Уравнение реакции дыхания и фотосинтеза

Поясните сущность процессов фотосинтеза и дыхания. Напишите уравнения соответствующих реакций

Ваш ответ

решение вопроса

Метаболизм клетки. Энергетический обмен и фотосинтез. Реакции матричного синтеза.

Понятие метаболизма

Метаболизм — совокупность всех химических реакций, протекающих в живом организме. Значение метаболизма состоит в создании необходимых организму веществ и обеспечении его энергией.

Выделяют две составные части метаболизма — катаболизм и анаболизм.

Составные части метаболизма

ЧастьХарактеристикаПримерыЗатраты энергииКатаболизм (энергетический обмен, диссимиляция)Совокупность химических реакций, приводящих к образованию простых веществ из более сложныхГидролиз полимеров до мономеров и расщепление последних до низкомолекулярных соединений углекислого газа, воды, аммиака и других веществЭнергия выделяетсяАнаболизм (пластический обмен, ассимиляция)Совокупность химических реакций синтеза сложных веществ из более простыхОбразование углеводов из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза, реакции матричного синтезаЭнергия поглощается

Процессы пластического и энергетического обмена неразрывно связаны между собой. Все синтетические (анаболические) процессы нуждаются в энергии, поставляемой в ходе реакций диссимиляции. Сами же реакции расщепления (катаболизма) протекают лишь при участии ферментов, синтезируемых в процессе ассимиляции.

Роль ФТФ в метаболизме

Энергия, высвобождающаяся 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.

АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) — мононуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэргическими связями.

В этих связях запасена энергия, которая высвобождается при их разрыве:
АТФ + H₂O → АДФ + H₃PO₄ + Q₁
АДФ + H₂O → АМФ + H₃PO₄ + Q₂
АМФ + H₂O → аденин + рибоза + H₃PO₄ + Q₃,
где АТФ — аденозинтрифосфорная кислота; АДФ — аденозиндифосфорная кислота; АМФ — аденозинмонофосфорная кислота; Q₁ = Q₂ = 30,6 кДж; Q₃ = 13,8 кДж.
Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования. Фосфорилирование — присоединение остатка фосфорной кислоты к АДФ (АДФ + Ф → АТФ). Он происходит с разной интенсивностью при дыхании, брожении и фотосинтезе. АТФ обновляется чрезвычайно быстро (у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин).
Энергия, накопленная в молекулах АТФ, используется организмом в анаболических реакциях (реакциях биосинтеза). Молекула АТФ является универсальным хранителем и переносчиком энергии для всех живых существ.

Энергетический обмен

Энергию, необходимую для жизнедеятельности, большинство организмов получают в результате процессов окисления органических веществ, то есть в результате катаболических реакций. Важнейшим соединением, выступающим в роли топлива, является глюкоза.
По отношению к свободному кислороду организмы делятся на три группы.

Классификация организмов по отношению к свободному кислороду

Группа	Характеристика	Организмы
Аэробы (облигатные аэробы)	Организмы, способные жить только в кислородной среде	Животные, растения, некоторые бактерии и грибы
Анаэробы (облигатные анаэробы)	Организмы, неспособные жить в кислородной среде	Некоторые бактерии
Факультативные формы (факультативные анаэробы)	Организмы, способные жить как в присутствии кислорода, так и без него	Некоторые бактерии и грибы

У облигатных аэробов и факультативных анаэробов в присутствии кислорода катаболизм протекает в три этапа: подготовительный, бес- кислородный и кислородный. В результате органические вещества распадаются до неорганических соединений. У облигатных анаэробов и факультативных анаэробов при недостатке кислорода катаболизм протекает в два первых этапа: подготовительный и бескислородный. В результате образуются промежуточные органические соединения, еще богатые энергией.

Этапы катаболизма

1. Первый этап — подготовительный — заключается в ферментативном расщеплении сложных органических соединений на более простые. Белки расщепляются до аминокислот, жиры — до глицерина и жирных кислот, полисахариды — до моносахаридов, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. У многоклеточных организмов это происходит в желудочно-кишечном тракте, у одноклеточных — в лизосомах под действием гидролитических ферментов. Высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде теплоты. Образовавшиеся органические соединения либо подвергаются дальнейшему окислению, либо используются клеткой для синтеза собственных органических соединений.
2. Второй этап — неполное окисление (бескислородный) — заключается в дальнейшем расщеплении органических веществ, осуществляется в цитоплазме клетки без участия кислорода. Главным источником энергии в клетке является глюкоза. Бескислородное, неполное окисление глюкозы называется гликолизом. В результате гликолиза одной молекулы глюкозы образуется по две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК, пируват) CH₃COCOOH, АТФ и воды, а также атомы водорода, которые связываются молекулой-переносчиком НАД + и запасаются в виде НАД·Н.
Суммарная формула гликолиза имеет следующий вид:
C₆H₁₂O₆ + 2H₃PO₄ + 2АДФ + 2НАД+ → 2C₃Н₄O₃ + 2H₂O + 2АТФ + 2НАД·Н.
Далее при отсутствии в среде кислорода продукты гликолиза (ПВК и НАД·Н) перерабатываются либо в этиловый спирт — спиртовое брожение (в клетках дрожжей и растений при недостатке кислорода)
CH₃COCOOH → СО₂ + СН₃СОН
СН₃СОН + 2НАД·Н → С₂Н₅ОН + 2НАД + ,
либо в молочную кислоту — молочнокислое брожение (в клетках животных при недостатке кислорода)
CH₃COCOOH + 2НАД·Н → C₃Н₆O₃ + 2НАД + .
При наличии в среде кислорода продукты гликолиза претерпевают дальнейшее расщепление до конечных продуктов.
3. Третий этап — полное окисление (дыхание) — заключается в окислении ПВК до углекислого газа и воды, осуществляется в митохондриях при обязательном участии кислорода.
Он состоит из трёх стадий:
А) образование ацетилкоэнзима А;
Б) окисление ацетилкоэнзима А в цикле Кребса;
В) окислительное фосфорилирование в электронотранспортной цепи.

А. На первой стадии ПВК переносится из цитоплазмы в митохондрии, где взаимодействует с ферментами матрикса и образует 1) диоксид углерода, который выводится из клетки; 2) атомы водорода, которые молекулами-переносчиками доставляются к внутренней мембране митохондрии; 3) ацетилкофермент А (ацетил-КоА).
Б. На второй стадии происходит окисление ацетилкоэнзима А в цикле Кребса. Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты) — это цепь последовательных реакций, в ходе которых из одной молекулы ацетил-КоА образуются 1) две молекулы диоксида углерода, 2) молекула АТФ и 3) четыре пары атомов водорода, передаваемые на молекулы-переносчики — НАД и ФАД. Таким образом, в результате гликолиза и цикла Кребса молекула глюкозы расщепляется до СО₂, а высвободившаяся при этом энергия расходуется на синтез 4 АТФ и накапливается в 10 НАД·Н и 4 ФАД·Н₂.
В. На третьей стадии атомы водорода с НАД·Н и ФАД·Н₂ окисляются молекулярным кислородом О₂ с образованием воды. Один НАД·Н способен образовывать 3 АТФ, а один ФАД·Н₂–2 АТФ. Таким образом, выделяющаяся при этом энергия запасается в виде ещё 34 АТФ.
Этот процесс протекает следующим образом. Атомы водорода концентрируются около наружной стороны внутренней мембраны митохондрии. Они теряют электроны, которые по цепи молекул-переносчиков (цитохромов) электронотранспортной цепи (ЭТЦ) переносятся на внутреннюю сторону внутренней мембраны, где соединяются с молекулами кислорода:
О₂ + е — → О₂ — .
В результате деятельности ферментов цепи переноса электронов внутренняя мембрана митохондрий изнутри заряжается отрицательно (за счёт О₂ — ), а снаружи — положительно (за счёт Н + ), так что между её поверхностями создаётся разность потенциалов. Во внутреннюю мембрану митохондрий встроены молекулы фермента АТФ- синтетазы, обладающие ионным каналом. Когда разность потенциалов на мембране достигает критического уровня, положительно заряженные частицы H + силой электрического поля начинают проталкиваться через канал АТФазы и, оказавшись на внутренней поверхности мембраны, взаимодействуют с кислородом, образуя воду:
1/2О₂ — +2H + → Н₂О.
Энергия ионов водорода H + , транспортирующихся через ионный канал внутренней мембраны митохондрии, используется для фосфорилирования АДФ в АТФ:
АДФ + Ф → АТФ.
Такое образование АТФ в митохондриях при участии кислорода называется окислительным фосфорилированием.
Суммарное уравнение расщепления глюкозы в процессе клеточного дыхания:
C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 38H₃PO₄ + 38АДФ → 6CO₂ + 44H₂O + 38АТФ.
Таким образом, в ходе гликолиза образуются 2 молекулы АТФ, в ходе клеточного дыхания — ещё 36 молекул АТФ, в целом при пол- ном окислении глюкозы — 38 молекул АТФ.

Пластический обмен

Пластический обмен, или ассимиляция, представляет собой совокупность реакций, обеспечивающих синтез сложных органических соединений из более простых (фотосинтез, хемосинтез, биосинтез белка и др.).

Гетеротрофные организмы строят собственные органические вещества из органических компонентов пищи. Гетеротрофная ассимиляция сводится, по существу, к перестройке молекул:
органические вещества пищи (белки, жиры, углеводы) → простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) → макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).
Автотрофные организмы способны полностью самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических молекул, потребляемых из внешней среды. В процессе фото- и хемосинтеза происходит образование простых органических соединений, из которых в дальнейшем синтезируются макромолекулы:
неорганические вещества (СО₂, Н₂О) → простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) → макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).

Фотосинтез

Фотосинтез — синтез органических соединений из неорганических за счёт энергии света. Суммарное уравнение фотосинтеза:

Фотосинтез протекает при участии фотосинтезирующих пигментов, обладающих уникальным свойством преобразования энергии солнечного света в энергию химической связи в виде АТФ. Фотосинтезирующие пигменты представляют собой белковоподобные вещества. Наиболее важным является пигмент хлорофилл. У эукариот фотосинтезирующие пигменты встроены во внутреннюю мембрану пластид, у прокариот — во впячивания цитоплазматической мембраны.
Строение хлоропласта очень похоже на строение митохондрии. Во внутренней мембране тилакоидов гран содержатся фотосинтетические пигменты, а также белки цепи переноса электронов и молекулы фермента АТФ-синтетазы.
Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой.
1. Световая фаза фотосинтеза протекает только на свету в мембране тилакоидов граны.
К ней относятся поглощение хлорофиллом квантов света, образование молекулы АТФ и фотолиз воды.
Под действием кванта света (hv) хлорофилл теряет электроны, переходя в возбуждённое состояние:

Эти электроны передаются переносчиками на наружную, то есть обращенную к матриксу поверхность мембраны тилакоидов, где накапливаются.
Одновременно внутри тилакоидов происходит фотолиз воды, то есть её разложение под действием света:

Образующиеся электроны передаются переносчиками к молекулам хлорофилла и восстанавливают их. Молекулы хлорофилла возвращаются в стабильное состояние.
Протоны водорода, образовавшиеся при фотолизе воды, накапливаются внутри тилакоида, создавая Н + -резервуар. В результате внутренняя поверхность мембраны тилакоида заряжается положительно (за счёт Н + ), а наружная — отрицательно (за счёт е — ). По мере накопления по обе стороны мембраны противоположно заряженных частиц нарастает разность потенциалов. При достижении критической величины разности потенциалов сила электрического поля начинает проталкивать протоны через канал АТФ-синтетазы. Выделяющаяся при этом энергия используется для фосфорилирования молекул АДФ:
АДФ + Ф → АТФ.

Образование АТФ в процессе фотосинтеза под действием энергии света называется фотофосфорилированием.
Ионы водорода, оказавшись на наружной поверхности мембраны тилакоида, встречаются там с электронами и образуют атомарный водород, который связывается с молекулой-переносчиком водорода НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат):
2Н + + 4е – + НАДФ + → НАДФ·Н₂.
Таким образом, во время световой фазы фотосинтеза происходят три процесса: образование кислорода вследствие разложения воды, синтез АТФ и образование атомов водорода в форме НАДФ·Н₂. Кислород диффундирует в атмосферу, а АТФ и НАДФ·Н₂ участвуют в процессах темновой фазы.
2. Темновая фаза фотосинтеза протекает в матриксе хлоропласта как на свету, так и в темноте и представляет собой ряд последовательных преобразований СО₂, поступающего из воздуха, в цикле Кальвина. Осуществляются реакции темновой фазы за счёт энергии АТФ. В цикле Кальвина СО₂ связывается с водородом из НАДФ·Н₂ с образованием глюкозы.
В процессе фотосинтеза кроме моносахаридов (глюкоза и др.) синтезируются мономеры других органических соединений — аминокислоты, глицерин и жирные кислоты. Таким образом, благодаря фотосинтезу растения обеспечивают себя и всё живое на Земле необходимыми органическими веществами и кислородом.
Сравнительная характеристика фотосинтеза и дыхания эукариот представлена в таблице.

Сравнительная характеристика фотосинтеза и дыхания эукариот

ПризнакФотосинтезДыханиеУравнение реакции6СО₂ + 6Н₂О + энергия света → C₆H₁₂O₆ + 6O₂C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6СО₂ + 6Н₂О + энергия (АТФ)Исходные веществаУглекислый газ, водаОрганические вещества, кислородПродукты реакцииОрганические вещества, кислородУглекислый газ, водаЗначение в круговороте веществСинтез органических веществ из неорганическихРазложение органических веществ до неорганическихПревращение энергииПревращение энергии света в энергию химических связей органических веществПревращение энергии химических связей органических веществ в энергию макроэргических связей АТФВажнейшие этапыСветовая и темновая фаза (включая цикл Кальвина)Неполное окисление (гликолиз) и полное окисление (включая цикл Кребса)Место протекания процессаХлоропластыГиалоплазма (неполное окисление) и митохондрии (полное окисление)

Генетическая информация у всех организмов хранится в виде определённой последовательности нуклеотидов ДНК (или РНК у РНК-содержащих вирусов). Прокариоты содержат генетическую информацию в виде одной молекулы ДНК. В эукариотических клетках генетический материал распределён в нескольких молекулах ДНК, организованных в хромосомы.
ДНК состоит из кодирующих и некодирующих участков. Кодирующие участки кодируют РНК. Некодирующие области ДНК выполняют структурную функцию, позволяя участкам генетического материала упаковываться определённым образом, или регуляторную функцию, участвуя во включении генов, направляющих синтез белка.
Кодирующими участками ДНК являются гены. Ген — участок молекулы ДНК, кодирующей синтез одной мРНК (и соответственно полипептида), рРНК или тРНК.
Участок хромосомы, где расположен ген называется локусом. Совокупность генов клеточного ядра представляет собой генотип, совокупность генов гаплоидного набора хромосом — гено́м, совокупность генов внеядерных ДНК (митохондрий, пластид, цитоплазмы) — плазмон.
Реализация информации, записанной в генах, через синтез белков называется экспрессией (проявлением) генов. Генетическая информация хранится в виде определённой последовательности нуклеотидов ДНК, а реализуется в виде последовательности аминокислот в белке. Посредниками, переносчиками информации выступают РНК. То есть реализация генетической информации происходит следующим образом:
ДНК → РНК → белок.
Этот процесс осуществляется в два этапа:
1) транскрипция;
2) трансляция.

Транскрипция (от лат. transcriptio — переписывание) — синтез РНК с использованием ДНК в качестве матрицы. В результате образуются мРНК, тРНК и рРНК. Процесс транскрипции требует больших затрат энергии в виде АТФ и осуществляется ферментом РНК-полимеразой.

Одновременно транскрибируется не вся молекула ДНК, а лишь отдельные её отрезки. Такой отрезок (транскриптон) начинается промотором — участком ДНК, куда присоединяется РНК-полимераза и откуда начинается транскрипция, а заканчивается терминатором — участком ДНК, содержащим сигнал окончания транскрипции. Транскриптон — это ген с точки зрения молекулярной биологии.
Транскрипция, как и репликация, основана на способности азотистых оснований нуклеотидов к комплементарному связыванию. На время транскрипции двойная цепь ДНК разрывается, и синтез РНК осуществляется по одной цепи ДНК.

В процессе транскрипции последовательность нуклеотидов ДНК переписывается на синтезирующуюся молекулу мРНК, которая выступает в качестве матрицы в процессе биосинтеза белка.
Гены прокариот состоят только из кодирующих нуклеотидных последовательностей.

Гены эукариот состоят из чередующихся кодирующих (экзонов) и некодирующих (интронов) участков.

После транскрипции участки мРНК, соответствующие интронам, удаляются в ходе сплайсинга, являющегося составной частью процессинга.

Процессинг — процесс формирования зрелой мРНК из её предшественника пре-мРНК. Он включает два основных события. 1.Присоединение к концам мРНК коротких последовательностей нуклеотидов, обозначающих место начала и место конца трансляции. Сплайсинг — удаление неинформативных последовательностей мРНК, соответствующих интронам ДНК. В результате сплайсинга молекулярная масса мРНК уменьшается в 10 раз. Трансляция (от лат. translatio — перевод) — синтез полипептидной цепи с использованием мРНК в роли матрицы.

В трансляции участвуют все три типа РНК: мРНК является информационной матрицей; тРНК доставляют аминокислоты и узнают кодоны; рРНК вместе с белками образуют рибосомы, которые удерживают мРНК, тРНК и белок и осуществляют синтез полипептидной цепи.

Этапы трансляции

ЭтапХарактеристикаИнициацияСборка комплекса, участвующего в синтезе полипептидной цепи. Малая субчастица рибосомы соединяется с инициаторной мет-трнк, а затем с мрнк, после чего происходит образование целой рибосомы, состоящей из малой и большой субчастиц.ЭлонгацияУдлинение полипептидной цепи. Рибосома перемещается вдоль мрнк, что сопровождается многократным повторением цикла присоединения очередной аминокислоты к растущей полипептидной цепи.ТерминацияЗавершение синтеза полипептидной молекулы. Рибосома достигает одного из трёх стоп-кодонов мрнк, а так как не существует трнк с антикодонами, комплементарными стоп-кодонам, синтез полипептидной цепи прекращается. Она высвобождается и отделяется от рибосомы. Рибосомные субчастицы диссоциируют, отделяются от мрнк и могут принять участие в синтезе следующей полипептидной цепи.

Реакции матричного синтеза. К реакциям матричного синтеза относятся

самоудвоение ДНК (репликация);
образование мРНК, тРНК и рРНК на молекуле ДНК (транскрипция);
биосинтез белка на мРНК (трансляция).

Все эти реакции объединяет то, что молекула ДНК в одном случае или молекула мРНК в другом выступают в роли матрицы, на которой происходит образование одинаковых молекул. Реакции матричного синтеза являются основой способности живых организмов к воспроизведению себе подобных.
Регуляция экспрессии генов. Тело многоклеточного организма построено из разнообразных клеточных типов. Они отличаются структурой и функциями, то есть дифференцированы. Различия проявляются в том, что помимо белков, необходимых любой клетке организма, клетки каждого типа синтезируют ещё и специализированные белки: в эпидермисе образуется кератин, в эритроцитах — гемоглобин и т. д. Клеточная дифференцировка обусловлена изменением набора экспрессируемых генов и не сопровождается какими-либо необратимыми изменениями в структуре самих последовательностей ДНК.

Фотосинтез и дыхание: сравнение и черты процессов

Сравнение фотосинтеза и дыхания

1) энергетический обмен, энергия выделяется
2) глюкоза окисляется в цитоплазме и митохондриях
3) кислород поглощается, углекислый газ выделяется

1) пластический обмен, энергия запасается
2) глюкоза синтезируется в хлоропластах
3) кислород выделяется, углекислый газ поглощается

1) гликолиз: в цитоплазме глюкоза окисляется до пировиноградной кислоты (ПВК), образуется 2 АТФ
2) в митохондриях ПВК окисляется до углекислого газа и воды, образуется 36 АТФ

1) в световой фазе поглощается свет, образуется АТФ, происходит фотолиз воды и выделение кислорода
2) в темновой фазе поглощается углекислый газ, происходит синтез глюкозы

Сходства митохондрий и хлоропластов:

1) двумембранные органоиды, наружная мембрана гладкая, внутренняя с выростами
2) полуавтономные органоиды за счет кольцевой ДНК и мелких рибосом

Отличия митохондрий и хлоропластов:

1) у хлоропластов тилакоиды, граны, строма
2) у митохондрий кристы, матрикс

Дыхание у растений

1) Происходит во всех живых клетках круглосуточно (фотосинтез – только в зеленых клетках и только на свету).
2) При дыхании растения, как и мы, поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Кислород окисляет глюкозу, созданную при фотосинтезе, получается энергия АТФ.
3) После полива рекомендуется рыхлить почву, чтобы к корням лучше поступал кислород. Если в земле не будет воздуха, то корни задохнутся, и растение погибнет.

Характерные черты процессов фотосинтеза и дыхания

Фотосинтез	Дыхание
Запасание энергии	Освобождение энергии
Синтез органического вещества	Разрушение органического вещества
Восстановление вещества	Окисление вещества
Поглощение СО2	Выделение СО2
Выделение О2	Поглощение О2
Происходит в хлоропластах на свету	Происходит в митохондриях в темноте

Однако в действительности между этими двумя процессами много общего.

Функции хлоропластов и митохондрий тесно связаны.

Например, кислород, выделяемый в ходе фотосинтеза, используется при дыхании, судьба СО2 для обоих процессов прямо противоположная судьбе О2.

Кроме того, в обоих органеллах поток электронов сопряжен с образованием АТФ с той разницей, что в митохондриях электроны переносятся от восстановленных пиридиннуклеотидов на кислород, тогда как в хлоропластах поток электронов направлен в противоположную сторону.

Окислительное фосфорилирование, происходящее в митохондриях, является главным поставщиком АТФ для клеток незеленых частей растений (всегда), а ночью и для фотосинтезирующих тканей.

Дыхание и фотосинтез имеют одинаковые промежуточные продукты: ФГК, ФГА, рибулоза, ПВК, ФЕП, малат и др.

Это говорит о возможности переключения с одного процесса на другой. И дыхание, и фотосинтез – это процессы и окислительные, и восстановительные, и распада, и синтеза. Обязательным участником обоих процессов является вода. При фотосинтезе она служит донором водорода для восстановления НАДФ+, а при дыхании окисление веществ может происходить с помощью кислорода воды.

Недаром В. И. Палладин назвал дыхание «мокрым горением».

При всей общности у этих процессов есть и отличия. При фотосинтезе АТФ синтезируется за счет поглощения энергии света (фотосинтетические фосфорилирование), при дыхании – за счет энергии, освободившейся при окислении тех или иных запасенных веществ (субстратное и окислительное фосфорилирование). Конечные продукты фотосинтеза, например, углеводы, являются дыхательным субстратом, т. е. соединениями с которых начинается дыхание.

Митохондриальный АТФ растрачивается на реакции, происходящие в разных частях клетки; АТФ, синтезированный в хлоропластах, предназначен главным образом, для процессов, происходящих в них самих. Дыхание в какой-то мере выступает как дублер фотосинтеза: пополняет фонд АТФ и промежуточных веществ.

При дыхании укорочение углеродной цепи происходит в результате декарбоксилирования веществ, а для фотосинтеза характерна обратная реакция – карбоксилирование.

Фотосинтез – процесс уникальный, локализованный в хлоропластах; дыхание, напротив, процесс универсальный.

Им обладают, за исключением небольшой группы анаэробов, все организмы, населяющие Землю; оно присуще любому органу, любой ткани, каждой живой клетке. Физиолого-биохимические механизмы дыхания являются общими у растений, животных, одно- и многоклеточных организмов.

Это лишний раз подтверждает мысль о том, что жизнь при всем разнообразии строится на небольшом количестве принципов.

Еще раз подчеркнем единство происхождения органического мира. Гликолиз – анаэробный процесс, который филогенически, вероятно, был первым поставщиком энергии для клетки. Фотосинтез, который появился в эволюции поздней, обогатил атмосферу кислородом, и стало возможным аэробное дыхание (цикл Кребса).

Пентозофосфатный окислительный цикл, идущий в условиях большого количества кислорода, мог появится еще позднее. Гликолиз идет в гиалоплазме и кариоплазме, для фотосинтеза и дыхания нужны мембраны. Таким образом, усложнение строения клетки шло одновременно с эволюцией способов добычи энергии.

В растениях (преимущественно в их листьях) на свету протекает фотосинтез. Это процесс, при котором из углекислого газа и воды образуется органическое вещество глюкоза (один из видов сахаров). Далее глюкоза в клетках превращается в более сложное вещество крахмал.

И глюкоза, и крахмал являются углеводами.

В процессе фотосинтеза образуется не только органическое вещество, но также, в качестве побочного продукта, выделяется кислород.

Углекислый газ и вода — это неорганические вещества, а глюкоза и крахмал — органические.

Поэтому часто говорят, что фотосинтез — это процесс образования органических веществ из неорганических на свету. Только растения, некоторые одноклеточные эукариоты и некоторые бактерии способны к фотосинтезу.

В клетках животных и грибов такого процесса нет, поэтому они вынуждены поглощать из окружающей среды органические вещества. В связи с этим растения называют автотрофами, а животных и грибов — гетеротрофами.

Процесс фотосинтеза у растений протекает в хлоропластах, в которых содержится зеленый пигмент хлорофилл.

Итак, для протекания фотосинтеза необходимы:

В процессе фотосинтеза образуются:

Растения приспособлены к улавливанию света. У многих травянистых растений листья собраны в так называемую прикорневую розетку, когда листья не затеняют друг друга.

Для деревьев характерна листовая мозаика, при которой листья растут так, чтобы как можно меньше затенять друг друга. У растений листовые пластинки могут поворачиваться к свету за счет изгибов черешков листьев.

При всем этом существуют тенелюбивые растения, которые могут расти только в тени.

Вода для фотосинтеза поступает в листья из корней по стеблю. Поэтому важно, чтобы растение получало достаточное количество влаги. При недостатке воды и некоторых минеральных веществ процесс фотосинтеза тормозится.

Углекислый газ для фотосинтеза беретсянепосредственно из воздуха листьями. Кислород, который вырабатывается растением в процессе фотосинтеза, наоборот, выделяется в воздух.

Газообмену способствуют межклетники (промежутки между клетками).

Образовавшиеся в процессе фотосинтеза органические вещества отчасти используются в самих листьях, но в основном оттекают во все другие органы и превращаются в другие органические вещества, используются при энергетическом обмене, превращаются в запасные питательные вещества.

Сравнение фотосинтеза и аэробного дыхания

Тема 17. Энергетический обмен. Решение задач

Основные вопросы теории

Совокупность реакций расщепления органических соединений называется диссимиляцией, представляет собой энергетический обмен, или катаболизм, обеспечивает клетку энергией.

Извлечение энергии осуществляется в клетке путем окисления веществ в процессе дыхания. Поэтому такое дыхание называют биологическим окислением или клеточным дыханием.

Клеточное дыхание – это окисление субстрата, приводящее к получению химической энергии (АТФ). Субстратами для дыхания служат органические соединения – углеводы, жиры, белки. Большинство клеток использует в первую очередь именно углеводы. Жиры составляют «первый резерв» и пускаются в дело тогда, когда запас углеводов исчерпан.

Поскольку белки выполняют ряд других важных функций, они используются лишь после того, как будут израсходованы все запасы углеводов и жиров, например, при длительном голодании.

Клеточное дыхание – ферментативное разложение органических веществ (глюкозы) в клетке до СО2 и Н2О в присутствии О2 с выделением энергии.

Включает3 этапа, каждый из которых осуществляется при участии ферментов в определенных участках клеток.

I этап – подготовительный.

В пищеварительной системе крупные молекулы пищи распадаются:

жиры→глицерин и жирные кислоты.

Энергия рассеивается в виде тепла. Мономеры всасываются в кровь и доставляются к клеткам.

II этап – бескислородный, неполное окисление, анаэробное дыхание – гликолиз, брожение.

Протекает в цитоплазме, 1 молекула глюкозы расщепляется до 2-х молекул ПВК без О2.

Чистый выход – 2 АТФ.

С6Н12О6+ 2Н3РО4+2АДФ →2С3Н6О3 +2Н2О + 2 АТФ

Гликолиз в мышцах: С6Н12О6 →2С3Н6О3 + 2 АТФ

Брожение (дрожжи): С6Н12О6 →2С2Н5ОН + 2СО2+ 2 АТФ

Если кислорода в клетке много, то

III этап – кислородный, полное окисление, аэробное дыхание.

Происходит в митохондриях при доступе О2.

(Видеофрагмент «Строение митохондрии».)

Условия процесса:наличиеферментов, молекул-переносчиков электронов и Н, АДФ, Ф, неповрежденные мембраны митохондрий.

а) окислительное декарбоксилирование ПВК, образуются ацетилКоА, НАДН и СО2;

б) цикл Кребса – цикл трикарбоновых кислот.

В матриксе митохондрий образуются АТФ, НАДН, ФАДН, СО2;

в) окислительное фосфорилирование – перенос ē от НАДН и ФАДН по цепи транспорта ē, встроенной в кристы, на акцептор О2.

От НАДН и ФАДН отсоединяются протоны и электроны, ē переносятся на О2 → Н2О, протоны → в матрикс митохондрий.

В цепи транспорта ē есть три участка фосфорилирования, в которых образуется 34 АТФ.

Энергетический эффект III этапа – 36 АТФ.

Суммарный энергетический эффект – 38 АТФ:

С6Н12О6 +6О2+ 38Н3РО4+38АДФ → 6СО2 + 6Н2О +38АТФ,

С6Н12О6 +6О2→6СО2 + 6Н2О +38АТФ

Сравнение фотосинтеза и аэробного дыхания

Необходим механизм обмена СО2 и О2.

2. Необходимы специальные органеллы (хлоропласты, митохондрии).

Необходима цепь транспорта ē, встроенная в мембраны.

4. Происходит фосфорилирование (синтез АТФ).

5. Происходят циклические реакции (цикл Кальвина – фотосинтез, цикл Кребса – аэробное дыхание).

Фотосинтез	Аэробное дыхание
1.

Анаболический процесс, из простых неорганических соединений (СО2 и Н2О) синтезируются углеводы. 2. Энергия АТФ накапливается и запасается в углеводах.

3. О2 выделяется. 4. СО2 и Н2О потребляются. 5. Увеличение органической массы. 6. У эукариот протекает в хлоропластах. 7. Только в клетках, содержащих хлорофилл, на свету.

1. Катаболический процесс, углеводы расщепляются до СО2 и Н2О. 2. Энергия запасается в виде АТФ. 3. О2 расходуется. 4. СО2 и Н2О выделяются. 5. Уменьшение органической массы. 6. У эукариот протекает в митохондриях. 7. Во всех клетках в течение жизни непрерывно.

Date: 2015-07-17; view: 2014; Нарушение авторских прав

Понравилась страница? Лайкни для друзей:

Структура всех митохондрий похожа, и функция их неизменно одна и та же – это энергетические станции клетки.

Именно в митохондриях происходит такой процесс, как клеточное дыхание. Именно во внутреннем пространстве митохондрий имеет место цикл Кребса, в ходе которого расходуется пируват, выделяется углекислый газ, производится часть АТФ и восстанавливается кофермент НАД+. И именно во внутренней мембране митохондрий располагается цепь переноса электронов, происходит окисление НАД-H и синтезируется остальная АТФ.

Структура и функции пластид более разнообразны.

Различают так называемые:

пропластиды – мелкие нефункциональные ювенильные пластиды, из которых развиваются другие типы пластид;
лейкопласты – бесцветные пластиды, участвующие в синтезе жиров;
амилопласты – пластиды, запасающие крахмал; в конечном счете они превращаются вкрахмальные зерна, в каких, например, запасен крахмал у картофеля;
хромопласты – пластиды, наполненные пигментами каротиноидами; их можно найти, к примеру, в плодах рябины.
хлоропласты – зеленые пластиды, в которых осуществляется фотосинтез, как световая, так и темновая его фазы.

Основной структурной особенностью хлоропластов являются граны – стопки тилакоидов.

Таким образом, хлоропласты имеют наиболее развитую внутреннюю мембранную структуру, так как в мембране хлоропластов располагаются и фотосистемы, и фермент рибулозофосфаткарбоксилаза.

И митохондрии, и большинство пластид являются овальными или цилиндрическими структурами.

Однако многие неродственные друг другу водоросли имеют единственный хлоропласт на клетку, он может иметь самую необычную форму. Встречаются и митохондрии с преобразованной структурой –одна спирально закрученная митохондрия имеется в шейке сперматозоида, т.е. она обвивает основание его жгутика.

Самой потрясающей общей особенностью митохондрий и пластид является то, что они имеют свою, независимую от ядра, генетическую систему. И эта генетическая система очень похожа на генетическую систему прокариот.

В ее состав входит прежде всего собственная, соответственно митохондриальная или пластидная ДНК. У митохондрий, как и у бактерий, ДНК имеет кольцевую структуру (лишь у некоторых простейших – линейную). ДНК пластид организована в сложные букетоподобные структуры, состоящие из частично спаренных друг с другом кольцевых и линейных фрагментов, но исходной структурной единицей ее также является элементарная кольцевая ДНК.

ДНК пластид и митохондрий не имеет характерной хроматиновой упаковки, здесь нет нуклеосом и гистонов, вообще здесь гораздо меньше белков.

Иначе говоря, все устроено как у прокариот. Промоторы и терминаторы также бактериального типа. Далее, в пластидах и митохондриях имеются рибосомы, причем рибосомы именно прокариотического типа. Как и у прокариот, при трансляции синтез полипептидной цепи начинается с аминокислоты формилметионина. У пластид к прокариотическому типу принадлежат также и свои тРНК, РНК-полимеразы, регуляторные последовательности.

Впрочем, некоторые гены как пластид, так и митохондрий содержат интроны, подобно ядерным генам эукариот и в отличие от генов бактерий.

Поэтому считываемая с них во время транскрипции РНК должна быть подвергнута сплайсингу. Возможно, эти гены «заразились» интронами от ядерного генома.

Все эти факты относительной автономии пластид и митохондрий и их глубинного сходства с прокариотами, которое не может быть случайным, свидетельствуют об одном – пластиды и митохондрии на самом деле неродственны эукариотической клетке.

Они произошли от каких-то прокариот, которые когда-то поселились внутри эукариотической клетки. Считается, что это были эндосимбионты – организмы, которые живут внутри других организмов и находятся с ними в отношениях симбиоза – взаимной выгоды.

Таковы, например, зеленые водоросли, живущие внутри кораллов и некоторых плоских червей.

Митохондрии произошли от каких-то аэробных (способных к дыханию кислородом) бактерий, к каковым относится большинство современных бактерий. Аэробные бактерии, в свою очередь, произошли от фотосинтезирующих бактерий, утративших фотосинтез. Об этом говорит поразительное сходство цепи переноса электронов в системе клеточного дыхания и при фотосинтезе.

Предполагают, что митохондрии произошли именно от каких-то пурпурных бактерий, утративших способность к фотосинтезу. Это произошло около 1-1,5 млрд лет назад, когда в атмосфере впервые появился в достаточных концентрациях свободный кислород, наработанный цианобактериями (сине-зелеными водорослями), господствовавшими в то время на мелководьях.

Предками пластид наверняка были какие-то цианобактерии (сине-зеленые водоросли), об этом говорит сходный набор пигментов и те же самые две сопряженные фотосистемы.

Причем хлоропласты красных водорослей, динофлагеллят + бурых + золотистых водорослей и зеленых водорослей + зеленых растений происходили от разных прокариот и были «одомашнены» независимо. Хлоропласты красных водорослей по составу пигментов прямо соответствуют цианобактериям.

Открыты и свободноживущие и симбиотические бактерии, по составу пигментов соответствующие двум другим типам хлоропластов (бактерия Prochloron с хлорофиллами a и b, как у зеленых водорослей и растений, является симбионтом оболочников).

Приобретя митохондрии, эукариоты обзавелись мощными энергетическими станциями, которые намного повысили энергообеспеченность клетки.

А приобретя пластиды, часть эукариотических клеток получила возможность к автотрофии и стала тем, что мы называем растениями.

Пластиды и митохондрии давно утратили свою автономность. Большая часть белков, функционирующих в этих органеллах, кодируется генами, находящимися в ядре.

У пластид даже часть рибосомальных РНК и белков, часть субъединиц РНК-полимеразы и целиком белки репликации – все прокариотического типа – кодируются в ядре.

Судя по всему, в ходе эволюции шел непрерывный процесс экспроприации генов ядром из органелл, перенесения их из органелльного генома в хромосомы.

Под дыханием понимается процесс, связанный с распадом углеводов, в результате которого высвобождается энергия, обеспечивающая метаболизм и транспорт в растении.

Так как кинетика метаболизма и транспорта уже описана, то из известных балансовых соотношений можно вычислить затраты субстрата на дыхание. Отметим, что при описании дыхания объединены две стадии преобразования химической энергии: стадии окисления субстрата, во время которой образуются макроэргические связи АТФ, и стадия использования энергии АТФ.

Кроме того, в балансовом уравнении дыхания учитываются затраты углеводов на обеспечение энергией процесса биосинтеза и транспорта органических и неорганических веществ.

В процессе дыхания выделяется углекислый газ, который частично используется в фотосинтезе. Его динамика описывается на основе балансовых соотношений.

Соотношение между фотосинтезом и дыханием в зависимости от температуры (поВ.Л. Лархеру, 1978)

БАЛАНС КИСЛОРОДНЫЙ — соотношение количества кислорода, выделяемого растениями при фотосинтезе (и частично освобождаемого в ходе спонтанных химических реакций в земной коре), и количества кислорода, потребляемого живыми организмами при дыхании, идущего на процессы гниения, окисления неорганических веществ и используемого в промышленности (см. круговорот кислорода).[ …]

Наконец, как известно, в процессе фотосинтеза растения создают углеводы, на что потребляется углекислый газ; в процессе дыхания углеводы разрушаются с выделением углекис ■ лого газа. Интенсивность фотосинтеза зависит от напряженности света.

При некоторой достаточно низкой напряженности света между фотосинтезом и дыханием создается такое соотношение, когда количество углекислого выделяемого при дыхании, сравнимо с чеством, потребляемым при фотосинтезе.

Такую силу света называют компенсационной точкой (пунктом). У световых растений компенсационный пункт соответствует более высокой освещенности, у теневых — слабой. Находясь под влиянием света разной напряженности и разного состава, растения несут как бы отпечаток этого в своем строении.[ …]

Углеводы являются основным продуктом фотосинтеза, на их основе в процессе обмена веществ в растительном организме формируются белки, жиры, нуклеиновые кислоты и другие соединения.

В молодых растениях преобладают моно- и дисахариды, в период созревания увеличивается содержание крахмала, целлюлозы, т.е. нерастворимых форм.[ …]

Углеводы — основной источник для аэробного и анаэробного дыхания клеток; источник энергии для возобновления вегетации. Обычно растение содержит большой набор разнообразных углеводов. В процессе вегетации соотношение растворимых и нерастворимых форм изменяется. В молодых растениях преобладают моно- и дисахариды, в период созревания увеличивается содержание крахмала, целлюлозы, т.е. нерастворимых форм.[ …]

Особенно интересна исследуемая теперь возможность использовать соотношение между желтыми пигментами, каротиноидами, и зелеными пигментами, хлорофиллами, как показатель отношения гетеротрофного метаболизма к автотрофному в целом сообществе.

Когда в сообществе фотосинтез превышает дыхание, доминируют хлорофиллы, а при усилении дыхания сообщества увеличивается содержание каротиноидов. Это сразу замечаешь, глядя на ландшафт с самолета: быстро растущие молодые хлеба или леса кажутся ярко-зелеными в сравнении с желто-зеленым цветом более старых лесов или спелых хлебов.

Маргалеф (1961, 1967) обнаружил, что отношение оптической плотности ацетоновых экстрактов пигментов при длине волны 430 нм к плотности при длине волны 665 нм дает простое отношение содержания желтых пигментов к зеленым, которое обратно пропорционально отношению Р/Я в культурах и планктонных сообществах.

Так, это отношение обычно мдло (например, от 1 до 2) для молодых культур или во время весеннего «цветения» водоемов, когда дыхание невелико, и высоко (3—5) в стареющих культурах или в планктонных сообществах в конце лета, I когда дыхание относительно усиленное.[ …]

Для поддержания жизни на Земле в ее современных формах очень еэжно определенное соотношение кислорода и диоксида углерода в атмосфере.

До появления жизни на Земле атмосфера ее соо-тояла в основном из метана, аммиака, водяных паров и водорода. Когда первые водные растения стали использовать солнечный свет в качестве источника энергии, они начали выделять кислород, часть которого освобождалась из океана и накапливалась в атмосфере.

Постепенно большая часть водорода первичной атмосферы улетучилась в космическое пространство, а углерод, входящий в состав метана, и азот аммиака ассимилировались растениями, и их место в атмосфере занял кислород, высвобождающийся в процессе фотосинтеза.

Сложившееся соотношение кислорода и диоксида углерода в атмосфере Земли поддерживается в настоящее время за счет создания из диоксида углерода и воды фотосинтезирующими организмами около 100 млрд.

т органических веществ в год ( что сопровождается выделением кислорода) и окислением около того же количества органических веществ в результате дыхания жрвых организмов ( с превращением в С02 и HgO).[ …]

Действительно известно, что начальные перестройки в физиологии целого организма (соотношение процессов транспирации, фотосинтеза, водного обмена и др.) в экстремальных условиях проявляются по-разному в зависимости от конкретного воздействия.

О том же говорят наблюдения на клеточном уровне (Семихатова, 1990). Анализ реакции дыхательного аппарата клетки на изменение экологической обстановки показывает, что общий уровень дыхания, цианид-резистентное поглощение 02, энергетическая эффективность дыхания изменяется в неодинаковой степени при повышении и понижении температуры, засолении и водном дефиците.[ …]

Отдельные растения могут компенсировать влияние растительноядных организмов различными способам,и.

Во-первых, удаление листьев с растения может уменьшить затенение других листьев 1И вследствие этого привести к повышению у них интенсивности фотосинтеза.

источники:

http://examer.ru/ege_po_biologii/teoriya/metabolizm_kletki

http://cyberlesson.ru/fotosintez-i-dyhanie/