Питание клетки 10 класс кратко и понятно
Обновлено: 05.07.2024
Одним из важных условий существования живой клетки является обмен веществ и энергии. В клетке постоянно происходят сложнейшие физические и химические процессы, направленные на обеспечение стабильности внутренней среды как самой клетки, так и всего организма в целом. Для обозначения постоянства внутренней среды любой биологической системы применяют термин гомеостаз. Нарушение гомеостаза ведёт к повреждению или даже разрушению организма. В клетках присутствуют структуры, позволяющие осуществлять синтез необходимых ей веществ, а также расщеплять энергетически ёмкие вещества и получать нужное количество энергии. Вся совокупность процессов синтеза веществ в организме называется ассимиляцией, или анаболизмом. Ещё одно названия реакций синтеза – пластический обмен. Пластический обмен, например, биосинтез белка, осуществляется особенно активно в растущих клетках.
Одновременно с ассимиляцией в клетке протекают процессы расщепления органических молекул с выделением энергии. Часть энергии теряется, рассеивается, другая часть запасается в виде молекул АТФ и расходуется по мере необходимости. Общее название реакций распада органических веществ, сопровождающихся выделением энергии – диссимиляция, или катаболизм. Так же к процессам диссимиляции применим термин энергетический обмен.
Ассимиляция и диссимиляция, хотя и противоположные по результатам процессы, в основе своей тесно взаимосвязаны и взаимообусловлены. Взаимосвязь их обнаруживается в расходовании на биосинтез веществ (ассимиляцию) той энергии, которая освобождается в процессе диссимиляции. Без этой энергии не могут образовываться и продукты распада белков, жиров и углеводов, необходимые для биосинтеза. С другой стороны, ассимиляция обусловливает накопление в организме соответствующего энергетического материала. Эти процессы являются важнейшими звеньями метаболизма — совокупности процессов биохимических превращений веществ и энергии в живых организмах, обмена веществ.
Реакции метаболизма протекают при умеренных температурах, нормальном
давлении, малых колебаниях кислотности. Скорость протекания реакций регулируется ферментами, которые действуют избирательно на определённые вещества. Так, фермент амилаза катализирует распад в ротовой полости крахмала: без этого фермента реакция не идёт. Фермент уреаза катализирует расщепление мочевины до угольной кислоты и аммиака, но не действует на другие родственные мочевине соединения.
Основным источником энергии для всех клеток служит молекула аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая синтезируется в клетке в результате реакции фосфорилирования, т.е. присоединения к молекуле аденозиндифосфата (АДФ) ещё одного остатка фосфорной кислоты. Энергия, затраченная на эту реакцию, переходит в энергию химической связи и таким образом запасается.
Энергия, необходимая для синтеза АТФ и других органических соединений клетки, выделяется в процессе диссимиляции, т.е. в результате расщепления органических веществ.
Диссимиляция у разных организмов проходит не одинаково и зависит от структуры и физиологических особенностей организма и условий среды, в которой он обитает.
Большинство организмов, обитающих на Земле, являются аэробами, т.е. для жизни используют свободный кислород воздуха. Диссимиляция у таких организмов проходит три фазы: подготовительную, бескислородную и кислородную. Результатом такого энергетического обмена является распад органических соединений до неорганических и выделение достаточного количества энергии. Уанаэробов живущих в бескислородной среде и у аэробов при недостатке кислорода диссимиляция проходит две фазы – подготовительную и бескислородную. При таком способе энергетического обмена запасается гораздо меньше энергии, чем при трёхфазовом.
Подготовительная фаза является начальным этапом энергетического обмена и включает в себя расщепление полимеров: белков – до аминокислот, жиров – до глицерина и жирных кислот, углеводов – до глюкозы. Эти процессы осуществляются при помощи пищеварительных ферментов лизосом, а у многоклеточных животных в пищеварительной системе. Этот этап проходит с затратой энергии.
Следующая фаза энергетического обмена – бескислородная. Она проходит с выделением энергии. В основе этого этапа обмена лежит гликолиз – многоступенчатый процесс окисления молекулы глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты. Реакции гликолиза проходят в цитоплазме клетки и катализируются большим количеством ферментов. Суммарное уравнение гликолиза выглядит следующим образом:
В бескислородной среде в растительных клетках и клетках некоторых грибов, например, дрожжей, вместо гликолиза проходит процесс спиртового брожения, в результате которого глюкоза превращается в этиловый спирт и углекислый газ. Суммарное уравнение спиртового брожения:
Спиртовое брожение дрожжей применяют в виноделии, пивоварении и хлебопечении.
Для некоторых бактерий характерно молочнокислое брожение, в результате которого пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту. Такие бактерии получили название молочнокислых и используются при приготовлении молочных продуктов.
Образование молочной кислоты может происходить в тканях многоклеточных организмов при кислородном голодании. Например, при физической нагрузке в скелетных мышцах в результате пережатия кровеносных сосудов возникает дефицит кислорода. Образующаяся молочная кислота связывает ионы кальция, что является причиной болевых ощущений в мышцах.
В клетках некоторых микроорганизмов в анаэробных условиях образуется уксус или ацетон, но и в этих случаях, как и при гликолизе, окисление одной молекулы глюкозы приводит к запасанию двух молекул АТФ.
Завершающая фаза энергетического обмена – полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание. Этот многоэтапный процесс проходит в митохондриях клетки и заключается в расщеплении органических молекул, образовавшихся в анаэробной фазе до конечных продуктов – углекислого газа и воды.
В результате клеточного дыхания из двух молекул молочной кислоты синтезируется 36 молекул АТФ:
Ещё две молекулы АТФ образовались в ходе анаэробной фазы, поэтому суммарное уравнение энергетического обмена можно выразить следующим образом:
Энергия, вырабатываемая и запасаемая клеткой в процессе диссимиляции, используется, в том числе, для сборки молекул органических веществ, необходимых для жизнедеятельности как самой клетки, так и организма в целом.
Мономеры, из которых синтезируются белки, углеводы, липиды и другие молекулы организм получает в результате расщепления биополимеров, полученных извне с пищей. Органические вещества, полученные с пищей, не могут быть использованы организмом в неизменном виде, т.к. являются, по сути, чужеродными. Например, белок куриного яйца в необработанном виде не может участвовать в построении мышечной ткани человека. При помощи специфических ферментов органика пищи расщепляется до мономеров, которые используются в процессе синтеза веществ, характерных для данного организма.
Процесс поглощения пищи живыми организмами направленный на поддержание нормального протекания физиологических процессов жизнедеятельности, в частности, для восстановления расходуемой энергии, построения и обновления клеток и тканей называется питанием. Особенности питания организма зависят от его видовой принадлежности. Как правило, процесс питания состоит из поглощения, расщепления, переваривания и всасывания питательных веществ.
Все организмы по способу питания делятся на две группы – автотрофы и гетеротрофы.
К автотрофам относятся организмы, синтезирующие из неорганических веществ, в основном, воды и углекислого газа, все необходимые для жизни органические вещества. При этом одни из них (фототрофы) получают необходимую энергию от Солнца, другие (хемотрофы) от химических реакций неорганических соединений.
Автотрофы являются первичными продуцентами органического
вещества в биосфере, обеспечивая пищей гетеротрофов. Гетеротрофы – организмы, которые не способны синтезировать органические вещества из неорганических путём фотосинтеза или хемосинтеза. Гетеротрофами являются растительноядные и плотоядные животные, в том числе и человек, грибы, растения и микроорганизмы. Особыми группами гетеротрофов являются паразиты, питающиеся соками организма хозяина, и сапрофиты, поглощающие органические вещества в жидком виде через клеточную стенку. Граница между автотрофами и гетеротрофами бывает не чёткой. Некоторые простейшие (эвглена зелёная) в темноте питаются как гетеротрофы, а на свету становятся автотрофами.
Урок знакомит с автотрофными и гетеротрофными иранизмами. Рассказывает о том, что все автотрофы делятся на фотосинтезирующих и хемосинтезирующих. В данном уроке приводятся следующие понятия: автотрофы, гетеротрофы, хемотрофы.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока "Питание клетки"
Все организмы, обитающие на земле, являются открытыми системами, так как между ними и окружающей средой постоянно идёт обмен энергией и веществом.
Часть веществ, которая поступает в клетку используется для получения энергии и запасания энергии, а ещё одна часть для построения и воспроизведения клеточных структур.
Процессы поступления, переваривания, всасывания и усвоения питательных веществ, называется питанием.
В процессе питания организмы получают химические вещества, которые используются для всех процессов жизнедеятельности.
По способу получения органических веществ все организмы делятся на автотрофов и гетеротрофов.
Автотрофы могут сами синтезировать необходимые им органические вещества, получая из окружающей среды углерод (в виде углекислого газа), воду и минеральные вещества.
К автотрофам можно отнести большую часть высших растений (за исключением растений, которые не имеют хлорофилла или растений, которые могут поддерживать свою жизнь за счёт других организмов), а также водоросли и бактерии.
Роль в природе автотрофов очень велика: только они могут оказаться первичными продуцентами (организмы, которые синтезируют органические вещества из неорганических), которые потом используются всеми живыми организмами - гетеротрофами для поддержания жизни (питания).
Все автотрофы делятся на: фотосинтезирующие автотрофы и хемосинтезирующие автотрофы.
У фотосинтезирующих автотрофов источником энергии служит солнечный свет.
Такие организмы называют фототрофами, или фотосинтетиками.
Ежегодно с помощью фотосинтезирующих автотрофов в процессе фотосинтеза создаётся 232 млрд тонн органического вещества, а также выделяется примерно 268 млрд тонн чистого кислорода в окружающую природу (вклад автотрофов неоценим для всего мира).
Хемосинтезирующие автотрофы получают энергию при окислении неорганических соединений.
Такие организмы называют хемотрофами или хемосинтетиками. К хемотрофам относятся: серобактерии, окисляющие сероводород; нитрифицирующие бактерии, превращающие аммиак в нитриты, а затем в нитраты; железобактерии, окисляющие железо и водородные бактерии, окисляющие водород.
Xемотрофы играют существенную роль в биогеохимических циклах химических элементов на нашей планете.
Таким образом автотрофы имеют основополагающее значение для пищевой цепочки всего мира. Они берут солнечную энергию и трансформируют её в энергию химических связей органических веществ. Образовавшиеся при этом органические вещества используются далее по пищевой цепочке другими организмами.
Гетеротрофы в отличии от автотрофов не могут сами синтезировать весь набор необходимых им для жизнедеятельности органических веществ.
Поэтому они поглощают из окружающей среды нужные им соединения, произведённые другими организмами.
Затем они строят из полученных органических веществ собственные белки, липиды и углеводы.
К гетеротрофам относят животных (например, рыб, моллюсков, ракообразных, насекомых, птиц, млекопитающих). Так же грибы, которые являются гетеротрофами, так как они не способны к фотосинтезу и питаются готовыми органическими веществами. К гетеротрофам относят и многие бактерии.
Некоторые растения так же можно отнести к гетеротрофам. Это растения, которые полностью или почти полностью лишены хлорофилла и питаются, прорастая в тело растения-хозяина.
У раффлезии например – паразитического растения отсутствуют органы, в которых бы шёл процесс фотосинтеза; более того, у представителей этого рода отсутствуют и стебли, и листья.
Все вещества, необходимые для своего развития, раффлезия получает из тканей растения-хозяина через корни-присоски.
Некоторые растения перешли частично к паразитическому образу жизни и, помимо фотосинтеза, они могут получать органические вещества, а также минеральные вещества и воду из организма хозяина.
К таким растениям относится омела − вечнозелёное кустарниковое растение, род полупаразитных кустарников. В распространении омелы принимают участие птицы, преимущественно дрозды.
Поедая её ягоды, они пачкают свой клюв клейкой ягодной массой, в которой находятся семена омелы. Затем, перелетая с дерева на дерево и очищая клюв о ветви, пачкают их этим клейким веществом, тем самым оставляя на дереве семена.
Недавние исследования показали, что повилика способна улавливать запах растений и таким образом находить жертву.
Петров крест так же не имеет хлорофилла. Первые годы он развивается под землёй. После развития корневища появляются соцветия.
Корневище петрова креста растёт в разные стороны, разветвляется и образует так называемые крестовидные соединения — отсюда и его русское название. Паразитирует на корнях деревьев и кустарников.
Граница между автотрофами и гетеротрофами достаточно условна, так как существует множество видов, обладающих переходной формой питания — миксотрофией.
Эвглена зелёная и хламидоманада, например, относятся к автогетеротрофным организмам.
Они способны питаться двумя способами: на свету − автотрофно, как растения, а в темноте − гетеротрофно. Это значит, что на свету они осуществляют процесс фотосинтеза и создают органические вещества. А в темноте они усваивают готовые органические вещества, которые образуются в водоёме при расщеплении отмерших частей живых организмов.
Необычный способ питания отмечается у небольших морских слизней. Эти животные способны подобно растениям, осуществлять процесс фотосинтеза.
Своих хлоропластов у них нет, поэтому для осуществления фотосинтеза они используют хлоропласты морских водорослей, которые употребляют в пищу.
Каким же образом автотрофы получают необходимые им органические вещества?
Издавна люди думали, что растения получают питательные вещества только из почвы.
Более 300 лет назад галландский учёный Ван Гельмонт, решил проверить так ли это?
Он взвесил молодое дерево ивы и посадил его в почву, которая тоже была взвешена. Растение он поливал только дождевой водой, прошло 5 лет. Дерево выросло. Ван Гельмонт снова взвесил и дерево, и почву.
Прирост дерева составил 63 кг. А почва потеряла только 56 граммов. Значит, решил Ван Гельмон растения питаются не только веществами почвы, но и водой.
Спустя 100 лет Михаил Ломоносов, не раз видевший деревья, растущие на бесплодном песке, высказал другую мысль. Растения поглощают питательные вещества из воздуха.
И только теперь мы знаем, что оба учёных были правы. Растения питаются и водой с растворенными в ней минеральными веществами и углекислым газом из воздуха.
Что же происходит при этом в зелёном листе? Весь лист пронизан жилками. По ним вода притекает к клеткам.
В листе находиться множество пор, известных под названием устьиц. Через устьица вместе с воздухом в листья поступает углекислый газ.
Зелёную окраску листу придаёт удивительное вещество зелёный пигмент − хлорофилл. Который находиться в хлоропластах.
Единственное отличие между этими молекулами в том, что в центре хлорофилла находится атом магния, а в гемоглобине − атом железа.
При участии хлорофилла осуществляется процесс фотосинтеза.
Хлорофилл имеет зелёный цвет, а потому ясно, что именно зелёный цвет он не поглощает, а отражает. Хлорофилл обладает способностью улавливать энергию света. Оказывается, что он поглощает лучи синего и красного цвета.
Красный свет с длиной волны от шести ста двадцати (620) до семи ста сорока (740) нанометров, в основном контролирует развитие растения, его цветение и производство семян, это особенно важно для цветущих растений. Синий свет с длиной волны от 400 до 500 нм главным образом контролирует развитие листьев растения. Зелёный свет практически не используется в фотосинтезе, он отражается листьями растений.
Энергия света, поглощённая хлорофиллом, идёт на образование крахмала из углекислого газа и воды.
Зелёные растения поглощают углекислый газ и воду. Из которых под действием света образуется крахмал, при этом выделяется кислород.
Таким образом под действием энергии солнечного света растения создают органические вещества, при этом поглощается углекислый газ и выделяется кислород.
Одним из основных свойств живых систем считается их открытость. При этом постоянно происходит взаимообмен веществ, энергии и информации с внешней средой. Сегодня на уроке познакомимся с особенностями обмена веществ организмов. Подробно остановимся на энергетическом обмене. Рассмотрим, как осуществляется питание клетки, фотосинтез и хемосинтез.
План урока:
Метаболизм
Всякая живая клеточная структура постоянно осуществляет различные реакции, которые обеспечивают все основные процессы, необходимые для нормального существования. Так обеспечивается постоянство условий внутренней среды биологической системы или гомеостаз. При нарушении этих условий происходит сбой в работе всей системы, что способно привести к гибели не только отдельной клетки, но и всего организма. Соответственно, все процессы ориентированы на поддержание именно гомеостаза.
С целью реализации трудоемких биохимических реакций требуются различные соединения, а также энергия, получаемые организмом при метаболизме.
Получается, что ассимиляция и диссимиляция – это взаимозависимые процессы, протекающие синхронно.
Любой организм, вследствие питания, получает извне различные вещества и микроэлементы, используемые в процессе ассимиляции.
Ассимиляция – это процесс, состоящий в формировании соединений, а также составных частей клетки. Данные реакции иначе именуются анаболизм или пластический обмен. Примером ассимиляции может быть образование белковых молекул.
Любые реакции синтеза проходят с расходом энергии. Источником ее выступают ранее образованные соединения, находящиеся в клетке. Они подвергаются распаду вследствие протекания совокупности процессов диссимиляции.
Частично освобождающаяся энергия применяется при синтезе различных соединений, часть рассеивается с теплом или запасается.
Соответственно, диссимиляция – это процесс,заключающийся в разложении веществ с освобождением энергии.
Процесс диссимиляции в организме именуется еще катаболизм или энергетический обмен.
Ассимиляция и диссимиляция не могут существовать по отдельности. Нарушение баланса этих процессов приведет к развитию заболеваний или гибели организма. К примеру, это может выразиться в истощении или ожирении.
Метаболизм в клеточных структурах протекает при средней температуре, нормальном давлении и нейтральной среде. Из курса химии нам известно, что только повышение данных показателей приведет к ускорению реакции. При таких же условиях реакции должны протекать очень медленно. Однако, в биологических системах есть помощники метаболизма – ферменты.
Роль ферментов в метаболизме огромна. Данные структуры ускоряют реакцию без изменения ее общего результата. Причем абсолютно все процессы в организме протекают при участии ферментов. К примеру, под их действием происходит разложение пищи на составные компоненты.
Исходя из значения ферментов в метаболизме можно сказать, что нарушение их образования и активности приведет к различным заболеваниям.
Энергетический обмен
Диссимиляция или энергетический обмен проходит в несколько этапов. Познакомимся с ними на схеме.
- Подготовительный этап энергетического обмена проходит в цитоплазме растительных клеток, простейших, в пищеварительной системе животных, а кроме того и человека. При этом питательные соединения под воздействием пищеварительных ферментов разлагаются до мономеров. Вследствие этого образуется незначимый объем энергии, рассеивающейся как тепло. На представленном этапе энергетического обмена синтеза АТФ не происходит.
- Вторым этапом диссимиляции веществ считается бескислородный или анаэробный. Проходит данная стадия в цитоплазме клеток, заключается в разложении мономеров, образовавшихся на предварительной стадии.
Примером подобного процесса считается гликолиз – многоступенчатое расщепление глюкозы. Мономеры углеводов подвергаются распаду в отсутствии кислорода с освобождением энергии, определенное количество которой расходуется для формирования АТФ.
При протекании ряда последовательных этапов гликолиза совершается разложение молекулы глюкозы на две молекулы пировиноградной кислоты. Чаще всего, пировиноградная кислота затем преобразуется в молочную кислоту. Вследствие этих реакций в ходе гликолиза из АДФ, а также фосфорной кислоты синтезируются 2 молекулы АТФ.
Следует учесть, что по такому принципу гликолиз протекает в клетках животных и человека.
В растительных клетках, в отдельных дрожжевых грибах, у бактерий бескислородный этап осуществляется как спиртовое брожение.
В реакции спиртового брожения могут вступать всевозможные соединения. Например, углеводы, органические кислоты, спирты, аминокислоты и многие другие. Широкое распространение получили реакции расщепления глюкозы при молочнокислом, а также спиртовом брожении.
У молочнокислых бактерий спиртовое брожение сопровождается ферментативным расщеплением глюкозы и продуктом является молочная кислота.
Суммарные уравнения молочнокислого и спиртового брожения рассмотрим на рисунке.
Вследствие бескислородной стадии энергетического обмена вещества распадаются не до конечных продуктов, а до соединений с запасом энергии. Поэтому они переходят в следующий этап – кислородный.
3. Третья стадия энергетического обмена получила название аэробного или кислородного.В течение данных реакций осуществляется последующее разложение органических соединений до конечных продуктов. Характерен он только аэробным организмам, использующим для метаболизма кислород.
Происходит кислородный распад в митохондриях, поэтому именуется еще клеточным дыханием. Протекает оно в несколько поочередных стадий. Основным признаком клеточного дыхания является участие кислорода в распаде соединений.
В процессе клеточного дыхания осуществляется дальнейшее окисление пировиноградной кислоты с формированием двуокиси углерода и воды.
Данный этап считается заключительным, поэтому при клеточном дыхании выделяется внушительное число энергии в виде 36 молекул АТФ.
Вследствие процесса энергетического обмена веществ при окислении одной молекулы глюкозы формируется 38 молекул АТФ. Эта энергия используется на другие химические реакции. К примеру, у человека каждая молекула АТФ расщепляется и вновь создается 2400 раз в сутки, то есть средняя продолжительность жизни АТФ менее минуты.
Питание клетки
Для протекания метаболизма в клетке необходимы различные питательные вещества, которые организм получает в результате питания.
Все живые организмы различаются по тому, какую пищу они используют. Некоторые организмы способны сами производить вещества, другие же в процессе питания клетки потребляют уже готовые.
Различают несколько разновидностей организмов по способу питания клетки:
1. Автотрофы сами производят органические вещества. Для осуществления процессов синтеза они используют простые неорганические соединения – углекислый газ и воду. Источником энергии для протекания ассимиляции в клетке у автотрофов является солнечный свет или энергия химических взаимодействий.
Организмы, использующие солнечный свет для формирования органических соединений получили название фототрофы. Этим существам характерен фотосинтез, протекающий в хлоропластах. Соответственно, фототрофами являются все зеленые растения. Помимо этого, примером фототрофов считаются цианобактерии, зеленые и пурпурные бактерии.
Организмы, которые для производства органических соединений используют энергию химических взаимодействий, называются хемотрофами.
Хемотрофами являются некоторые бактерии, к примеру, железобактерии, серобактерии, нитрифицирующие бактерии.
Гетеротрофы используют в пищу готовые органические вещества. Вследствие такого питания гетеротрофы получают энергию, требуемую для жизненных процессов, а также служат источником строительного материала для клеточных структур. Гетеротрофами являются все животные, грибы и большинство бактерий.
Вдобавок есть организмы, применяющие для питания клетки автотрофный и гетеротрофный способ. К этим организмам относится эвглена зеленая. У нее есть хлоропласты и она может сама производить вещества для питания клетки как автотрофы. Однако в темноте, ее питание осуществляется гетеротрофным способом как у животной клетки.
Фотосинтез
Одним из примеров ассимиляции является процесс фотосинтеза у растений.
Фотосинтез происходит в фотосинтезирующем пигменте хлорофилле хлоропластов листа. Данный пигмент считается чрезмерно активным соединением и реализует поглощение света, начальный запас энергии, также последующая ее трансформация в химическую энергию.
Принято выделять световую и темновую фазы фотосинтеза. Остановимся детальнее на них.
Световая фаза совершается в мембранах хлоропластов. Наступает световая фаза фотосинтеза с поглощения кванта света молекулой хлорофилла. Один из электронов хлорофилла переводится на высочайший энергетический уровень и вступает в возбужденном состоянии. Электроны с большим избытком энергии активизируют разложение воды. Данная процедура, протекающая на начальной стадии фотосинтеза, приобрела наименование фотолиз воды.
В итоге распада совершается отдача гидроксид-ионом (OH - ) своего электрона, а также превращение его в радикал (OH). Радикалы объединяются и формируют воду, свободный кислород. Далее в процессе светового фотосинтеза электрон от гидроксид-иона снова попадает в молекулу хлорофилла, замещая удалившийся электрон. Вследствие этого освобождается энергия, идущая для формирования АТФ.
В процессе световой фазы фотосинтеза совершается превращение световой энергии в химическую энергию макроэргических связей молекулы АТФ. В данной фазе фотосинтеза осуществляется выброс кислорода, являющегося второстепенным продуктом. Он может употребляться дальше растительными клетками при дыхании или выделяться в биосферу.
2. В момент темновой фазы фотосинтеза проистекают трудоемкие ферментативные взаимодействия. Основой считается трансформация молекул углекислого газа до органических соединений. Протекает данная стадия в строме хлоропластов в присутствии продуктов световой реакции.
Основным признаком темновой фазы фотосинтеза считается отсутствие солнечного света.
Начинается данная стадия с проникновения углекислого газа в листья через устьица. Затем он соединяется со своеобразным веществом – акцептором, которым выступает при фотосинтезе пятиуглеродный сахар – рибулозодифосфат. Вследствие этого формируется нестойкое соединение, разлагающиеся на 2 молекулы фосфороглицериновой кислоты. Эти молекулы подвергаются воздействию продуктов светового фотосинтеза, в частности АТФ.
Впоследствии, посредством некоторых переходных стадий, создаются углеводы, а также прочие органические соединения. Данный процесс трансформации углекислого газа в углеводы в темновой фазе фотосинтеза приобрел наименование цикла Кальвина.
В темновом фотосинтезе энергия макроэргических связей АТФ трансформируется в химическую энергию органических соединений. Данные вещества служат пищей для гетеротрофов.
Соответственно, первостепенными веществами темнового и светового фотосинтеза считаются кислород, а также углеводы.
Благодаря данному процессу возможно существование всех живых существ на Земле. Ведь он является одним источником свободного кислорода.
Хемосинтез
Помимо фотосинтеза имеется еще один процесс автотрофной ассимиляции – хемосинтез, типичный отдельным видам микроорганизмов.
Основой энергии для хемосинтеза здесь служит не свет, а окисление отдельных неорганических соединений. Открытие хемосинтеза у таких организмов как бактерии принадлежит русскому ученому С.Н. Виноградскому.
Важнейшей группой данного типа питания считаются нитрифицирующие бактерии. Они могут окислять возникающий при гниении остатков аммиак до нитрита, а также до нитрата. Вследствие этого совершается освобождение энергии, нужной нитрифицирующим бактериям для жизненных функций.
Хемотрофные нитрифицирующие бактерии массово встречаются в природной среде. Они находятся в почве, в различных водоемах. Исполняемые ими процессы считаются частью круговорота азота.
Серобактерии – это еще одни существа, способом питания которых является хемосинтез. Вследствие этого они окисляют сероводород и накапливают в своих клетках серу.
К серобактериям относятся многие автотрофные пурпурные, а также зеленые бактерии.
Серобактерии являются разрушителями горных пород, в связи с формированием серной кислоты в ходе питания. Выделяемая ими едкая жидкость активизирует порчу различных сооружений.
Многочисленные типы серобактерий в ходе питания образуют всевозможные производные серы. Это способствует очищению промышленных сточных вод.
В процессе питания железобактерии переводят железо (II) в железо (III). Освободившаяся энергия употребляется с целью восстановления углекислого газа до органических соединений.
Хемосинтетики – единственные организмы, жизнь которых не связана с освещением. Соответственно они способны существовать в различных местах, осваивая глубины океана или недра земли.
Современными экспериментальными исследованиями установлено, что клетка представляет собой сложнейшую структурно-функциональную единицу практически всех живых организмов, за исключением вирусов, являющихся неклеточными формами жизни. Цитология изучает строение, а также жизнедеятельность клетки: дыхание, питание, размножение, рост. Эти процессы будут рассмотрены в данной работе.
Строение клетки
С помощью светового и электронного микроскопа биологи установили, что растительные и животные клетки содержат поверхностный аппарат (надмембранные и подмембранные комплексы), цитоплазму и органеллы. У животных клеток над мембраной расположен гликокаликс, содержащий ферменты и обеспечивающий питание клетки вне цитоплазмы. У клеток растений, прокариот (бактерий и цианобактерий), а также грибов над мембраной образуется клеточная стенка, которая состоит из целлюлозы, лигнина или муреина.
Ядро является обязательной органеллой эукариот. В нем находится наследственный материал – ДНК, имеющий вид хромосом. Бактерии и цианобактерии содержат нуклеоид, выполняющий функции носителя дезоксирибонуклеиновой кислоты. Все они выполняют строго специфические функции, обуславливающие метаболические клеточные процессы.
Жизненные проявления клетки являются ничем иным, как передачей энергии и превращением ее из одного вида в другой (согласно первому закону термодинамики). Энергия, находящаяся в питательных веществах в скрытом, т. е. связанном состоянии, переходит в молекулы АТФ. На вопрос о том, что такое питание клетки в биологии, существует ответ, который учитывает следующие постулаты:
- Клетка, являясь открытой биосистемой, требует постоянного притока энергии из внешней среды.
- Органические вещества, нужные для питания, клетка может получить двумя путями:
а) из межклеточной среды, в виде уже готовых соединений;
б) самостоятельно синтезируя белки, углеводы и жиры из углекислого газа, аммиака и т.д.
Поэтому все организмы делятся на гетеротрофные и автотрофные, особенности обмена веществ которых изучает биохимия.
Обмен веществ и энергии
Органические вещества, поступающие в клетку, подвергаются расщеплению, в результате чего выделяется энергия в виде молекул АТФ или НАДФ-Н2. Вся совокупность реакций ассимиляции и диссимиляции - это метаболизм. Ниже мы рассмотрим этапы энергетического обмена, обеспечивающие питание гетеротрофных клеток. Сначала белки, углеводы и липиды расщепляются до своих мономеров: аминокислот, глюкозы, глицерина и жирных кислот. Затем, в ходе бескислородного расщепления, они подвергаются дальнейшему распаду (анаэробное расщепление).
Таким способом происходит питание внутриклеточных паразитов: риккетсий, хламидий и патогенных бактерий, например, клостридий. Одноклеточные грибы-дрожжи расщепляют глюкозу до этилового спирта, молочнокислые бактерии – до молочной кислоты. Таким образом, гликолиз, спиртовое, маслянокислое, молочнокислое брожение – это примеры питания клетки вследствие анаэробного расщепления у гетеротрофов.
Автотрофность и особенности процессов метаболизма
Для организмов, живущих на Земле, главным источником энергии является Солнце. Благодаря ему обеспечиваются потребности обитателей нашей планеты. Одни из них синтезируют питательные вещества благодаря световой энергии, их называют фототрофами. Другие – с помощью энергии окислительно-восстановительных реакций, они называются хемотрофами. У одноклеточных водорослей питание клетки, фото которого представлено ниже, осуществляется фотосинтетически.
Зелёные растения содержат хлорофилл, входящий в состав хлоропластов. Он играет роль антенны, улавливающей кванты света. В световой и темновой фазах фотосинтеза происходят ферментативные реакции (цикл Кальвина), результатом которых является образование из углекислого газа всех органических веществ, используемых для питания. Поэтому клетка, питание которой происходит вследствие использования световой энергии, называется автотрофной или фототрофной.
Одноклеточные организмы, называемые хемосинтетиками, для образования органических веществ используют энергию, высвобождаемую в результате химических реакций, например, железобактерии окисляют соединения двухвалентного железа до трехвалентного, а выделившаяся энергия идёт на синтез молекул глюкозы.
Как питаются гетеротрофные организмы
Клетка, питание которой зависит от поступления в нее органических веществ из внешней среды, называется гетеротрофной. Такие организмы, как грибы, животные, человек, а также паразитические бактерии расщепляют углеводы, белки и жиры с помощью пищеварительных ферментов.
Затем полученные мономеры всасываются клеткой и используются ею для построения своих органелл и жизнедеятельности. Растворенные питательные вещества поступают в клетку путем пиноцитоза, а твердые частицы пищи – фагоцитоза. Гетеротрофные организмы можно разделить на сапротрофов и паразитов. Первые (например, почвенные бактерии, грибы, некоторые насекомые) питаются мёртвой органикой, вторые (болезнетворные бактерии, гельминты, паразитические грибы) – клетками и тканями живых организмов.
Миксотрофы, их распространение в природе
Смешанный тип питания в природе встречается достаточно редко и представляет собой форму приспособления (идиоадаптацию) к различным факторам внешней среды. Главное условие миксотрофности - это наличие в клетке и органелл, содержащих хлорофилл для осуществления фотосинтеза, и системы ферментов, расщепляющих готовые питательные вещества, поступающие из окружающей среды. Например, одноклеточное животное эвглена зеленая содержит в гиалоплазме хроматофоры с хлорофиллом.
Когда водоем, в котором обитает эвглена, хорошо освещен, она питается как растение, т. е. автотрофно, путем фотосинтеза. В результате чего из углекислого газа синтезируется глюкоза, которую клетка и использует как пищу. Ночью эвглена питается гетеротрофно, расщепляя органические вещества с помощью ферментов, находящихся в пищеварительных вакуолях. Таким образом, миксотрофное питание клетки ученые считают доказательством единства происхождения растений и животных.
Рост клетки и его взаимосвязь с трофикой
Увеличение длины, массы, объема как всего организма, так и отдельных его органов и тканей, называют ростом. Он невозможен без постоянного поступления в клетки питательных веществ, служащих строительным материалом. Чтобы получить ответ на вопрос о том, как растёт клетка, питание которой происходит автотрофно, нужно уточнить, является ли она самостоятельным организмом или же входит как структурная единица в состав многоклеточной особи. В первом случае, рост будет осуществляться в период интерфазы клеточного цикла. В нем интенсивно происходят процессы пластического обмена. Питание гетеротрофных организмов коррелятивно связано с наличием пищи, поступающей из внешней среды. Рост многоклеточного организма происходит вследствие активизации биосинтеза в образовательных тканях, а также преобладания анаболических реакций над процессами катаболизма.
Роль кислорода в питании гетеротрофных клеток
Аэробные организмы: некоторые бактерии, грибы, животные и человек используют кислород для полного расщепления питательных веществ, например, глюкозы, до углекислого газа и воды (цикл Кребса). Он происходит в матриксе митохондрий, содержащих ферментативную систему Н+-АТФ-азу, которая синтезирует молекулы АТФ из АДФ. У прокариотических организмов, таких как аэробные бактерии и цианобактерии, кислородный этап диссимиляции происходит на плазматической мембране клеток.
Специфика питания гамет
В молекулярной биологии и цитологии питание клетки кратко можно охарактеризовать как процесс поступления в нее питательных веществ, их расщепление и синтез определенной порции энергии в виде молекул АТФ. Трофика гамет: яйцеклеток и сперматозоидов, имеет некоторые особенности, связанные с высокой специфичностью их функций. Особенно это касается женской половой клетки, вынужденной накапливать большой запас питательных веществ, в основном в виде желтка.
После оплодотворения она будет использовать их для дробления и образования зародыша. Сперматозоиды в процессе созревания (сперматогенеза) получают органические вещества из клеток Сертоли, расположенных в семенных канальцах. Таким образом, оба типа гамет имеют высокий уровень обмена веществ, который возможен, благодаря активной клеточной трофике.
Роль минерального питания
Процессы метаболизма невозможны без притока катионов и анионов, входящих в состав минеральных солей. Например, для фотосинтеза необходимы иона магния, для работы ферментных систем митохондрии – ионы калия и кальция, для сохранения буферных свойств гиалоплазмы – наличие ионов натрия, а также анионов карбонатной кислоты. Растворы минеральных солей поступают в клетку путем пиноцитоза или диффузии через клеточную мембрану. Минеральное питание присуще как автотрофным, так и гетеротрофным клеткам.
Подводя итог, мы убедились, что значение питания клетки действительно велико, так как этот процесс приводит к образованию строительного материала (углеводов, белков и жиров) из углекислого газа у автотрофных организмов. Гетеротрофные клетки питаются органическими веществами, образованными вследствие жизнедеятельности автотрофов. Полученную энергию они используют для размножения, роста, движения и других процессов жизнедеятельности.
Читайте также: