Обеспечение клеток энергией кратко

Обновлено: 03.07.2024

Основным источником энергии для всех живых существ, которые населяют нашу планету, служит энергия солнечного света. Однако непосредственно ее используют только клетки зеленых растений, одноклеточных водорослей, зеленых и пурпурных бактерий. Эти клетки за счет энергии солнечного света способны синтезировать органические вещества - углеводы. Биосинтез, происходящий при использовании световой энергии, называют фотосинтезом. Организмы, способные к фотосинтезу, называют автотрофными.

Исходными веществами для фотосинтеза служат углекислый газ атмосферы Земли, а также неорганические соли азота, фосфора, серы из водоемов и почвы. Источником азота являются также молекулы атмосферного азота (N2), которые усваиваются бактериями, живущими в корневых клубеньках главным образом бобовых растений. Газообразный азот переходит при этом в состав молекулы аммиака - NH3, который впоследствии используется для синтеза аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и иных азотсодержащих соединений. Клубеньковые бактерии и бобовые растения нужны друг другу. Совместное взаимовыгодное существование разных видов организмов называют симбиозом.

Все живые существа нашей планеты, неспособные синтезировать органические вещества из неорганических соединений, называются гетеротрофами. Все животные и человек живут за счет запасенной растениями энергии Солнца, превращенной в энергию химических связей вновь синтезированных органических соединений.

Фотосинтезирующие клетки, поглощая углекислый газ из атмосферы, выделяют в нее кислород. До появления на нашей планете фотосинтезирующих клеток атмосфера Земли была лишена кислорода. С появлением фотосинтезирующих организмов постепенное наполнение атмосферы кислородом привело к возникновению клеток с энергетическим аппаратом нового типа. Это были клетки, производящие энергию за счет окисления готовых органических соединений, главным образом углеводов и жиров, при участии атмосферного кислорода в качестве окислителя. При окислении освобождается энергия химических связей органических соединений.

В результате насыщения атмосферы кислородом возникли аэробные клетки, способные использовать кислород для получения энергии.

Гетеротрофы(греч. heteros — иной, другой и trophe — пища, питание) не способны сами синтезировать орга­нические соединения из неорганических, они нужда­ются в поступлении их из окружающей среды. Орга­нические вещества служат для них не только пищей, но и источником энергии. К гетеротрофам относятся все животные, грибы, большинство бактерий, а также бесхлорофилльные наземные растения и водоросли.

Гетеротрофные организмы по способу получения пи­щи подразделяются на голозойных (животные), захва­тывающих твердые частицы, и осмотрофных (грибы, бактерии), питающихся растворенными веществами.

Многообразные гетеротрофные организмы способны в совокупности разлагать все вещества, которые синте­зируются автотрофами, а также минеральные вещества, синтезированные в результате производственной деятель­ности людей. Гетеротрофные организмы совместно с ав­тотрофами составляют на Земле единую биологическую систему, объединенную трофическими отношениями.

Автотрофы— организмы, питающиеся (т. е. полу­чающие энергию) за счет неорганических соединений это некоторые бактерии и все зеленые растения. Ав­тотрофы разделяются на хемотрофов и фототрофов.

Хемотрофы— организмы, использующие энергию, ос­вобождающуюся при окислительно-восстановительных реакциях. К хемотрофам относятся нитрифицирую­щие (азотфиксирующие) бактерии, серные, водородные (метанобразующие), марганцевые, железообразующие и бактерии, использующие оксид углерода.

Фототрофы— только зеленые растения. Источни­ком энергии для них является свет.

2. Фотосинтез(греч. phos — род. пад. photos — свет и synthesis — соединение) — образование при участии энер­гии света органических веществ клетками зеленых рас­тений, а также некоторыми бактериями, процесс преоб­разования энергии света в химическую. Происходит с помощью пигментов (хлорофилла и некоторых др.) в тилакоидах хлоропластов и хроматофорах клеток. В осно­ве фотосинтеза лежат окислительно-восстановительные реакции, в которых электроны переносятся от донора-восстановителя (вода, водород и др.) к акцептору (лат. acceptor — приемщик) — диоксиду углерода, ацетату с образованием восстановленных соединений — углево­дов и выделением кислорода, если окисляется вода.

Фотосинтезирующие бактерии, использующие иные, чем вода, доноры, кислород не выделяют.

Световые реакции фотосинтеза(вызываемые светом) протекают в гранах тилакоидов хлоропластов .Кванты видимого света (фотоны) взаимодействуют с молекулами хлорофилла, переводя их в возбужденное состояние. Электрон в составе хлорофилла поглощает квант света определенной длины и, как по ступеням, пе­ремещается по цепи переносчиков электронов, теряя энер­гию, которая служит для фосфорилирования АДФ в АТФ. Это очень эффективный процесс: в хлоропластах обра­зуется в 30 раз больше АТФ, чем в митохондриях тех же растений. Так накапливается энергия, необходимая для следующих — темновых реакций фотосинтеза. В каче­стве переносчиков электронов выступают вещества: цитохромы, пластохинон, ферредоксин, флавопротеид, редуктаза и др. Часть возбужденных электронов используется для восстановления НАДФ + в НАДФН. Под действием солнечного света в хлоропластах происходит расщепле­ние воды — фотолиз, при этом образуются электроны, которые возмещают потери их хлорофиллом; в качестве побочного продукта образуется кислород, выделяемый в атмосферу нашей планеты. Это тот кислород, которым дышим мы и который необходим всем аэробным орга­низмам.

Темновые реакции, или реакции фиксации углеро­да,не связанные со светом, осуществляются в строме хло­ропластов. Ключевое место в них занимает фиксация углекислоты и превращение углерода в углеводы. Эти реакции носят циклический характер, так как часть промежуточных углеводов претерпевает процесс кон­денсации и перестроек до рибулозодифосфата — пер­вичного акцептора С0₂, что обеспечивает непрерывную работу цикла. Впервые этот процесс описал американ­ский биохимик Мэлвин Кальвин

Превращение неорганического соединения С0₂ в ор­ганические соединения — углеводы, в химических свя­зях которых запасается солнечная энергия, происходит с помощью сложного фермента — рибулозо-1,5-дифосфат-карбоксилазы. Он обеспечивает присоединение одной мо­лекулы С0₂ к пятиуглеродному рибулозо-1,5-дифосфату, в результате чего образуется шестиуглеродное промежу­точное короткоживущее соединение. Это соединение вследствие гидролиза распадается на две трехуглеродные молекулы фосфоглицериновой кислоты, которая вос­станавливается с использованием АТФ и НАДФН до трехуглеродных сахаров (триозофосфатов). Из них и об­разуется конечный продукт фотосинтеза — глюкоза.

Часть триозофосфатов, пройдя процессы конденса­ций и перестроек, превращаясь сначала в рибулозомонофосфат, а затем и в рибулозодифосфат, включается снова в непрерывный цикл создания молекул глюкозы. Глюкоза может ферментативно полимеризоваться в

крахмал и целлюлозу — опорный полисахарид растений.

Особенностью фотосинтеза некоторых растений (са­харного тростника, кукурузы, амаранта) является пер­воначальное превращение углерода через четырехуглеродные соединения. Такие растения получили индекс С₄-растения, а фотосинтез в них метаболизм уг­лерода. С₄-растения привлекают внимание исследова­телей высокой фотосинтетической продуктивностью.

Пути повышения продуктивности сельскохозяйст­венных растений:

— достаточное минеральное питание, которое может обеспечивать наилучший ход обменных процессов;

— более полная освещенность, которая может быть достигнута с помощью определенных норм посева рас­тений с учетом потребления света светолюбивыми и теневыносливыми;

— нормальное количество углекислого газа в возду­хе (при увеличении его содержания нарушается процесс дыхания растений, который связан с фотосинтезом);

— увлажненность почвы, соответствующая потреб­ностям растений во влаге, зависящая от климатиче­ских и агротехнических условий.

Значение фотосинтеза в природе.

В результате фотосинтеза на Земле ежегодно образу­ется 150 млрд. т органического вещества и выделяется примерно 200 млрд. т свободного кислорода. Фотосинтез не только обеспечивает и поддерживает современный состав атмосферы Земли, необходимый для жизни ее обитателей, но и препятствует увеличению концентра­ции С0₂ в атмосфере, предотвращая перегрев нашей планеты (из-за так называемого парникового эффекта). Кислород, выделяемый при фотосинтезе, необходим для дыхания организмов и защиты их от губительного ко­ротковолнового ультрафиолетового излучения.

Хемосинтез(позднегреч. chemeta — химия и греч. synthesis — соединение) — автотрофный процесс со­здания органического вещества бактериями, не содер­жащими хлорофилл. Осуществляется хемосинтез за счет окисления неорганических соединений: водоро­да, сероводорода, аммиака, оксида железа (II) и др. Ус­воение С0₂ протекает, как и при фотосинтезе (цикл Кальвина), за исключением метанобразующих, гомо-ацетатных бактерий. Энергия, получаемая при окис­лении, запасается в бактериях в форме АТФ.

Хемосинтезирующим бактериям принадлежит ис­ключительно важная роль в биогеохимических цик­лах химических элементов в биосфере. Жизнедеятель­ность нитрифицирующих бактерий представляет собой один из важнейших факторов плодородия почвы. Хемосинтезирующие бактерии окисляют соединения же­леза, марганца, серы и др.

Хемосинтез открыт русским микробиологом Сер­геем Николаевичем Виноградским (1856—1953) в 1887 г.

3. Энергетический обмен

Три этапа энергетического обмена осуществляются при участии специальных ферментов в различных уча­стках клеток и организмов.

Первый этап — подготовительный— протекает (у животных в органах пищеварения) под действием ферментов, расщепляющих молекулы ди- и полисахаридом, жиров, белков, нуклеиновых кислот на более мелкие молекулы: глюкозы, глицерина и жирных кислот, аминокислот, нуклеотидов. При этом выделяется небольшое количество энергии, рассеивающейся в виде тепла.

Второй этап — бескислородный, или неполного окисления.Он называется также анаэробным дыханием (брожением), или гликолизом. Ферменты гликолиза локализованы в жидкой части цитоплазмы — гиалоплазме. Расщеплению подвергается глюкоза, каждая молен у in которой ступенчато расщепляется и окисляется при участии ферментов до двух трехуглеродных молекул пировиноградной кислоты СН₃ — СО — СООН, где СООН карбоксильная группа, характерная для органических кислот.

В этом превращении глюкозы последовательно участвуют девять ферментов. В процессе гликолиза про исходит окисление молекул глюкозы, т. е. теряются атомы водорода. Акцептором водорода (и электроном) в этих реакциях служат молекулы никотинамидаде ниндинуклеотида (НАД + ), которые похожи по струн туре на НАДФ + и отличаются только отсутствием остатка фосфорной кислоты в молекуле рибозы. При восстановлении пировиноградной кислоты за счет восстановленного НАД возникает конечный продукт гликолиза — молочная кислота. В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АТФ.

В суммарном виде этот процесс выглядит так:

У дрожжевых грибов молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и ди­оксид углерода (спиртовое брожение):

У некоторых микроорганизмов расщепление глю­козы без кислорода может завершиться образованием уксусной кислоты, ацетона и др. При этом во всех случаях распад одной молекулы глюкозы сопровожда­ется образованием двух молекул АТФ, в макроэргических связях которой сохраняется 40% энергии, осталь­ная рассеивается в виде теплоты.

Попадая в митохондрию, пировиноградная кислота (ПВК) окисляется и превращается в богатое энергией вещество — ацетилкофермент А, или сокращенно ацетил-КоА. В цикле Кребса молекулы ацетил-КоА по­ступают из разных энергетических источников. В про­цессе окисления ПВК восстанавливаются акцепторы электронов НАД + в НАД-Н и происходит восстановле­ние акцепторов еще одного типа — ФАД в ФАДН₂ (ФАД — это флавинадениндинуклеотид). Энергия, за­пасенная в этих молекулах, используется для синтеза АТФ — универсального биологического аккумулято­ра энергии. В ходе стадии аэробного дыхания элект­роны от НАД-Н и ФАДН₂ перемещаются по многосту­пенчатой цепи их переноса к конечному акцептору электронов — молекулярному кислороду. В переносе участвуют несколько переносчиков электронов: кофермент Q, цитохромы и, самое главное, кислород. При пере­ходе электронов со ступени на ступень дыхательного кон­вейера освобождается энергия, которая расходуется на синтез АТФ. Внутри митохондрий катионы Н + , соеди­няясь с анионами О 2 ~, образуют воду. В цикле Кребса образуется С0₂, и в цепи переноса электронов — вода. При этом одна молекула глюкозы, полностью окисля­ясь при доступе кислорода до С0₂ и Н₂0, способствует образованию 38 молекул АТФ. Из вышесказанного следует, что основную роль в обеспечении клетки энергией играет кислородное расщепление органических веществ, или аэробное ды­хание. При дефиците кислорода или полном его от­сутствии происходит бескислородное, анаэробное, рас­щепление органических веществ; энергии такого процесса хватает только на создание двух молекул АТФ. Благодаря этому живые существа могут корот­кое время обходиться без кислорода.

Всем живым клеткам постоянно нужна энергия. Она используется для обеспечения различных биологических и химических реакций в клетке. Одни организмы для этих реакций используют энергию солнечного света, другие — энергию химических связей органических веществ, поступающих с пищей. Из­влечение энергии из пищевых веществ осуществляется в клетке путем их рас­щепления и окисления в процессе дыхания. Поэтому такое дыхание называют биологическим окислением или клеточным дыханием.

Клеточное дыхание — это совокупность окислительных процессов в клет­ке, сопровождающих расщепление молекул органических веществ и обра­зование органических соединений, богатых энергией.

Первая и вторая стадии биологического окисления происходят в цито­плазме клетки, а третья — в митохондриях.

Первая стадия — подготовительная. Поступившие с пищей или создан­ные путем фотосинтеза биополимерные молекулы органических веществ рас­падаются под действием ферментов на мономеры. Например, полисахариды распадаются на молекулы глюкозы, белки — на молекулы аминокислот, а жиры — на глицерин и жирные кислоты. Выделяющееся при этом небольшое количе­ство энергии рассеивается в виде тепла.

На второй стадии образовавшиеся мономеры распадаются на еще более простые молекулы. Например, молекула глюкозы (шестиуглеродное соединение С₆Н₁₂О_б) сначала распадается на две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты (С3Н4О3) с образованием четырех молекул АТФ. Затем пировиноградная кислота преобразуется под действием ферментов и энергии в молочную кислоту, а молекул АТФ остается только две. Весь процесс идет безучастия кислорода, поэтому данную стадию называют бескислородной или анаэробной.

Последовательность реакций гликолиза идет одинаково у всех без ис­ключения живых клеток.

Гликолиз — наиболее древний способ расщепления глюкозы, широко рас­пространенный в природе. Он играет важную роль в обмене веществ у живых организмов. Гликолиз одной молекулы глюкозы дает две молекулы АТФ. Это обеспечивает клетку энергией. По типу гликолиза идет обеспечение организма энергией у прокариот, в частности у бактерий. Этот процесс происходит у них в цитоплазме.

В условиях достаточного снабжения клетки кислородом гликолиз высту­пает анаэробной стадией, предшествующей окислительному распаду углеводов до конечных продуктов — углекислого газа и воды. Для полного расщепления питательных веществ при дыхании необходим кислород.

На третьей стадии происходит дальнейшее окисление веществ с помо­щью кислорода (0₂) и ферментов до конечных продуктов — углекислого газа и воды. В результате образуется большое количество энергии — 32 молекулы АТФ. Поскольку эта стадия идет с участием кислорода, ее называют кислород­ной или аэробной.

Основная функция дыхания — обеспечение клетки (и организма) энер­гией — осуществляется на этапе кислородного расщепления веществ.

Всего на трех этапах биологического окисления одной молекулы глюко­зы образуется 36 молекул АТФ. Часть молекул расходуется на сами процессы окисления, а 21 молекула АТФ передается в цитоплазму для обеспечения рабо­ты других клеточных структур.

Дыхание, происходящее в клетке с образованием энергии, нередко сравнивают с го­рением: в обоих случаях идет поглощение кислорода, выделение энергии и продук­тов окисления — углекислого газа и воды. Но, в отличие от горения, дыхание представ­ляет собой высокоупорядоченный процесс последовательно идущих реакций биоло­гического окисления, осуществляемых с помощью ферментов. Образование С0₂ при горении происходит путем прямого соединения кислорода с углеродом, а при дыхании С0₂ возникает как конечный продукт биологического окисления (клеточного дыхания).

При этом в процессе дыхания помимо воды и диоксида углерода образуются молеку­лы АТФ и других высокоэнергетических соединений. Дыхание — принципиально иной процесс, нежели горение.

1. В чем сходство и различия дыхания и фотосинтеза?

2*. На чем основывается утверждение ученых, что гликолиз появился в живой природе раньше кислородного расщепления?

3. Замените одним словом выделенную часть каждого утверждения.

Ферментативный и бескислородный процесс распада органических ве­ществ в клетке наблюдается у бактерий.

Совокупность окислительных процессов расщепления молекул органичес­ких веществ с участием кислорода — свойство клеток высших растений и большинства животных.

Краткое содержание главы

Цитология — наука, изучающая клетку. В процессе становления и разви­тия цитологии сформулирована клеточная теория, содержащая основополага­ющие сведения о свойствах клетки, ее универсальности, структуре, жизнедея­тельности и значении для живой природы.

Клетка — это особая биосистема. Она является элементарной структур­ной единицей живой материи. Все организмы состоят из клеток.

В клетках живых организмов всегда присутствуют четыре группы органи­ческих соединений: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты, а также многие неорганические соединения, среди которых важнейшую роль выполня­ет вода. По строению все клетки делят на прокариотические и эукариотические.

В живой клетке постоянно осуществляется обмен веществ — метаболизм. Метаболизм включает два взаимосвязанных процесса: ассимиляцию (анабо­лизм) и диссимиляцию (катаболизм). Совокупностью их химических реакций обеспечивается биосинтез новых соединений, необходимых для жизни клет­ки, и распад (расщепление) уже имеющихся или поступающих веществ для обеспечения клетки энергией.

Биосинтез важнейших органических веществ и клеточное дыхание осу­ществляются в клетке с помощью ферментов. Энергию клетки получают или непосредственно путем поглощения света (при фотосинтезе), или путем рас­щепления имеющихся органических соединений при клеточном дыхании.

В процессе эволюции клетки приобрели упорядоченность и согласован­ность реакций обмена веществ и энергии. Регулируется протекание всех этих сложных реакций благодаря четкому разграничению функций, выполняемых внутриклеточными структурами, строгой упорядоченности размещения в этих структурах ферментов и избирательной проницаемости биологических мембран. Взаимодействие всех клеточных структур и протекающих в них процес­сов, обеспечивающих жизнедеятельность и целостность клетки, позволяет рассматривать клетку как особую живую систему.

Поясните, почему структура и свойства клетки были открыты лишь в XIX-XX вв.

Поясните, почему знания о клетке необходимы в повседневной жизни.

Назовите основные структурные компоненты клетки.

Охарактеризуйте важнейшие процессы жизнедеятельности клетки.

Докажите, что клетка — биосистема и организм.

Проблемы для обсуждения

Почему клетки прокариот, возникшие на Земле ранее других и со­хранившие черты древности (примитивности) в своем строении, су­ществуют на нашей планете и поныне?

Поясните, как в клетке осуществляется регуляция процессов обме­на веществ. Приведите примеры такой регуляции.

В учебнике показан процесс обеспечения клетки энергией на при­мере клеточного дыхания с использованием углеводов. Участвуют ли в этом процессе белки и липиды?

Разъясните, каким образом осуществляется управление процесса­ми жизнедеятельности клетки.

Подумайте, связано ли знание о клетке с постижением общих зако­нов жизни и ее развития. Обоснуйте свою точку зрения.

Прокариоты. Эукариоты. Органоиды клетки. Мономеры. Полимеры. Нуклеиновые кислоты. ДНК. РНК. Ферменты. Биосинтез. Фотосин­тез. Метаболизм. Биологическое окисление (клеточное дыхание).

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

• Для учеников 1-11 классов и дошкольников
• Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Описание презентации по отдельным слайдам:

Понятие о клеточном дыхании. Всем живым клеткам постоянно нужна энергия. Она используется для обеспечения различных биологических и химических реакций в клетке. Извлечение энергии из пищевых веществ осуществляется в клетке путем их расщепления и окисления в процессе дыхания. Поэтому такое дыхание называют биологическим окислением или клеточным дыханием.

Важно знать! Клеточное дыхание – это совокупность окислительных процессов в клетке, сопровождающихся расщеплением молекул органических веществ и образованием органических соединений, богатых энергией.

Биологическое окисление с участием кислорода Биологическое окисление с участием кислорода называют аэробным, без кислорода - анаэробным

Стадии клеточного дыхания. Первая стадия – подготовительная. Поступившие с пищей или созданные путем фотосинтеза биополимерные молекулы органических веществ распадаются под действием ферментов на мономеры. Вторая стадия – образовавшиеся мономеры распадаются на ещё более простые молекулы. Третья стадия - в митохондриях происходит дальнейшее окисление веществ с помощью кислорода ( О2) и ферментов до конечных продуктов – углекислого газа и воды.

Важно знать! Основная функция дыхания – обеспечение клетки ( и организма ) энергией – осуществляется на этапе кислородн6ого расщепления веществ.

Краткое описание документа:

Оборудование: презентация

Ход урока:

1. Понятие о клеточном дыхании.

Всем живым клеткам постоянно нужна энергия. Она используется для обеспечения различных биологических и химических реакций в клетке. Извлечение энергии из пищевых веществ осуществляется в клетке путем их расщепления и окисления в процессе дыхания. Поэтому такое дыхание называют биологическим окислением или клеточным дыханием.

2. Важно знать.

Клеточное дыхание – это совокупность окислительных процессов в клетке, сопровождающихся расщеплением молекул органических веществ и образованием органических соединений, богатых энергией.

3. Биологическое окисление с участием кислорода.

Биологическое окисление с участием кислорода называют аэробным, без кислорода – анаэробным

4. Схема биологического окисления.

5. Стадии клеточного дыхания.

• Первая стадия – подготовительная. Поступившие с пищей или созданные путем фотосинтеза биополимерные молекулы органических веществ распадаются под действием ферментов на мономеры.
• Вторая стадия – образовавшиеся мономеры распадаются на ещё более простые молекулы.
• Третья стадия - в митохондриях происходит дальнейшее окисление веществ с помощью кислорода ( О2) и ферментов до конечных продуктов – углекислого газа и воды.

6. Важно знать.

Основная функция дыхания – обеспечение клетки ( и организма ) энергией – осуществляется на этапе кислородн6ого расщепления веществ.

Читайте также:

  
• Причины трудовых конфликтов кратко
  
• Украинские земли в составе речи посполитой кратко
  
• Гражданский компонент общероссийской идентичности кратко
  
• Первая русская революция ленин кратко
  
• Барометрическое нивелирование кратко и понятно