Определение: реакции расщепления сопровождающаяся высвобождением энергии составляют основу энергетического обмена или диссимиляции.

Энергетический этап проходит в три этапа. Конечным результатом является окисление органических веществ при окислении глюкозы выделяется большое количество энергии

С 6 Н 12 О 6 +6О 2  6Н 2 О+6СО 2 +АТФ

Часть энергии освобождаемой из питательных веществ рассеивается в форме теплоты, а часть аккумулируется в богатых энергиях молекулах АТФ.

Плакат .

АТФ состоит из азотистого основания аденина, углерода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.

Именно АТФ обеспечивает энергией все виды клеточных функции: биосинтез, механическую работу. При этом АТФ теряет фосфорный остаток и превращается в АДФ. АТФ обновляется чрезвычайно быстро, у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее одной минуты.

А теперь рассмотрим, как преобразуется энергия пищевых продуктов в организме человека.

Если у растений источником энергии является солнечный свет, то единственным источником энергии для организма является пища.

Процесс потребления энергии и вещества называется питанием.

Энергию, поставляемую организмом с продуктами питания принято выдавать в килокалориях.

Количество энергии, выделяемой при усвоение организмом того или иного пищевого продукта называется калорийностью этого продукта.

Перед вами образцы упаковок продуктов питания. На каждом мы видем, проставлены калорийность данного продукта.

Калорийность измеряется в калориях

1 калорий – 4,19 Дж

1 килокалорий – 1000 калорий

Человек активно расходует энергию в процессе жизнедеятельности

Занятия – 6000 Дж

Зарядка – 16000 Дж

Ходьба – 15000 Дж

Плаванье – 30000 Дж

Эту энергию мы восполняем с пищей.

Продукты питания содержат органические вещества:

Жиры, белки, углеводы. При расщеплении этих веществ выделяется большое количество энергии.

Для организма важно, какие группы веществ обеспечивают калорийность питания. Для нормальной жизнедеятельности человека необходимо определенной соотношение органических и неорганических веществ.

О строение этих веществ расскажет преподаватель химии.

Вопрос №2 «Вещества входящие в состав пищевых продуктов»

Растительные и животные клетки, обладают строения, сходит и по химическому составу. В клетках обнаружено около 90 элементов периодической системы Д.М.Менделеева кислорода 70%, углерода 18%, водорода 10% , азота 3%, а так же Fe, K, S, P, Cl, Mg, Na, I, F и т.д

Так, например N и S входят в состав белка, P – в ДНК и РНК, Mg – в состав ферментов и хлорофилла.

Вода занимает 80% обмена клетки, она прочно связана с белками и образует вокруг них водные оболочки. В живых организмах вода не только растворяет вещества, но и участвует протекающих реакциях гидролиза.

К органическим веществам относятся белки, углеводы, жиры.

Белки - это полимеры, они состоят из аминокислот. На долю белков в клетке приходится 50-80% сухой массы. Они имеют относительную молекулярную массу. В состав аминокислот две функциональные группы СООН и NН 2 , поэтому белки являются амфотерными соединениями. Макромолекула белка имеет первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру. В организме человека происходит гидролиз белков (под влиянием ферментов, при этом аминокислоты попадают в кровь и поступают в ткани и клетки организма, где образуются белки, необходимые данному организму).

Жиры – это сложные эфиры трехатомного спирта глицерина, высших карбоновых кислот. Их содержится в клетках 5-15% от сухой массы. Жиры попадая в организм человека под действием ферментов подвергаются гидролизу. Продукт гидролиза – глицерин и карбоновые кислоты всасываются ворсинками кишечника и снова образуют жир, необходимый данному организму. Жиры – это источники энергии, при расщеплении 1гр. жира выделяется 38,9 кдж.

Углеводы – это органические вещества состоящие из С и Н 2 О. Они делятся на три группы: моносахариды (глюкоза и фруктоза), дисахариды (сахароза), полисахариды (крахмал, целлюлоза). Глюкоза и фруктоза хорошо растворимы в воде. Полисахариды состоят из остатков моносахаридов, нерастворимы в воде. Углеводы играют важную роль в обмене веществ и энергии в организме человека. Являются основным компонентом пищи, углеводы поставляют большую часть энергии, необходимой для жизнедеятельности организмов. Некоторые углеводы входят в состав нуклеиновых кислот, осуществляют биосинтез белка и передачу наследственной информации.

Вопрос №3 «Проблема обеспечения населения продуктами питания»

Пищевые продукты в организме человека выполняют 3 функции:

1.Снабжают организмы материалом для построения его тканей и постоянного обновления их;

2.Снабжают организм энергией, необходимой для жизнедеятельности и совершения работы;

3.Снабжают организм веществами, играющую важную роль в регулировании обмена веществ.

В организме человека питательные вещества подвергаются сложным изменениям, в результате которых превращаются в вещества самого организма, его клеток и тканей, т.е. усваиваются. Этот процесс называется ассимиляцией. Одновременно с созданием клеток и тканей в организме постоянно происходит частичное и разрушение. Процесс распада веществ, входящих в состав клеток и тканей называется диссимиляцией и происходит с выделением энергии затрачиваемой на все виды работ организма.

Оба процесса находятся в тесной взаимосвязи и называются обменом веществ.

Потребность в различных пищевых веществах и энергии зависит от пола, возраста и характера трудовой деятельности. Для правильного составления рациона питания с учетом характера и интенсивности трудовой деятельности.

Правильное составлении индивидуального рациона питания возможно лишь при знании химического состава пищевых продуктов, которые подразделяются на две группы: органические и неорганические. Для обеспечения населения продуктами питания используют «искусственную пищу». Термин «искусственная пища» означает искусственное получение продуктов питания, т.е. получение их путем химической реакции. При создании искусственных продуктов питания очень важно подобрать запах и вкус. Сегодня могут синтезировать любой запах и создать меню хорошего обеда: черная икра, лососина, суп куриный. Мармелад, соки

6. Закрепление

Выберите правильный ответ:

1.В процессе дыхания:

1. Поглощается кислород
2. Выделяется углекислый газ
3. Поглощается углекислый газ

2. Кислород выделяющийся при фотосинтезе, образуется при распаде:

1. Глюкозы
2. Воды

1. Соединение простых веществ в сложные называется:

1. Метаболизмом
2. Ассимиляцией
3. Метаболизмом

1. В процессе гликолиза в клетках животных образуется:

1. Глюкоза
2. Молочная кислота
3. Крахмал

1. К процессам ассимиляции относится:

1. Фотосинтез
2. Дыхания
3. Синтез белка

7. Заключение

Сегодня на уроке мы рассмотрели вещества, которые снабжают организм энергией, необходимой для жизнедеятельности и совершения работы, они играют важную роль в обмене веществ и энергии в клетке. В организме человека питательные вещества подвергаются сложным изменениям, в результате которого они превращаются в вещества самого организма. Потребность в различных пищевых веществах и энергия зависят от пола, возраста и характера трудовой деятельности

Литература

1. Захаров В.Б.. Общая биология – М.: Дрофа-2003 г.

2. Ридигер О.Н. Биология – М.:АСТ-ПРЕСС ШКОЛА, 2003.

3.Габриелян О. С., Остроумов И. Г. Химия - М.: ОИЦ «Академия»,2008.

Все живые организмы на Земле представляют собой открытые системы, способные активно организовывать поступление энергии и вещества извне. Энергия необходима для осуществления жизненно важных процессов, но прежде всего для химического синтеза веществ, используемых для построения и восстановления структур клетки и организма. Живые существа способны использовать только два вида энергии: световую (энергию солнечного излучения) и химическую (энергию связей химических соединении) – по этому признаку организмы делятся на две группы – фототрофы и хемотрофы.

Главным источником структурных молекул является углерод. В зависимости от источников углерода живые организмы делят на две группы: автотрофы, использующие не органический источник углерода (диоксид углерода), и гетеротрофы, использующие органические источники углерода.

Процесс потребления энергии и вещества называется питанием. Известны два способа питания: голозойный – посредством захвата частиц пищи внутрь тела и голофитный – без захвата, посредством всасывания растворенных пищевых веществ через поверхностные структуры организма. Пищевые вещества, попавшие в организм, вовлекаются в процессы метаболизма.

Метаболизм представляет собой совокупность взаимосвязанных и сбалансированных процессов, включающих разнообразные химические превращения в организме. Реакции синтеза, осуществляющиеся с потреблением энергии, составляют основу анаболизма (пластического обмена или ассимиляции).

Реакции расщепления, сопровождающиеся высвобождением энергии, составляют основукатаболизма (энергического обмена или диссимиляции).

1. Значение АТФ в обмене веществ

Энергия, высвобождающая при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме высокоэнергетических соединений, как правило, в форме аденозинтрифосфата (АТФ). По своей химической природе АТФ относится к мононуклеотидам и состоит из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.

Энергия, высвобождающаяся при гидролизе АТФ, используется клеткой для совершения всех видов работы. Значительные количества энергии расходуются на биологические синтезы. АТФ является универсальным источником энергообеспечения клетки. Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования, происходящему с разной интенсивностью при дыхании, брожении и фотосинтезе. АТФ обновляется чрезвычайно быстро (у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 минуты).

2. Энергетический обмен в клетке. Синтез АТФ

Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения неорганического фосфата к АДФ. Энергия для фосфорилирования АДФ образуется в ходе энергетического обмена. Энергетический обмен, или диссимиляция, представляет собой совокупность реакции расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. В зависимости от среды обитания диссимиляция может протекать в два или три этапа.

У большинства живых организмов – аэробов, живущих в кислородной среде, - в ходе диссимиляции осуществляется три этапа: подготовительный, бескислородный, кислородный. У анаэробов, обитающих в среде лишенной кислорода, или у аэробов при его недостатке, диссимиляция протекает лишь в два первых этапа с образованием промежуточных органических соединений, еще богатых энергией.

Первый этап – подготовительный – заключается в ферментативном расщеплении сложных органических соединении на более простые (белков на аминокислоты; полисахаридов на моносахариды; нуклеиновых кислот на нуклеотиды). Внутриклеточное расщепление органических веществ происходит под действием гидролитических ферментов лизосом. Высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде теплоты, а образующиеся малые органические молекулы могут подвергнутся дальнейшему расщеплению и использоваться клеткой как «строительный материал» для синтеза собственных органических соединений.

Второй этап – неполное окисление – осуществляется непосредственно в цитоплазме клетки, в присутствии кислорода не нуждается и заключается в дальнейшем расщеплении органических субстратов. Главным источником энергии в клетке является глюкоза . Бескислородное, неполное расщепление глюкозы, называют гликолизом.

Третий этап – полное окисление – протекает при обязательном участие кислорода. В его результате молекула глюкозы расщепляется до неорганического диоксида углерода, а высвободившаяся при этом энергия частично расходуется на синтез АТФ.

3. Пластический обмен

Пластический обмен, или ассимиляция, представляют собой совокупность реакций, обеспечивающих синтез сложных органических соединений в клетке. Гетеротрофные организмы строят собственные органические вещества из органических компонентов пищи. Гетеротрофная ассимиляция сводится, по существу, к перестройке молекул.

Органические вещества пищи (белки, жиры, углеводы) --> пищеварение --> Простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахара) --> биологические синтезы --> Макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы)

Автотрофные организмы способны полностью самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических молекул, потребляемых из внешней среды. В процессе автотрофной ассимиляции реакции фото- и хемосинтеза, обеспечивающие образование простых органических соединений, предшествует биологическим синтезам молекул макромолекул:

Неорганические вещества (углекислый газ, вода) --> фотосинтез, хемосинтез --> Простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахара)-----биологические синтезы --> Макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы)

4. Фотосинтез

Фотосинтез – синтез органических соединении из неорганических, идущий за счет энергии клетки. Ведущую роль в процессах фотосинтеза играют фотосинтезирующие пигменты, обладающие уникальным свойством – улавливать свет и превращать его энергию в химическую энергию. Фотосинтезирующие пигменты представляют собой довольно многочисленную группу белково-подобных веществ. Главным и наиболее важным в энергетическом плане является пигментхлорофилл а , встречающиеся у всех фототрофов, кроме бактерии-фотосинтетиков. Фотосинтезирующие пигменты встроены во внутреннюю мембрану пластид у эукариот или во впячивания цитоплазматической мембраны у прокариот.

В процессе фотосинтеза кроме моносахаридов (глюкоза и др.), которые превращаются в крахмал и запасаются растением, синтезируются мономеры других органических соединении – аминокислоты, глицерин и жирные кислоты. Таким образом, благодаря фотосинтезу растительные, а точнее – хлорофиллосодержащие, клетки обеспечивают себя и все живое на Земле необходимыми органическими веществами и кислородом.

5. Хемосинтез

Хемосинтез также представляет собой процесс синтеза органических соединении из неорганических, но осуществляется он не за счет энергии света, а за счет химической энергии, получаемой при окислении неорганических веществ (серы, сероводорода, железа, аммиака, нитрита и др.). Наибольшее значение имеют нитрифицирующие, железо- и серобактерии.

Высвобождающаяся в ходе реакций окисления энергия запасается бактериями в виде АТФ и используется для синтеза органических соединений. Хемосинтезирующие бактерии играют очень важную роль в биосфере. Они участвуют в очистке сточных вод, способствуют накоплению в почве минеральных веществ, повышают плодородие почвы.

ДНК -биополимер, микро молекула, полинуклеотид, -маномер-нуклеотид Азотистые основания-дезоксирибоза-остаток фосфорной кислоты Азотистые основания:аденин,тимин,гуанин,цитозин -двуцепочечное строение РНК -биополимер,макромолекула, полинуклеотид, -маномер-нуклеотид Азотистые основания-Рибоза-Остаток фосфорной кислоты Азотистые основания:аденин,урацил,гуанин,цитозин. Молекула РНК- одноцепоченная. Функции: ДНК- хранение генетической информации РНК- передача генетической иформации

Иформационная РНК, несущая сведения о первичной структуре белковых молекул, синтезируется в ядре. Пройдя через поры ядерной оболочки, и-РНК направляется к рибосомам, где осуществляется расшифровка генетической информации - перевод ее с Уязыка нуклеотидов на Уязык аминокислот.

Аминокислоты, из которых синтезируются белки, доставляются к рибосомам с помощью специальных РНК, называемых транспортными (т-РНК). В т-РНК последовательность трех нуклеотидов комплементарна нуклеотидам кодона в и-РНК. Такая последовательность нуклеотидов в структуре т-РНК называется антикодоном. Каждая т-РНК присоединяет определенную, Усвою аминокислоту, при помощи ферментов и с затратой АТФ. В этом состоит первый этап синтеза.

Для того чтобы аминокислота включилась в цепь белка, она должна оторваться от т-РНК. На втором этапе синтеза белка т-РНК выполняет функцию переводчика с Уязыка нуклеотидов на Уязык аминокислот. Такой перевод происходит на рибосоме. В ней имеется два участка: на одном т-РНК получает команду от и-РНК - антикодон узнает кодон, на другом - выполняется приказ - аминокислота отрывается от т-РНК.

Третий этап синтеза белка заключается в том, что фермент синтетаза присоединяет оторвавшуюся от т-РНК аминокислоту к растущей белковой молекуле. Информационная РНК непрерывно скользит по рибосоме, каждый триплет сначала попадает в первый участок, где узнается антикодоном т-РНК, затем на второй участок. Сюда же переходит т-РНК с присоединенной к ней аминокислотой, здесь аминокислоты отрываются от т-РНК и соединяются друг с другом в той последовательности, в которой триплеты следуют один за другим.

Когда на рибосоме в первом участке оказывается один из трех триплетов, являющихся знаками препинания между генами, это означает, что синтез белка завершен. Готовая цепь белка отходит от рибосомы. Процесс синтеза белковой молекулы требует больших затрат энергии. На соединение каждой аминокислоты с т-РНК расходуется энергия одной молекулы АТФ.

Для увеличения производства белков и-РНК часто одновременно проходит не через одну, а через несколько рибосом последовательно. Такую структуру, объединенную одной молекулой и-РНК, называют полисомой. На каждой рибосоме в таком, похожем на нитку бус, конвейере последовательно синтезируются несколько молекул одинаковых белков.

Синтез белка на рибосомах носит название трансляции. Синтез белковых молекул происходит непрерывно и идет с большой скоростью: в одну минуту образуется от 50 до 60 тыс. пептидных связей. Синтез одной молекулы белка длится всего 3-4 секунды. Каждый этап биосинтеза катализируется соответствующими ферментами и снабжается энергией за счет расщепления АТФ. Синтезированные белки поступают в каналы эндоплазматической сети, по которым транспортируются к определенным участкам клетки.

Растительная клетка как осмотическая система

Растительная клетка представляет собой осмотическую систему. Клеточный сок вакуоли является высококонцентрированным раствором. Осмотическое давление клеточного сока обозначается - .

Чтобы попасть в вакуоль, вода должна пройти через клеточную стенку, плазмалемму, цитоплазму и тонопласт. Клеточная стенка хорошо проницаема для воды. Плазмалемма и тонопласт обладают избирательной проницаемостью. Поэтому растительную клетку можно рассматривать как осмотическую систему, в которой плазмалемма и тонопластявляются полупроницаемой мембраной, а вакуоль с клеточным соком – концентрированным раствором. Поэтому, если клетку поместить в воду, то вода по законам осмоса начнет поступать внутрь клетки.

Сила, с которой вода поступает внутрь клетки, называется сосущей силой – S.

Она тождественна водному потенциалу.

По мере поступления воды в вакуоль, ее объем увеличивается, вода разбавляет клеточный сок, и клеточные стенки начинают испытывать давление. Клеточная стенка обладает определенной эластичностью и может растягиваться.

С увеличением объема вакуоли цитоплазма прижимается к клеточной стенке и возникает тургорное давление на клеточную стенку (Р). Одновременно со стороны клеточной стенки возникает равное по величине противодавление клеточной стенки на протопласт. Противодавление клеточной стенки называется потенциалом давления (-Р).

Таким образом, величина сосущей силы S определяется осмотическим давлением клеточного сока и тургорным гидростатическим давлением клетки Р, которое равно противодавлению клеточной стенки, возникающей при ее растяжении –Р.

S = - Р или - - .

Если растение находится в условиях достаточной увлажненности почвы и воздуха, то клетки находятся в состоянии полного тургора. Когда клетка полностью насыщена водой (тургесцентна), то ее сосущая сила равна нулю S = 0, а тургорное давление равно потенциальному осмотическому давлению Р = .

При недостатке влаги в почве вначале возникает водный дефицит в клеточной стенке. Водный потенциал клеточной стенки становится ниже, чем в вакуолях, и вода начинает перемещаться из вакуоли в клеточную стенку. Отток воды из вакуоли снижает тургорное давление в клетках и увеличивает их сосущую силу. При длительном недостатке влаги большинство клеток теряет тургор, и растение начинает завядать, теряя эластичность и упругость. При этом тургорное давление Р = 0, а сосущая сила S =

Если из-за очень большой потери воды тургорное давление упадет до нуля, то лист завянет совсем. Дальнейшая потеря воды приведет к гибели протопласта клеток. Приспособительным признаком к резкой потере воды является быстрое закрытие устьиц при недостатке влаги.

Клетки могут быстро восстановить тургор, если растение получит достаточное количество воды или в ночное время, когда растение получает достаточное количество воды из почвы. А также при поливе.

Водный потенциал; равен 0 для чистой воды; равен 0 или отрицателен для клеток.

Осмотический потенциал, всегда отрицателен

Потенциал давления; обычно положителен для в живых клетках(в клетках, содержимое которых находится под давлением, но отрицателен в клетках ксилемы(в которых создается натяжение воды).

Суммарный результат действия

При полном тургоре

При начальном плазмолизе

Если поместить клетку в гипертонический раствор с более низким водным потенциалом, то вода начинает выходить из клетки путем осмоса через плазматическую мембрану. Сначала вода будет выходить из цитоплазмы, затем через тонопласт из вакуоли. Живое содержимое клетки – протопласт при этом сморщивается и отстает от клеточной стенки. Происходит процесс плазмолиза. Пространство между клеточной стенкой и протопластом заполняет наружный раствор. Такая клетка называетсяплазмолизированной. Вода будет выходить из клетки до тех пор, пока водный потенциал протопласта не станет равен водному потенциалу окружающего раствора, после чего клетка перестает сморщиваться. Этот процесс обратим и клетка не получает повреждений.

Если клетку поместить в чистую воду или гипотонический раствор, то тургорное состояние клетки восстановится и происходит процесс деплазмолиза.

В условиях водного дефицита в молодых тканях резкое усиление потери воды приводит к тому, что тургорное давление клетки становится отрицательным и протопласт, сокращаясь в объеме, не отделяется от клеточной стенки, а тянет ее за собой. Клетки и ткани сжимаются. Это явление называется циторриз.

Лекция: Обмен веществ и превращения энергии - свойства живых организмов

Обмен веществ

Обмен веществ (метаболизм) – это химические процессы, являющиеся жизнью.

Базовой основой процесса жизни является синтез собственных веществ из продуктов расщепления полученных. Рассматриваются две разновидности метаболитических процессов:

пластический обмен – анаболизм или синтез, при котором происходит накопление потенциальной энергии в виде химических связей.

энергетический обмен – катаболизм, представляющий собой разложение веществ, с выделением энергии при разрыве связей.

Обе группы взаимосвязаны. Для синтеза нужна энергия, ее организм получает посредством катализа (расщепления).

Получение энергии посредством катализа

Жизнь возможна за счет использования химической и световой энергии. Автотрофные растения синтезируют глюкозу с помощью солнечного света из воды и углекислого газа. Многие бактерии живут за счет хемосинтеза – процесса окисления неорганических веществ, используя серные, азотные, углеродные соединения. Грибы и животные получают энергию и материю для синтеза, потребляя созданные растениями сахара и другие органические соединения. Некоторые организмы могут иметь смешанные виды питания и являться миксотрофами – эвглена, росянка.

Очень важна роль ферментов – они ускоряют химические реакции до необходимых для поддержания жизнедеятельности скоростей, в сотни тысяч раз. Без них жизнь невозможна, из-за низких скоростей химических реакций. Ферменты имеют белковую структуру, каждый является катализатором одного вида реакций. Свойства ферментов определяются их структурой – в молекуле белка-фермента имеется активный центр, взаимодействующий с целевыми химическими веществами.

Уровень активности ферментов определяется различными параметрами :

Температурой. С ее ростом активность повышается.

Кислотностью среды. Для работы большей части ферментов необходима нейтральная среда, кислая - предпочтительна для пищеварения млекопитающих, щелочная -- для ферментов секрета поджелудочной железы.

Количеством субстрата.

Названия белков-ферментов оканчиваются на -аза.

Особенностью энергетического обмена, характерной для аэробных организмов является его поэтапное прохождение. Выделяется три этапа:

Подготовительный. Это пищеварение, происходящее в пищеварительных вакуолях лизосом простейших, в ЖКТ у многоклеточных. Функционально – это процесс разложения макромолекул на мономеры.

Гликолиз. Происходит в цитоплазме. Это бескислородное превращение глюкозы с ее окислением. Происходит несколько каскадных химических реакций. В их результате из глюкозы получается 2 молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) и 2 молекулы АТФ. Частично выделяющаяся в ходе реакций энергия запасается обратно в АТФ, часть ее – в виде тепла рассеивается в пространство.

Кислородный этап. Это - каскадный двуступенчатый процесс: цикл Кребса с последующим окислительным фосфорилированием (дыханием). Пируват на этом этапе превращается в углекислый газ и воду с образованием 34 молекул АТФ, а затем образованием еще 2 при дыхании. С химической точки зрения энергетический обмен выглядит как: С6Н12O6 + 6O2 = 6СO2 + 6Н2O + 38АТФ.

Другие виды получения энергии

Брожение. Один из основных способов получения энергии простейшими и некоторыми клетками высших животных. При этом, полученный из глюкозы пируват растительными клетками включается в спиртовое брожение, распадаясь на углекислый газ и спирт. У животных пируват вступает в молочнокислое брожение – он превращается в молочную кислоту. В условиях недостатка кислорода мышечные клетки прибегают к менее эффективному, но более быстрому способу синтеза АТФ. Излишки молочной кислоты, не успевающие включиться в метаболизм из-за недостатка кислорода вызывают боль в мышцах. Существуют еще такие виды брожения, как метановое (способ очистки сточных вод), маслянокислое, уксуснокислое.

Фотосинтез. Был доказан в 1630 г голландцем ван Гельмонтом, который обнаружил самостоятельное создание растениями питательных веществ. Изменение состава воздуха растениями доказано в 1771 г Д.Пристли. Сейчас наука рассматривает фотосинтез, как процессы синтеза клетками зеленых растений глюкозы из воды и углекислого газа под воздействием солнечного света.

Хлорофилл представляет собой сложную молекулу, состоящую из, примерно, десятка ароматических пятичленных колец, с магниевыми комплексами.

Достаточно изученная световая фаза фотосинтеза разделяется на несколько этапов:

полученный извне фотон становится причиной возбуждения молекулы хлорофилла, ее электроны сдвигаются на более высокий уровень;
электроны подхватываются ионизированным никотинамиддифосфатом, что приводит к его востановлению;

происходит фотолиз воды - с разложением на ионизированный водород, 4 электрона, молекулу кислорода.

Эта первичная фаза происходит на складчатых образованиях внутреннего мембранного слоя - тилакоидах хлоропластов.Стопки мембран внутри пластиды называются граны.

Во время темновой фотосинтетической фазы между гранами внутри хлоропласта (в строме) производится синтез молекул углеводов, с использованием энергии АТФ никотиамиддифосфата, а также углекислого газа.

Хемосинтез. В условиях отсутствия питательных веществ и солнечного света обитают многие виды хемосинтезирующих бактерий:

железобактерии – получают энергию, увеличивая степень окисления железа - от двух до трехвалентного.

водородные – превращают в воду молекулярный водород.

тионовые – живут за счет окисления тиосульфатов и других соединений серы, а также ее молекулярной формы до серной кислоты. Многие из них могут обитать в экстремально кислых средах, индифферентны к высоким концентрациям тяжелых металлов, выщелачивая их из руд.

серобактерии – превращают сероводород в чистую серу и соли серной кислоты;
нитрифицирующие – превращают аммиак в азотную и азотистую кислоты.

Хемосинтетики являются важным звеном круговорота веществ.

Любое свойство живого, и любое проявление жизни связано с определёнными химическими реакциями в клетке. Эти реакции идут либо с затратой, либо с освобождением энергии. Вся совокупность процессов превращения веществ в клетке, а также в организме, называется метаболизмом.

Анаболизм

Клетка в процессе жизни поддерживает постоянство своей внутренней среды, называемое гомеостазом. Для этого она синтезирует вещества в соответствии со своей генетической информацией.

Рис. 1. Схема метаболизма.

Эта часть метаболизма, при которой создаются характерные для данной клетки высокомолекулярные соединения, называется пластическим обменом (ассимиляцией, анаболизмом).

К реакциям анаболизма относится:

• синтез белков из аминокислот;
• образование крахмала из глюкозы;
• фотосинтез;
• синтез жиров из глицерина и жирных кислот.

Эти реакции возможны только при затратах энергии. Если для фотосинтеза затрачивается внешняя (световая) энергия, то для остальных - ресурсы клетки.

ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой

Количество затрачиваемой на ассимиляцию энергии больше, чем запасается в химических связях, т. к. часть её используется на регуляцию процесса.

Катаболизм

Другая сторона обмена веществ и превращения энергии в клетке - энергетический обмен (диссимиляция, катаболизм).

Реакции катаболизма сопровождаются выделением энергии.
К этому процессу относятся:

• дыхание;
• распад полисахаридов на моносахариды;
• разложение жиров на жирные кислоты и глицерин, и другие реакции.

Рис. 2. Процессы катаболизма в клетке.

Взаимосвязь процессов обмена

Все процессы в клетке тесно связаны между собой, а также с процессами в других клетках и органах. Превращения органических веществ зависят от наличия неорганических кислот, макро- и микроэлементов.

Процессы катаболизма и анаболизма идут в клетке одновременно и являются двумя противоположными составляющими метаболизма.

Обменные процессы связаны с определёнными структурами клетки:

• дыхание - с митохондриями;
• синтез белков - с рибосомами;
• фотосинтез - с хлоропластами.

Для клетки характерны не отдельные химические процессы, а закономерный порядок, в котором они осуществляются. Регуляторами обмена являются белки-ферменты, которые направляют реакции и изменяют их интенсивность.

АТФ

Особую роль в метаболизме играет аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Она является компактным химическим аккумулятором энергии, используемым для реакций синтеза.

Рис. 3. Схема строения АТФ и превращения её в АДФ.

За счёт своей неустойчивости АТФ образует молекулы АДФ и АМФ (ди- и монофосфат) с выделением большого количества энергии для процессов ассимиляции.

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?

Итак, в процессе энергетического обмена расщепляются органические соединения и запасается энергия, а во время пластического обмена расходуется энергия и синтезируются органические вещества. Реакции энергетического и пластического обмена находятся в неразрывной связи, образуя в совокупности единый процесс – обмен веществ и энергии, или метаболизм. Метаболизм непрерывно осуществляется во всех клетках, тканях и органах, поддерживая постоянство внутренней среды организма – гомеостаз.

Энергетический обмен. Большинству организмов на нашей планете для жизнедеятельности необходим кислород. Такие организмы называют аэробными. Энергетический обмен у аэробов происходит в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный. При наличии кислорода органические вещества в процессе дыхания полностью окисляются до углекислого газа и воды, в результате чего запасается большое количество энергии.

Анаэробные организмы способны обходиться без кислорода. Для некоторых из них кислород вообще губителен, поэтому они живут там, где кислорода нет совсем, как, например, возбудитель столбняка. Другие, так называемые факультативные анаэробы, могут существовать как без кислорода, так и в его присутствии. Энергетический обмен у анаэробных организмов происходит в два этапа: подготовительный и бескислородный, поэтому органические вещества окисляются не полностью и энергии запасается гораздо меньше.

Рассмотрим более подробно три этапа энергетического обмена (рис. 49).

Подготовительный этап. Этот этап осуществляется в желудочно-кишечном тракте и в лизосомах клеток. Здесь высокомолекулярные соединения под действием пищеварительных ферментов распадаются до более простых, низкомолекулярных: белки – до аминокислот, полисахариды – до моносахаридов, жиры – до глицерина и жирных кислот. Энергия, которая выделяется при этих реакциях, не запасается, а рассеивается в виде тепла. Низкомолекулярные вещества, образующиеся на подготовительном этапе, могут использоваться организмом для синтеза своих собственных органических соединений, т. е. вступать в пластический обмен или расщепляться дальше с целью запасания энергии.

Рис. 49. Этапы энергетического обмена

Бескислородный этап. Второй этап протекает в цитоплазме клеток, где происходит дальнейшее расщепление простых органических веществ. Аминокислоты, образованные на первом этапе, организм не использует на следующих этапах диссимиляции, потому что они необходимы ему в качестве материала для синтеза собственных белковых молекул. Поэтому для получения энергии очень редко расходуются белки, только в том случае, когда остальные резервы (углеводы и жиры) уже исчерпаны. Обычно самым доступным источником энергии в клетке является глюкоза.

Сложный многоступенчатый процесс бескислородного расщепления глюкозы на втором этапе энергетического обмена называют гликолизом (от греч. glycos – сладкий и lysis – расщепление).

В результате гликолиза глюкоза расщепляется до более простых органических соединений (глюкоза С 6 Н 12 О 6 ? пировиноградная кислота С 3 Н 4 О 3). При этом выделяется энергия, 60 % которой рассеивается в виде тепла, а 40 % используется для синтеза АТФ. При расщеплении одной молекулы глюкозы образуется две молекулы АТФ и две молекулы пировиноградной кислоты. Таким образом, на втором этапе диссимиляции организм начинает запасать энергию.

Дальнейшая судьба пировиноградной кислоты зависит от присутствия кислорода в клетке. Если кислород есть, то пировиноградная кислота поступает в митохондрии, где происходит ее полное окисление до СО 2 и Н 2 О и осуществляется третий, кислородный этап энергетического обмена (см. ниже).

При отсутствии кислорода происходит так называемое анаэробное дыхание, которое часто называют брожением. В клетках дрожжей в процессе спиртового брожения пировиноградная кислота (ПВК) превращается в этиловый спирт (ПВК? Этиловый спирт + СО 2).

При молочнокислом брожении из ПВК образуется молочная кислота. Этот процесс может происходить не только у молочнокислых бактерий. При напряженной физической работе в клетках мышечной ткани человека возникает нехватка кислорода, в результате чего образуется молочная кислота, накопление которой вызывает чувство усталости, боль и иногда даже судороги.

Кислородный этап. На третьем этапе продукты, образовавшиеся при бескислородном расщеплении глюкозы, окисляются до углекислого газа и воды. При этом освобождается большое количество энергии, значительная часть которой используется для синтеза АТФ. Этот процесс протекает в митохондриях и называется клеточным дыханием. В ходе клеточного дыхания при окислении двух молекул ПВК выделяется энергия, запасаемая организмом в виде 36 молекул АТФ.

Итак, в процессе энергетического обмена при полном окислении одной молекулы глюкозы до углекислого газа и воды образуется 38 молекул АТФ (2 молекулы – в процессе гликолиза и 36 – в процессе клеточного дыхания в митохондриях):

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 + 38АДФ + 38Ф? 6СО 2 + 6Н 2 О + 38АТФ

В анаэробных условиях эффективность энергетического обмена значительно ниже – всего 2 молекулы АТФ. Продукты брожения (этиловый спирт, молочная кислота, масляная кислота) в своих химических связях сохраняют еще много энергии, т. е. более выгодным в энергетическом отношении является кислородный путь диссимиляции. Но исторически брожение – более древний процесс. Он мог осуществляться еще тогда, когда в атмосфере древней Земли отсутствовал свободный кислород.

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое диссимиляция? Перечислите ее этапы.

2. В чем заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?

3. Какие структуры клетки осуществляют синтез АТФ?

4. Расскажите об энергетическом обмене в клетке на примере расщепления глюкозы.

<<< Назад

Вперед >>>