Окисление органических веществ сопровождающееся синтезом атф носит название
Паразит может иметь в жизненном цикле не одного хозяина, а несколько. Делятся прокариотические клетки прямым путем перетяжкой. Последующие - с интервалом дней. Из-за высокой скорости реакции небольшое количество фермента может катализировать превращение большого количества вещества, так как освобождение фермента каждый раз идет очень быстро.
Обмен веществ, или метаболизм от греч. Для существования организмов необходимы питательные вещества и энергия, которые они получают из внешней среды. В процессе питания и дыхания в организм поступают определенные вещества, которые в результате жизнедеятельности преобразуются, частично накапливаются, а частично выделяются в окружающую среду. Энергия и питательные вещества необходимы для осуществления всех процессов жизнедеятельности организма: роста, развития, движения, размножения и т.
Основой этих процессов является обмен веществ и превращение энергии. Живая система, которой является любой организм, находится в сложных взаимоотношениях с окружающей средой. Из окружающей среды он получает пищу, воду, кислород, свет, тепло. Из поступающих веществ и энергии организмы строят свое тело, образуя массу живого вещества планеты.
В результате своей жизнедеятельности организмы сами воздействуют на окружающую среду и изменяют ее. Основой взаимосвязи живых систем и среды является обмен веществ и превращение энергии. Для неживой природы также характерен обмен веществ. Например, при разрушении и выветривании горной породы происходит обмен веществ. Под действием воды, углекислого газа и других веществ крупные сложные породы разрушаются и превращаются в песок и глину.
Химические вещества окисляются, например железо ржавеет. При их горении образуются газообразные продукты и вода, которые выделяются в атмосферу. Основное отличие между обменом веществ в неживой и живой природе заключается в том, что обмен веществ в неживой природе приводит к уничтожению, разрушению вещества, породы. Живые же организмы, благодаря метаболизму, создают новые вещества, живут и воспроизводят себе подобных. Обмен веществ и энергии состоит из двух взаимосвязанных и противоположных процессов — ассимиляции и диссимиляции.
Ассимиляция, анаболизм, или пластический обмен, — это совокупность реакций синтеза высокомолекулярных органических веществ, сопровождающихся поглощением энергии за счет распада молекул АТФ. Диссимиляция, катаболизм , или энергетический обмен , — это совокупность реакций распада и окисления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии и запасанием ее в синтезируемых молекулах АТФ. Эти процессы характерны для живых систем почти всех уровней организации, начиная от клетки и заканчивая биосферой рис.
Общая схема обмена веществ и превращения энергии Ассимиляция и диссимиляция — противоположные и взаимосвязанные процессы, составляющие единство обмена веществ. В живой природе это замкнутый процесс, так как химические элементы, из которых синтезируются органические вещества, переходят от одного организма к другому или выделяются в окружающую среду и вновь поступают в организмы. Происходит круговорот веществ и химических элементов.
Значение АТФ в обмене веществ В отличие от круговорота веществ, круговорота энергии в живых системах не происходит.
Организмам для жизнедеятельности постоянно необходима энергия. Единственным ее источником на Земле является солнце. Солнечная энергия аккумулируется растениями в процессе фотосинтеза, в результате чего она превращается в энергию химических связей молекул органических веществ. Все остальные организмы используют готовые органические вещества.
В процессе жизнедеятельности они расщепляют эти вещества, и энергия высвобождается. Она частично преобразуется, накапливается и в дальнейшем используется вновь в процессе пластического обмена на синтез органических веществ, специфичных для каждого организма.
При этом клетка или организм постоянно теряет часть энергии, которая выделяется в виде тепла. Поэтому для существования жизни на Земле необходим постоянный приток энергии.
Одним из ключевых веществ, которое способно преобразовывать энергию солнечного света в энергию химических связей органических веществ, а далее вновь накапливать и передавать для синтеза новых веществ, является АТФ рис.
В двух макроэргических связях ее молекул накапливается в 2,5 раза больше энергии, чем в обычных связях. Клетка использует эту запасенную энергию на различные процессы: биосинтез собственных органических веществ, движение, деление, передачу нервных импульсов и т.
АТФ — основное вещество, которое обеспечивает функционирование клетки, запасает энергию в процессе энергетического обмена и выделяет в процессе пластического обмена. Ее синтез происходит на кристах митохондрий.
Молекулы этого вещества легко и быстро способны доставлять энергию в любую часть клетки. АТФ является ключевым веществом обменных процессов и универсальным источником энергии в клетках, тканях и организмах. Строение молекулы АТФ: 1 — аденин; 2 — рибоза Типы обмена веществ Факторы внешней среды имеют различное значение для разных организмов.
Растениям для роста и развития необходимы свет, вода, углекислый газ, минеральные вещества. Животным и грибам таких условий недостаточно. Им необходимы готовые питательные органические вещества, а свет для существования некоторых из них не является необходимым условием.
По способу питания, источнику получения органических веществ и энергии все организмы делятся на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные организмы от греч. Фотоавтотрофы используют энергию солнечного света в процессе фотосинтеза. К ним относятся все растения и фотосинтезирующие цианобактерии.
Хемоавтотрофы используют энергию, которая выделяется при окислении неорганических веществ серы, железа, азота в процессе хемосинтеза. К ним относятся хемосинтезирующие бактерии. Гетеротрофные организмы от греч. Источником энергии для них является запасенная в органических веществах энергия, которая выделяется при химических реакциях распада и окисления этих веществ. К ним относятся животные, грибы, многие бактерии.
Процесс автотрофной ассимиляции осуществляется за счет энергии солнечного света или окисления неорганических веществ, а органические вещества синтезируются при этом из неорганических. В зависимости от поглощения неорганического вещества различают ассимиляцию углерода, ассимиляцию азота, ассимиляцию серы и других минеральных веществ. Автотрофная ассимиляция связана с процессами фотосинтеза и хемосинтеза, в результате которых из неорганических веществ синтезируются органические.
Этот процесс носит название первичного синтеза органических веществ. При гетеротрофной ассимиляции организм поглощает органические вещества в готовом виде и преобразует их в собственные органические вещества за счет энергии, содержащейся в поглощенных веществах. Гетеротрофная ассимиляция включает процессы потребления пищи, переваривания ее, усвоения и синтеза новых органических веществ. Этот процесс называется вторичным синтезом органических веществ. Процессы диссимиляции у организмов также различаются.
Одним из них для жизнедеятельности необходим кислород — это аэробные организмы. Другим кислород не нужен, и процессы их жизнедеятельности могут протекать в бескислородной среде — это анаэробные организмы.
Поток вещества и энергии в биосфере Большинство организмов являются аэробными. Это все растения, животные за исключением некоторых паразитов , основная часть грибов и бактерий.
Дыхание для них является главной формой диссимиляции. При дыхании богатые энергией органические вещества полностью окисляются кислородом до энергетически бедных веществ — углекислого газа и воды. При этом происходит освобождение энергии, которая используется организмом.
Молекулярный кислород, который используется в этих процессах, образуется при фотосинтезе, т. Различают внешнее дыхание и внутреннее.
Газообмен между организмом и внешней средой, включающий в себя поглощение кислорода и выделение углекислого газа, а также транспорт этих веществ по организму к отдельным органам, тканям и клеткам, называется внешним дыханием. В этом процессе кислород не используется, а только транспортируется. Внутреннее , или клеточное, дыхание включает в себя биохимические процессы, которые приводят к освобождению энергии и образованию воды и углекислого газа. Эти процессы протекают в цитоплазме и митохондриях эукариотных клеток или на мезосомах прокариотных клеток.
Другой формой диссимиляции является анаэробное окисление. Процессы энергетического обмена в этом случае протекают по типу брожения. Брожение — это форма диссимиляции, при которой богатые энергией органические вещества расщепляются до менее богатых энергией органических веществ.
В этом случае также происходит высвобождение энергии, но значительно меньше. В зависимости от конечных продуктов различают типы брожения: спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и т. Спиртовое брожение встречается у дрожжевых грибов, некоторых бактерий, в растительных тканях.
Молочнокислое брожение характерно для молочнокислых бактерий, а также протекает в мышечной ткани животных и человека при недостатке кислорода.
В филогенетическом отношении брожение более древний процесс. Первый этап брожения — гликолиз имеет место у многих аэробных организмов, в том числе у животных и человека. Анаэробных организмов значительно меньше, чем аэробных. К ним относятся многие микроорганизмы — бактерии и грибы, а также паразитические организмы, вторично утратившие способность к биологическому окислению в связи с образом жизни.
Кислородный путь диссимиляции оказался более выгодным в энергетическом отношении. Вспомните, какое количество АТФ запасается на бескислородном и кислородном этапе расщепления, и станет ясно, почему кислородный путь оказался предпочтительным. Взаимосвязь реакций обмена веществ у автотрофных и гетеротрофных организмов Через процессы обмена веществ автотрофные и гетеротрофные организмы в природе связаны между собой.
Самыми важными в природе группами организмов являются автотрофы, которые способны синтезировать органические вещества из неорганических. Большинство автотрофов — зеленые растения, которые в процессе фотосинтеза превращают неорганический углерод — углекислый газ — в сложные органические соединения. Зеленые растения выделяют при фотосинтезе кислород, который необходим для дыхания живых существ.
Гетеротрофы усваивают только готовые органические вещества, получая энергию при их расщеплении. Автотрофные и гетеротрофные организмы связаны между собой процессами обмена веществ и энергией. Фотосинтез является практически единственным процессом, обеспечивающим организмы питательными веществами и кислородом.
При искусственном разведении хлорелла быстро размножается, а в ее клетке повышается содержание белка. Этот белок используется в качестве пищевых добавок ко многим продуктам. Установлено, что с 1 га водной поверхности можно получать ежедневно до кг сухого вещества хлореллы. Кроме того, в хлорелле синтезируется большое количество витаминов.
Большой интерес ученых к хлорелле связан и с космическими полетами. Хлорелла в искусственных условиях может обеспечить кислородом, выделяемым при фотосинтезе, космический корабль. Биологический круговорот веществ.
Связь организмов и процессов обмена веществ Вопросы и задания для самоконтроля 1. Какие две группы реакций составляют обмен веществ? Охарактеризуйте процессы пластического и энергетического обмена. За счет какой энергии идет синтез молекулы АТФ?
Назовите основной источник энергии на Земле. Как аккумулируется эта энергия? Почему АТФ можно назвать ключевым источником энергии в реакциях обмена веществ?
Каково основное значение дыхания? Какие типы обмена веществ по характеру используемой энергии и источнику получения углерода для синтеза органических веществ существуют на Земле? Почему фотосинтез можно назвать основным процессом, обеспечивающим жизнь на Земле? Чем отличается первичный синтез органических веществ от вторичного? В чем отличие анаэробных и аэробных организмов? Ферментативный характер реакций обмена веществ Каждая клетка — животная, растительная, бактериальная, самая сложная или самая примитивная, характеризуется сложными химическими процессами.
Важнейшей особенностью химических реакций, протекающих в клетке, является их каталитический характер. Биологическими катализаторами являются специализированные белки — ферменты , или энзимы. Сотни реакций обмена веществ, которые происходят в клетке, идут при непосредственном участии ферментов. Вещество, которое связывается с ферментом для проведения химической реакции, называется субстратом.
Ферменты активизируют субстрат, делают его доступным для проведения реакции. Ускоряя химические реакции, эти вещества в реакциях не расходуются. Они не влияют также и на природу конечных продуктов. Из-за высокой скорости реакции небольшое количество фермента может катализировать превращение большого количества вещества, так как освобождение фермента каждый раз идет очень быстро.
Сравним скорость действия неорганических катализаторов и ферментов. Если же к белку при комнатной температуре добавить несколько капель фермента трипсина или химотрипсина, то гидролиз закончится за 60—80 мин.
Сопоставим условия этих двух реакций. Фермент действует в мягких условиях, а его скорость во много раз превышает скорость неорганических катализаторов. Свойства ферментов Одним из наиболее важных отличий ферментов от неорганических катализаторов является их высокая специфичность к субстрату. Особенностью биокатализаторов является способность ускорять реакцию только с определенным субстратом или группой сходных по строению субстратов.
Немецкий ученый Э. Фишер, исследуя эту удивительную избирательность ферментов, высказал предположение о наличии в их молекуле некоторого участка, структура которого строго соответствует структуре субстрата. Его выражение: «субстрат подходит к ферменту, как ключ к замку» — определило одно из самых важных свойств ферментов — специфичность по отношению к субстрату. Например, в организме животных и человека отсутствует фермент, расщепляющий целлюлозу, но крахмал и гликоген легко подвергаются гидролизу ферментом амилазой.
Фермент трипсин расщепляет как природный белок, так и искусственный полипептид, так как действует на пептидную связь. Эти ферменты обладают групповой специфичностью, так как действуют на вещества с одинаковой связью. Однако есть такие ферменты, которые катализируют реакцию только с одним-единственным веществом. Строение ферментов Каждый фермент имеет определенное строение. Как и у всех белков, оно зависит от его первичной структуры, которая определяет третичную и четвертичную структуры, т.
Результаты исследований показали, что молекулы ферментов во много раз больше, чем молекулы веществ, которые они активируют в реакциях. Ферменты, как правило, являются глобулярными белками. Часто они образуют комплексы с небелковыми компонентами: металлами цинком, железом, марганцем, медью и др. Например, в состав каталазы входит железо; витамин B 3 или PP является компонентом окислительно-восстановительных ферментов; витамин В, входит в состав ферментов, отщепляющих углерод от молекул органических соединений.
Ферменты, как вещества белковой природы, имеют большую молекулярную массу, которая колеблется от нескольких тысяч до миллиона. Например, трипсин имеет молекулярную массу 40 , а синтетаза высших жирных кислот ВЖК , катализирующая синтез жирных кислот, относится к ферментам-гигантам с молекулярной массой более 1 Она состоит из целого конвейера белков, объединенных в одну суперструктуру. Как правило, для высокомолекулярных ферментов характерна четвертичная структура.
Например, фермент каталаза, расщепляющий пероксид водорода, состоит из шести субъединиц. В ферменте различают три центра: субстратный, активный и регуляторный рис. Непосредственно в реакции участвует лишь небольшая часть белковой молекулы, состоящая обычно от 3 до 15 остатков аминокислот.
Это каталитический , или активный, центр фермента. Остальные аминокислоты белка определяют конфигурацию молекулы, связывают субстрат, присоединяют дополнительные ионы. Активный центр является главной частью фермента. Здесь происходит видоизменение субстрата, собственно реакция, образуются продукты или продукт.
В некоторых случаях функции активного центра выполняет небелковый компонент, например витамин, который в этом случае связан с ферментом и составляет единое целое. Строение фермента: 1 — субстратный центр; 2 — активный центр; 3 — регуляторный центр Субстратный центр служит «якорной» площадкой для соединения фермента с субстратом.
При этом между ними возникают определенные связи, позволяющие ферменту удерживать субстрат. Активный и субстратный центры ферментов часто находятся рядом или совпадают. Для работы этих центров, т. Фермент сохраняет свою активность до тех пор, пока в нем поддерживается специфическая конфигурация каталитического центра, что связано с третичной и четвертичной структурами белка.
Конфигурация белковой молекулы может изменяться таким образом, чтобы обеспечить быстрый доступ веществ в активный центр или, наоборот, затормозить реакцию. Эту функцию выполняет регуляторный центр фермента. К нему могут присоединяться неорганические ионы, низкомолекулярные вещества, которые видоизменяют форму молекулы фермента таким образом, чтобы способствовать быстрому соединению с субстратом или, наоборот, невозможности соединения.
Механизм действия фермента Рассмотрим общий принцип действия ферментов. В начале реакции происходит соединение фермента Е с субстратом S , в результате образуется фермент-субстратный комплекс Е — S. Далее в активном центре фермента происходят преобразования субстрата, изменяются связи в молекуле субстрата, конфигурация фермента.
После окончания реакции комплекс распадается, освобождается продукт или продукты , а фермент вновь восстанавливается, каким был до начала реакции Е, Р. Теперь он готов к новой реакции рис. Механизм действия фермента: 1 — фермент; 2 — субстрат; 3 — фермент-субстратный комплекс; 4 — фермент-продуктный комплекс; 5 — освобожденный продукт На скорость ферментативных реакций могут оказывать влияние различные факторы. Известно, что скорость химических реакций зависит, прежде всего, от концентрации веществ.
У ферментативных реакций есть особенность. Их скорость зависит не столько от концентрации субстрата, сколько от концентрации фермента.
Скорость реакции прямо пропорциональна концентрации фермента. Это связано с тем, что количество молекул фермента определяет, как быстро будет протекать реакция. Скорость реакции и активность фермента зависят от температуры, причем она уменьшается как при низких, так и при высоких температурах.
При низких температурах слишком мала энергия активации молекул субстрата и фермента. При высоких температурах белки-ферменты денатурируют, т. Большинство ферментов активны в узких пределах pH, чаще в нейтральной среде. Сдвиг концентрации ионов водорода может изменить электрический заряд белка-фермента, что приведет к изменению конфигурации молекулы и падению активности. Некоторые ферменты могут катализировать реакции в слабощелочной среде, например амилаза слюны, а другие — в кислой среде, например фермент желудка пепсин.
Перепады pH среды также вызывают денатурацию фермента, но она, как правило, в клетках обратима. На скорость реакции и активность ферментов могут влиять и различные низкомолекулярные вещества.
Активаторами ферментов являются ионы некоторых металлов. Они могут соединяться с регуляторным центром фермента, изменять его конфигурацию и повышать активность. Некоторые ферменты работают только в присутствии определенных ионов.
Ингибиторы, наоборот, замедляют или совсем прекращают работу ферментов. Ингибирование может быть двух типов: конкурентное и неконкурентное рис. При конкурентном ингибировании низкомолекулярное вещество, сходное по строению с субстратом, связывается с активным или субстратным центром фермента.
Однако ингибитор расщепляться ферментом не может, он лишь блокирует доступ настоящего субстрата, являясь его конкурентом. Неконкурентный ингибитор не похож на субстрат и не может занять его место в активном центре. Но он легко присоединяется к регуляторному центру фермента, изменяет его конфигурацию таким образом, что доступ субстрата в активный центр становится невозможным. Действие ингибиторов и активаторов на фермент: I — действие неконкурентного ингибитора Б приводит к изменению конфигурации белка, и субстрат не может присоединиться к активному центру фермента; 2 — конкурентный ингибитор В занимает место субстрата в активном центре и блокирует его, но реакция не идет из-за несоответствия вещества конфигурации активного центра; 3 — действие активатора А так изменяет конфигурацию фермента, что субстрат легко присоединяется к активному центру, реакция происходит и продукты освобождаются На ингибировании основано действие многих ядов и лекарственных препаратов.
Некоторые ферменты полностью теряют активность в присутствии ионов тяжелых металлов — ртути, мышьяка, свинца. Они образуют комплексы с сульфидными группировками и вызывают необратимую денатурацию фермента. Вопросы и задания для самоконтроля 1. Какую природу имеют ферменты? Охарактеризуйте строение фермента и каждого из его центров. Объясните последовательность взаимодействия субстрата с ферментом.
Как скорость реакции зависит от концентрации фермента и субстрата? Почему при повышении концентрации субстрата скорость реакции возрастает до определенной величины, а далее остается неизменной? Как изменяется скорость реакции в зависимости от температуры? Какая температура является оптимальной и почему? Как зависит активность фермента в зависимости от pH среды?
Почему ферменты работают в основном в среде, близкой к нейтральной, а не в сильно кислых или щелочных средах? Как влияют ингибиторы на активность ферментов? Опишите механизм действия каждого вида ингибирования. В чем их отличие? С каким ингибитором осуществляется присоединение активатора? Могут ли активаторы присоединяться в другие центры фермента? Некоторые ферменты активны только в присутствии витаминов.
В каком центре фермента работают витамины? Фотосинтез Фотосинтез является основополагающим процессом живой природы.
Благодаря этому процессу, из неорганических веществ синтезируются органические соединения, необходимые для построения всех живых тел. Фотосинтез от греч. В результате этого процесса для живых организмов становятся доступными энергия и углерод, который входит в состав всех органических веществ. Кроме того, в процессе фотосинтеза в атмосферу выделяется кислород, необходимый для дыхания почти всех живых организмов. История изучения процесса фотосинтеза В течение нескольких веков ученые-биологи пытались разгадать тайну зеленого листа.
Долгое время считалось, что растения создают питательные вещества из воды и минеральных веществ. Ученый посадил деревце ивы в кадку, точно измерив его массу — 2,3 кг и массу сухой почвы — 90,8 кг. В течение пяти лет он только поливал растение, ничего не внося в почву. Через пять лет масса дерева увеличилась на 74 кг, тогда как масса почвы уменьшилась лишь на 0,06 кг. Ван Гельмонт сделал вывод, что растение образует все вещества из воды.
Таким образом, ученый установил одно вещество, которое необходимо растению для фотосинтеза. Первую попытку научного определения функции зеленого листа предпринял в г. Он заметил, что если у проростков тыквы оторвать первые зародышевые листочки, то растение перестает развиваться. Мальпиги высказал следующее предположение: под действием солнечных лучей в листьях растения происходят какие-то преобразования и испаряется вода.
Однако на эти предположения не обратили особого внимания. Через лет женевский ученый Шарль Бонне заметил любопытный факт: листья растений, погруженные в воду и выставленные на солнце, покрываются пузырьками воздуха. Бонне попытался определить, откуда берется воздух — из растений или из воды. Он поставил опыт: взял стакан с прокипяченной водой, т. Пузырьки не появлялись. Отсюда ученый заключил, что пузырьки выделяются не из листьев, а из воды.
Тогда Бонне видоизменил опыт. Через газоотводную трубку он несколько раз подышал в воду и заметил, что пузырьки снова стали появляться. Бонне сделал вывод: растение не играет существенной роли в процессе выделения пузырьков, они собираются из воды на поверхности листа. Вывод оказался неверным. Открытие роли зеленого листа в фотосинтезе принадлежит английскому химику Джозефу Пристли. В г. Под стеклянный колпак, под которым потухла свеча, он поместил растение мяту и оставил на некоторое время.
Растение не погибло, а, наоборот, дало новые листочки. Когда ученый внес туда горящую лучину, она ярко вспыхнула. Воздух под колоколом стал вновь «хорошим». Пристли делает важный вывод: растения улучшают воздух и делают его пригодным для дыхания и горения. Так впервые была установлена роль зеленых растений. Проводя свои дальнейшие опыты, Пристли обратил внимание, что растения улучшают воздух на свету. Он первым высказал предположение о роли света в жизнедеятельности растений.
Позже, в г. К этому времени уже был открыт кислород и изучены его свойства. Сенебье установил, что листья разлагают углекислый газ и выделяют кислород под действием солнечного света. Многие ученые, пытаясь разгадать тайну зеленого листа, внесли большой вклад в изучение физиологии растений.
Во второй половине XIX в. Это вещество назвали хлорофиллом. Новой вехой в развитии знаний о фотосинтезе можно считать открытие, сделанное немецким естествоиспытателем Робертом Майером, о поглощении растением энергии солнечного света и превращении ее в энергию химических связей органических веществ.
Он впервые пришел к заключению, что количество отлагающегося в растении углерода должно зависеть от количества падающего на растение света. Важный вклад в изучение процесса фотосинтеза внес русский ученый К. Он исследовал влияние различных участков спектра солнечного света на процесс фотосинтеза. Ему удалось установить, что именно в красных лучах процесс фотосинтеза идет наиболее эффективно, и доказать, что интенсивность фотосинтеза соответствует поглощению света хлорофиллом.
Тимирязев сделал вывод, что, усваивая углерод, растение усваивает и солнечный свет, переводя его энергию в энергию органических веществ. В своей работе «Солнце, жизнь и хлорофилл» он подробно описал и научно обосновал свои опыты.
Методы и приемы лабораторных исследований К. Тимирязева позже использовались другими учеными для последующих работ по изучению фотосинтеза. Актом международного признания научных заслуг ученого явилось приглашение Тимирязева в г. За свои исследования он был избран почетным доктором нескольких западноевропейских университетов. Хлоропласты Наиболее примитивными фотосинтезирующими организмами являются цианобактерии.
По-видимому, именно они были первыми организмами, которые могли превращать неорганический углерод атмосферы Земли в органические соединения, используя воду и энергию солнца. Кроме того, в результате этого процесса в атмосферу поступал кислород, что обеспечило появление аэробных форм жизни.
В настоящее время основными фотосинтезирующими организмами являются растения, у которых этот процесс протекает в специализированных органоидах — хлоропластах. Основываясь на данных биохимического анализа, полагают, что хлоропласты — это «потомки» древних цианобактерий, которые попали в эукариотические клетки и перешли к симбиозу с ними.
Хлоропласты — это двумембранные полуавтономные органоиды клетки. Их размеры составляют около 3—10 мкм, в среднем 5 мкм, поэтому они хорошо видны в световой микроскоп.
Форма хлоропластов высших растений продолговатая, двояковыпуклая, но у водорослей она может быть разнообразной: чашевидная — у хламидомонады, спиралевидная — у спирогиры, полукольцевая — у улотрикса. Снаружи хлоропласты окружены двойной мембраной рис. Внутренняя часть их заполнена стромой — полужидким содержимым, в котором растворены различные вещества и структуры: кольцевая молекула ДНК, РНК, рибосомы, многочисленные ферменты, крахмальные зерна, капельки масла, белки.
Наличие ДНК, РНК, рибосом свидетельствует о том, что хлоропласты способны к автономному синтезу белков и самостоятельному делению. Строение хлоропластов. А — объемная схема; Б — плоская схема строения: 1 — наружная мембрана; 2 — внутренняя мембрана; 3 — строма; 4 — граны; 5 — тилакоид; 6 — ламелла; 7 — ДНК; 8 — рибосомы В строму погружены мембранные компоненты — тилакоиды.
Тилакоиды — это дисковидные мешочки, окруженные мембраной. Они образуют внутренние структуры хлоропластов. Тилакоиды уложены в виде стопок и образуют граны. Каждая грана похожа на стопку монет. Граны соединены между собой одиночными тилакоидами — ламеллами. Ламеллы имеют вид пластин. На мембранах тилакоидов идут реакции световой фазы, а в строме — тем новой фазы фотосинтеза.
Хлоропласты окрашены в зеленый цвет благодаря пигменту хлорофиллу ; располагающемуся на мембранных структурах. С этим пигментом непосредственно связан процесс фотосинтеза. Хлорофилл способен поглощать кванты света, что приводит к возбуждению его электронов. Чем меньше длина волны, тем выше энергия света, тем больше возможность перехода электронов в возбужденное состояние.
В хлоропластах встречается несколько видов хлорофилла, из которых наиболее распространены хлорофиллы а и b рис. Хлорофилл а имеется у всех растений в большом количестве и играет центральную роль в фотосинтезе.
Он имеет желто-зеленую окраску и наиболее интенсивно поглощает свет в красном и ультрафиолетовом спектрах. Существует несколько форм этого пигмента, которые отличаются друг от друга положением максимума поглощения в красном спектре: хлорофиллы , , нм и др. Спектры поглощения и интенсивность фотосинтеза у разных видов хлорофилла Хлорофилл b сине-зеленого цвета, более интенсивно поглощает энергию в фиолетовом спектре, но значительно меньше в красном спектре.
Он также встречается у высших растений и зеленых водорослей. У бурых и некоторых одноклеточных водорослей встречается хлорофилл с, имеющий зеленую окраску. У красных водорослей имеется еще одна разновидность хлорофилла — d , также зеленого цвета. У сине-зеленых бактерий цианей имеется иная разновидность фотосинтетического пигмента бледно-синего цвета. Кроме хлорофилла в хлоропластах всех фотосинтезирующих растений имеется еще оранжевый пигмент — каротин, который также принимает участие в фотосинтезе и функционирует как дополнительный пигмент.
Фазы фотосинтеза При анализе общего уравнения фотосинтеза возникает целый ряд вопросов. Как образуется кислород? Какое из двух веществ — вода или углекислый газ — является его поставщиком?
Как влияет свет на химические реакции? Какова его роль в этом процессе? Как происходит связывание и восстановление углекислого газа? Эти вопросы долгое время оставались нерешенными. В х гг. В молекулу воды был введен радиоактивный изотоп кислорода 18 0. Такую воду использовали для полива растений, чтобы она участвовала в фотосинтезе.
Общая схема фотосинтеза Все многообразие реакций, протекающих при этом, можно разделить на две группы: 1 разложение воды под действием энергии света, сопровождающееся образованием водорода и выделением свободного кислорода, и одновременное накопление энергии в результате синтеза АТФ и связывание водорода с переносчиком; 2 фиксация углекислого газа, его восстановление водородом и синтез глюкозы за счет энергии АТФ.
Световая фаза Первая фаза фотосинтеза носит название световой , так как она протекает только под действием солнечной энергии.
Реакции световой фазы происходят на мембранах тилакоидов, где располагается фотосинтезирующий пигмент — хлорофилл рис. Рассмотрим подробно каждый из этих процессов. Под действием света происходит разложение молекулы воды — фотолиз. Образуется два протона и свободный кислород, который в качестве побочного продукта выделяется в атмосферу.
Каждая из фотосистем способна поглощать кванты света и испускать возбужденные электроны, которые попадают на электронно-транспортную цепь ферментов, расположенных на мембране тилакоидов.
Эти процессы протекают синхронно рис. Схема переноса электронов хлорофилла в процессе синтеза АТФ фосфорилирования. Этот процесс называется фосфорилированием и происходит в присутствии фермента АТФ-синтетазы. Электроны, покидающие хлорофилл фотосистемы ФС I при поглощении света, также попадают на электроннотранспортную цепь. Каналы связаны с ферментом АТФ-синтетазой. Когда возбужденные электроны ФС I, двигаясь по мембране, достигают протонного канала, он открывается и в него устремляются ионы водорода.
Этот процесс сопряжен с синтезом АТФ и происходит синхронно. С наружной стороны мембраны тилакоида, т. Темновая фаза Глюкоза непосредственно синтезируется в темновую фазу фотосинтеза. Для этих реакций наличие света необязательно. Эту фазу иначе еще называют фиксацией углекислого газа, так как здесь происходит усвоение углекислого газа и его восстановление.
Реакции темновой фазы рис. Последовательность циклических реакций этой фазы была описана американским ученым-биохимиком Мэлвином Кальвином и получила название цикла Кальвина. Источником энергии являются синтезированные на первой стадии молекулы АТФ. Общая схема темновых реакций фотосинтеза. Цикл Кальвина В строме хлоропласта постоянно присутствует пятиуглеродный углевод пентоза , связанный с двумя остатками фосфорной кислоты — рибулозодифосфат.
Это вещество как бы начинает цикл. Первая реакция связана с соединением молекул углекислого газа с рибулозодифосфатом. Происходит фиксация неорганического углерода. Образующееся шестиуглеродное соединение неустойчиво и сразу же распадается на два триозофосфата. Далее происходит активирование этих веществ молекулами АТФ. Энергия АТФ расходуется на синтез триозодифосфатов, которые становятся активными рис. Две молекулы триозы соединяются между собой, и образуется глюкоза, которая может в дальнейшем превращаться в сахарозу, крахмал и другие полисахариды: 2С 3 С 6 Н 12 O 6.
Часть молекул триоз может использоваться для синтеза аминокислот, глицерина, высших жирных кислот. Частично триозы продолжают участвовать в циклических реакциях и превращаются вновь в пентозу, которая замыкает цикл. В реакции участвуют одновременно шесть молекул каждого вещества. Таким образом, для синтеза одной полностью новой молекулы глюкозы цикл должен повториться шесть раз, т.
Влияние на скорость фотосинтеза различных факторов Интенсивность фотосинтеза зависит от целого ряда факторов. Во-первых, это длина световой волны. Наиболее интенсивен процесс в ультрафиолетовой и красной части спектра. Кроме того, скорость фотосинтеза зависит от степени освещенности, и до определенной величины она возрастает пропорционально освещенности, но далее уже не зависит от нее рис. Влияние различных факторов на скорость фотосинтеза Другим фактором является концентрация углекислого газа.
Чем выше количество углекислого газа, тем интенсивнее идет процесс фотосинтеза. В обычных условиях недостаток углекислого газа является главным лимитирующим фактором, так как в атмосферном воздухе содержится небольшой его процент.
Однако в условиях теплиц можно устранить этот дефицит, что благоприятно влияет на интенсивность роста и развития растений.
Немаловажным фактором является температура. При низких температурах скорость действия ферментов резко снижается.
Вода является также важным фактором, влияющим на фотосинтез. Однако оценить количественно этот фактор невозможно, так как она участвует во многих других обменных процессах.
Значение фотосинтеза Жизнь на Земле зависит от фотосинтеза. Предполагают, что первые древние организмы располагали избыточным количеством органических соединений, образовавшихся в результате геохимических процессов. Однако большая часть этих веществ была использована на заре развития жизни на Земле. С тех пор почти все органические вещества, необходимые для функционирования живых систем, образуются в процессе фотосинтеза.
Первичный синтез органических веществ обеспечивает процессы ассимиляции и диссимиляции у всех живых организмов. Человечество своим существованием обязано фотосинтезу. Все запасы горючего на Земле и пищи — это продукты фотосинтеза. Используя топливо, мы получаем энергию, которая была запасена в органических веществах при фотосинтезе. Продукты фотосинтеза — органические вещества, которые используются живыми организмами для построения клеток; в качестве источника энергии и питательных веществ во всех процессах жизнедеятельности.
Человек использует продукты фотосинтеза для продуктов питания; в качестве источника энергии для всех отраслей промышленности уголь, нефть, природный газ, торф, древесина — все эти вещества являются продуктами фотосинтеза ; в качестве строительного материала для постройки жилища, в производстве мебели, в кораблестроении и т.
Одновременно с синтезом органических веществ в атмосферу выделяется кислород, который необходим для дыхания. Без кислорода невозможно представить себе жизнь на Земле. Его запасы постоянно расходуются в процессе дыхания практически всех живых организмов, а также на процессы горения и окисления, происходящие в неживой природе.
По подсчетам ученых, без фотосинтеза весь запас кислорода был бы израсходован в течение лет. Следовательно, фотосинтез имеет величайшее значение для жизни на Земле. В каких органоидах идет процесс фотосинтеза? Как они устроены?
Какова роль хлорофилла в реакциях фотосинтеза? Как происходит фотолиз воды? Как происходит восстановление потерянных хлорофиллом электронов? Как используется энергия возбужденных электронов? Какова роль каналов АТФ-азы? Какое вещество связывает протоны? Как происходит этот процесс? Назовите основные реакции, вызываемые светом. В какой части хлоропластов протекают реакции темновой фазы? Назовите основные реакции этой фазы.
За счет какой энергии осуществляются циклические реакции в темновой фазе? Каково значение фотосинтеза? В чем заключается космическая роль зеленых растений? Хемосинтез Фотосинтез не единственный способ автотрофного питания. Существует еще один способ синтеза органических веществ из неорганических, для которого не нужна световая энергия. На Земле существуют организмы, которые извлекают энергию путем окисления различных неорганических веществ и используют ее для восстановления углекислого газа в органические вещества.
Процесс синтеза органических веществ из неорганических за счет энергии окисления неорганических веществ называется хемосинтезом. Он относится к хемоавтотрофному питанию. Хемосинтезирующие организмы были открыты русским микробиологом С. Виноградским в г.
Это бактерии, которые для синтеза органических веществ используют энергию химических реакций, выделяющуюся при окислении неорганических веществ. В зависимости от того, окисление какого вещества сопровождается выделением энергии, различают азот-фиксирующие бактерии, нитрифицирующие бактерии, железо-, серобактерии и т.
Так как это прокариотные организмы, то в их клетках отсутствуют специализированные органеллы, в которых могут происходить окислительно-восстановительные реакции. Процессы хемосинтеза у них протекают на выростах плазматической мембраны — мезосомах. Источником водорода в этих реакциях является не только вода, но и неорганические соединения: сероводород H 2 S, водород H 2.
Рассмотрим химические процессы, которые протекают в клетках некоторых хемосинтезирующих бактерий. У бесцветных серобактерий происходит окисление серы или сероводорода.
Большое количество серобактерий обитает в Черном море, воды которого насыщены сероводородом. Все перечисленные бактерии являются аэробными, и окисление неорганических веществ у них происходит в присутствии кислорода. Анаэробные хемосинтетики также участвуют в процессах окисления, но без использования кислорода. В анаэробных условиях некоторые сульфатные бактерии восстанавливают сульфаты и извлекают из них водород.
К анаэробам относятся и денитрифицирующие бактерии, восстанавливающие свободный азот. Хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в биосфере. Они обеспечивают круговорот элементов в природе.
Большинство хемосинтезирующих бактерий находятся в почве. С их деятельностью связано плодородие почвы, очистка воды в природе. Примером нитрифицирующих бактерий являются клубеньковые бактерии, располагающиеся на корнях бобовых растений.
Какой еще способ синтеза органических веществ, кроме фотосинтеза, существует на Земле? Чем хемосинтезирующие бактерии отличаются от фотосинтезирующих организмов? Как вы думаете, почему в процессе эволюции фотосинтезирующие организмы получили приоритетное развитие по сравнению с хемосинтетиками? Энергетический обмен Для жизнедеятельности организма необходима энергия. Растения аккумулируют солнечную энергию в органических веществах при фотосинтезе. В процессе энергетического обмена органические вещества расщепляются и энергия химических связей освобождается.
Частично она рассеивается в виде тепла, а частично запасается в молекулах АТФ. У животных энергетический обмен протекает в три этапа. Первый этап — подготовительный Пища поступает в организм животных и человека в виде сложных высокомолекулярных соединений.
Прежде чем поступить в клетки и ткани, эти вещества должны разрушиться до низкомолекулярных, более доступных для клеточного усвоения веществ. На первом этапе происходит гидролитическое расщепление органических веществ, идущее при участии воды.
Оно протекает под действием ферментов в пищеварительном тракте многоклеточных животных, в пищеварительных вакуолях одноклеточных, а на клеточном уровне — в лизосомах. У млекопитающих и человека белки расщепляются до аминокислот в желудке и в двенадцатиперстной кишке под действием ферментов — пептидгидролаз пепсина, трипсина, хемотрипсина. Расщепление полисахаридов начинается в ротовой полости под действием фермента птиалина, а далее продолжается в двенадцатиперстной кишке под действием амилазы.
Там же расщепляются и жиры под действием липазы. Вся энергия, выделяющаяся при этом, рассеивается в виде тепла. Образующиеся низкомолекулярные вещества поступают в кровь и доставляются ко всем органам и клеткам. В клетках они поступают в лизосому или непосредственно в цитоплазму. Если расщепление происходит на клеточном уровне в лизосомах, то вещество сразу же поступает в цитоплазму.
На этом этапе происходит подготовка веществ к внутриклеточному расщеплению. Второй этап — бескислородное окисление Второй этап осуществляется на клеточном уровне при отсутствии кислорода.
Он протекает в цитоплазме клетки. Рассмотрим расщепление глюкозы, как одного из ключевых веществ обмена в клетке. Все остальные органические вещества жирные кислоты, глицерин, аминокислоты на разных этапах втягиваются в процессы ее превращения. Бескислородное расщепление глюкозы называется гликолизом.
Глюкоза претерпевает ряд последовательных превращений рис. Схема процесса гликолиза Вначале она преобразуется во фруктозу, фосфорилируется — активируется двумя молекулами АТФ и превращается во фруктозо-дифосфат. Далее молекула шестиатомного углевода распадается на два трехуглеродных соединения — две молекулы глицерофосфата триозы. После ряда реакций они окисляются, теряя по два атома водорода, и превращаются в две молекулы пировиноградной кислоты ПВК.
В результате этих реакций синтезируются четыре молекулы АТФ. Таким образом, выделяющаяся при расщеплении глюкозы энергия частично запасается в двух молекулах АТФ, а частично расходуется в виде тепла. В зависимости от типа клеток, ткани или организмов пировиноградная кислота в бескислородной среде может превращаться далее в молочную кислоту, этиловый спирт, масляную кислоту или другие органические вещества.
У анаэробных организмов эти процессы называются брожением. Он протекает в митохондриях. Пировиноградная кислота из цитоплазмы поступает в митохондрии, где теряет молекулу углекислого газа и превращается в уксусную кислоту, соединяясь с активатором и переносчиком коэнзимом-А рис. Также у растений существует спиртовое брожение [ источник не указан день ] :. Количество энергии стандартное изменение свободной энергии , которое должно было бы выделяться при брожении, составляет кДж на моль израсходованной гексозы.
Таким образом, для обеспечения себя необходимым количеством энергии растение при брожении должно израсходовать значительно большее количество гексоз, чем при аэробном дыхании. В атмосфере кислорода происходит более эффективное в энергетическом отношении аэробное дыхание, предохраняющее растение от излишних трат органического вещества [3].
В анаэробных условиях хлорофилл, растворённый в пиридине, под воздействием света восстанавливается аскорбиновой кислотой или другими донорами электронов. В темноте реакция идёт в обратном направлении:. Эти реакции названы в честь А. Красновского [4] [5]. Функция внешнего дыхания обеспечивается как дыхательной системой , так и системой кровообращения. Атмосферный воздух попадает в лёгкие из носоглотки где предварительно очищается от механических примесей, увлажняется и согревается через гортань и трахеобронхиальное дерево трахею , главные бронхи , долевые бронхи , сегментарные бронхи, дольковые бронхи, бронхиолы и альвеолярные ходы попадает в лёгочные альвеолы.
Смена воздуха обеспечивается дыхательной мускулатурой , осуществляющей вдох набор воздуха в лёгкие и выдох удаление воздуха из лёгких. Через мембрану альвеол осуществляется газообмен между атмосферным воздухом и циркулирующей кровью [6]. Далее кровь, обогащённая кислородом , возвращается в сердце, откуда по артериям разносится ко всем органам и тканям организма. По мере удаления от сердца и деления, калибр артерий постепенно уменьшается до артериол и капилляров, через мембрану которых происходит газообмен с тканями и органами.
Таким образом, граница между внешним и клеточным дыханием пролегает по клеточной мембране периферических клеток [ источник не указан дней ]. Вентиляция альвеол осуществляется чередованием вдоха инспирация и выдоха экспирация.
При вдохе в альвеолы поступает атмосферный воздух , а при выдохе из альвеол удаляется воздух, насыщенный углекислым газом.
Вдох и выдох осуществляется путём изменения размеров грудной клетки с помощью дыхательных мышц. Выделяют два типа дыхания по способу вдоха-выдоха [7] :. Взрослый человек, находясь в состоянии покоя, совершает в среднем 14 дыхательных движений в минуту [17]. Вместе с тем частота дыхания может претерпевать значительные колебания от 10 до 18 за минуту [17].
У детей частота дыхания составляет 20—30 дыхательных движений в минуту; у грудных детей — 30—40; у новорождённых — 40—60 [17]. В течение одного вдоха в спокойном состоянии в лёгкие поступает — мл воздуха.
Этот объём воздуха называется дыхательным объёмом ДО. Такое же количество воздуха поступает из лёгких в атмосферу в течение спокойного выдоха. Максимально глубокий вдох составляет около мл воздуха.
Максимальный выдох также составляет около мл. После максимального выдоха в лёгких остаётся воздух в количестве около мл, называемый остаточным объёмом лёгких. После спокойного выдоха в лёгких остаётся примерно мл. Этот объём воздуха называется функциональной остаточной ёмкостью ФОЁ лёгких. Благодаря ФОЁ в альвеолярном воздухе поддерживается относительно постоянное соотношение содержания кислорода и углекислого газа, так как ФОЁ в несколько раз больше ДО.
Взрослый человек при дыхательном объёме 0,5 литра и частоте 14 [ уточнить ] дыхательных движений в минуту пропускает через лёгкие 7 литров воздуха в минуту [17]. В состоянии физической нагрузки минутный объём дыхания может достигать литров в минуту [17].
При спокойном дыхании соотношение вдоха и выдоха по времени составляет ,3 [18]. Без дыхания человек обычно может прожить до 5—7 минут, после чего наступают потеря сознания, необратимые изменения в мозге и смерть.
Дыхание — одна из немногих способностей организма, которая может контролироваться сознательно и неосознанно. При частом и поверхностном дыхании возбудимость нервных центров повышается, а при глубоком — наоборот, снижается.
Виды дыхания: глубокое и поверхностное, частое и редкое, верхнее, среднее грудное и нижнее брюшное.
Особые виды дыхательных движений наблюдаются при икоте и смехе. Основная форма патологии внешнего дыхания — дыхательная недостаточность. В зависимости от характера течения патологического процесса различают острую и хроническую дыхательную недостаточность.
Кроме того, выделяют три типа дыхательной недостаточности:. Учащённое дыхание возникает обычно при раздражении дыхательного центра продуктами жизнедеятельности организма углекислый газ. Наблюдается при анемии , лихорадке , заболеваниях крови. При желании может вызываться усилием воли гипервентиляция , например, перед предполагаемой задержкой дыхания.
При истерии частота дыхательных движений может достигать 60—80 в минуту. Патологический процесс, связанный с патологией дыхательной мускулатуры, например, отравление ядом , действующим подобно кураре либо параличом дыхательного центра, например, в результате отёка мозга или черепно-мозговой травмы.
Отдельно выделяют синдром обструктивного апноэ сна [20] , вызываемый провисанием верхних дыхательных путей. Этот вид апноэ обычно встречается у людей, которые храпят во сне и является плохим прогностическим признаком в плане риска развития острой сердечно-сосудистой недостаточности. Так называемое рефлекторное или «ложное апноэ» иногда наступает при сильном раздражении кожи например, при погружении тела в холодную воду.
Апноэ как патологическое состояние также следует отличать от искусственно вызванной задержки дыхания например, при погружении в жидкость — в результате развившегося кислородного голодания на фоне прекращения поступления кислорода из атмосферного воздуха в альвеолы происходит отключение коры головного мозга потеря сознания или прекращение процессов высшей нервной деятельности , после чего подкорковые и стволовые структуры дыхательный центр дают команду на вдох.
Если при этом атмосферный воздух проникает в лёгкие , то по мере достижения кислородом тканей и органов в том числе и ЦНС происходит спонтанное восстановление сознания. Если тело находится в жидкой среде, то происходит проникновение жидкости в дыхательные пути и развивается утопление обычное или «сухое», связанное с ларингоспазмом. В случае патологических изменений сердечной мышцы одышка поначалу появляется при физической нагрузке, а затем возникает и в покое, особенно в горизонтальном положении в связи с увеличением венозного возврата крови к сердцу , заставляя пациента принимать вынужденное положение сидя, способствующее депонированию венозной крови системы нижней полой вены в ногах ортопное.
Приступы резкой одышки чаще ночные при заболеваниях сердца — проявление сердечной астмы : одышка в этих случаях инспираторная затруднён вдох. Экспираторная одышка затруднён выдох возникает при сужении просвета мелких бронхов и бронхиол например, при бронхиальной астме или при потере эластичности лёгочной ткани например, при развитии хронической эмфиземе лёгких. Альвеолярная гиповентиляция характеризуется недостаточной альвеолярной вентиляцией, в результате чего в кровь поступает меньше кислорода и обычно происходит недостаточный вывод из крови углекислого газа.
Гиповентиляция приводит к снижению количества кислорода в крови гипоксемия и к увеличению количества углекислого газа в крови гиперкапния. Высвобожденная энергия запасается в химических связях макроэргических соединений молекул аденозинтрифосфорной кислоты и других макроэргов и может быть использована организмом по мере необходимости. Входит в группу процессов катаболизма. На клеточном уровне рассматривают два основных вида дыхания: аэробное с участием окислителя - кислорода и анаэробное.
При этом физиологические процессы транспортировки к клеткам многоклеточных организмов кислорода и удалению из них углекислого газа рассматриваются как функция внешнего дыхания. В цикле Кребса основное количество молекул АТФ вырабатывается по способу окислительного фосфорилирования на последней стадии клеточного дыхания: в электронтранспортной цепи. Энергия, выделяющаяся в ходе этих реакций, благодаря цепи переносчиков электронов, локализованной во внутренней мембране митохондрий у прокариот — в цитоплазматической мембране , трансформируется в трансмембранный протонный потенциал.
