Доказательства разной интенсивности метаболизма в разных условиях у животных и растений реферат

Обновлено: 05.07.2024

Вы никогда не задумывались над тем, почему у животных, живущих на севере, скорость метаболизма такая же, как и у животных, живущих на юге (да и вообще одинаковая ли она )? Ведь на севере низкие температуры и метаболизм должен протекать медленнее, тем более что на севере пониженное содержание кислорода в атмосфере, а он, как известно, является катализатором и окислителем в реакциях обмена веществ. А северным обитателям, для обогрева своего тела, необходимо большое количество теплоты . Посмотрим на химические реакции, протекающие во время метаболизма у животных. Таких реакций тысячи. Перед Вами общее уравнение метаболизма:

С 6 Н 12 О 6 + 6 О 2 — t → СО 2 + 6 Н 2 О + 2800 кДж

Что же нужно для метаболизма? Это уравнение показывает, что нужно органическое вещество (которое окисляется кислородом), кислород и определенные температуры .

Итак, вернемся к парадоксу.

Метаболизм (от греческого metabole - перемена, превращение) - совокупность химических реакций, протекающих в живых клетках и обеспечивающих организм веществами и энергией для его жизнедеятельности, роста, размножения (или попросту говоря - обмен веществ и энергии). Он включает в себя пластический обмен (потребление веществ из среды) и энергетический обмен (превращение сложных веществ в более простые).

Выясним, что влияет на скорость метаболизма:

Именно из этой схемы видно подтверждение того, что парадокс, о котором я вела речь в начале, все-таки существует. Как же матушка природа приспособила наших лисиц к условиям крайнего севера и южных пустынь? Это я и хочу выяснить.

А, собственно, какие изменения претерпевает организм, приспосабливаясь к новым условиям? Это могут быть внутренние изменения, внешние и поведенческие.

После сравнения я пришла к выводу, что этими двумя схемами я еще раз доказала уже и без того доказанное правило Бергамана [1] .

А теперь сравним поведение лисиц:

Скорость передвижения у живых существ, живущих в различных условиях окружающей среды, как Вы смогли понять, не одинаковы. Отчего же одни являются марафонцами, а другие спринтерами?

Клетки организмов обладают одним очень хорошим свойством - способностью накапливать энергию в виде молекул АТФ (аденозинтрифосфата). Такая молекула действует, как подключенная к генератору батарея, поглощая каждый выброс энергии и постепенно ее высвобождая, чтобы обеспечить равномерное энергоснабжение организма.

Так почему же один вид животных, живущих в разных условиях среды, передвигаются разной скоростью? Ответ прост. Северной лисице надо накапливать энергию, чтобы обогревать свое тело. Бегай она, как спринтер, то растеряла бы всю энергию одним махом, а на обогрев тела тогда у нее что останется? Ничего, она просто замерзнет. Именно поэтому северные животные передвигаются медленнее южных (которые могут себе позволить быстро побегать, это их даже спасает).

Итак, каковы же результаты моей работы:

[1] Животные, обитающие в холодных областях, имеют, как правило, крупные размеры, тогда как обитатели жарких стран обычно меньше по размерам

* Размеры печени зависят от того, сколько АТФ накапливает организм и т.к. на севере холоднее, то обыкновенная лисица накапливает АТФ больше è ее печень крупнее, чем у Фенька.

В живых организмах любой процесс сопровождается передачей энергии. Энергию определяют как способность совершать работу. Специальный раздел физики, который изучает свойства и превращения энергии в различных системах, называется термодинамикой. Под термодинамической системой понимают совокупность объектов, условно выделенных из окружающего пространства.

Обмен веществ и энергии - это совокупность физических, химических и физиологических процессов превращения веществ и энергии в живых организмах, а также обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Обмен веществ у живых организмов заключается в поступлении из внешней среды различных веществ, в превращении и использовании их в процессах жизнедеятельности и в выделении образующихся продуктов распада в окружающую среду.

Все происходящие в организме преобразования вещества и энергии объединены общим названием - метаболизм (обмен веществ). На клеточном уровне эти преобразования осуществляются через сложные последовательности реакций, называемые путями метаболизма, и могут включать тысячи разнообразных реакций. Эти реакции протекают не хаотически, а в строго определенной последовательности и регулируются множеством генетических и химических механизмов. Метаболизм можно разделить на два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса: анаболизм (ассимиляция) и катаболизм (диссимиляция).

Анаболизм - это совокупность процессов биосинтеза органических веществ (компонентов клетки и других структур органов и тканей). Он обеспечивает рост, развитие, обновление биологических структур, а также накопление энергии (синтез макроэргов). Анаболизм заключается в химической модификации и перестройке поступающих с пищей молекул в другие более сложные биологические молекулы. Например, включение аминокислот в синтезируемые клеткой белки в соответствии с инструкцией, содержащейся в генетическом материале данной клетки.

Катаболизм - это совокупность процессов расщепления сложных молекул до более простых веществ с использованием части из них в качестве субстратов для биосинтеза и расщеплением другой части до конечных продуктов метаболизма с образованием энергии. К конечным продуктам метаболизма относятся вода (у человека примерно 350 мл в день), двуокись углерода (около 230 мл/мин), окись углерода (0,007 мл/мин), мочевина (около 30 г/день), а также другие вещества, содержащие азот (примерно б г/день).

Катаболизм обеспечивает извлечение химической энергии из содержащихся в пище молекул и использование этой энергии на обеспечение необходимых функций. Например, образование свободных аминокислот в результате расщепления поступающих с пищей белков и последующее окисление этих аминокислот в клетке с образованием СО2, и Н2О, что сопровождается высвобождением энергии.

Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия. Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание катаболических процессов ведет к частичному разрушению тканевых структур. Состояние равновесного или неравновесного соотношения анаболизма и катаболизма зависит от возраста (в детском возрасте преобладает анаболизм, у взрослых обычно наблюдается равновесие, в старческом возрасте преобладает катаболизм), состояния здоровья, выполняемой организмом физической или психоэмоциональной нагрузки.

Цикл Кребса.

Образовавшийся в результате гликолиза в цикле Эмбдена-Меергофа ацетил-КоА (продукт окислительного декарбоксилирования пирувата) окисляется до воды и углекислого газа в цикле Кребса (лимоннокислый цикл). Этот процесс осуществляется последовательными ферментативными реакциями, в результате которых высвобождается энергия (схема 6). Полный распад одной молекулы глюкозы дает 38 молекул АТФ, причем 24 из них образуются в цикле Кребса. Ферменты этого цикла локализуются в матриксе митохондрий (в стенке внутренней мембраны). Поступивший в цикл Кребса ацетил-КоА является конечным продуктом катаболизма не только углеводов, но также липидов и таких аминокислот, как фенилаланин, тирозин, лейцин и изолейцин.

Схема 6. Цикл Кребса (лимоннокислый цикл).

Кроме того, существует прямой путь окисления глюкозы – гексозомонофосфатный (пентозный) цикл, который преобладает в эритроцитах половых железах, коре надпочечников, печени. Хотя окисление в гексозомонофосфатном цикле составляет всего 2% от обмена углеводов (при сахарном диабете может увеличиваться до 6%), для организма значение этого цикла очень велико. Особенность этого процесса – образование пентоз, накопление NADPH (2)-кофермента дегидрогеназ, участвующих в синтезе нуклеиновых кислот, холестерина, жирных кислот, активировании фолиевой кислоты и образовании АТФ. Гексозомонофосфатный цикл обеспечивает также процессы гидроксилирования, необходимые для синтеза биогенных аминов (катехоламины, серотонин) и стероидных гормонов коры надпочечников. Последовательная цепь реакций пентозного цикла (схема 7) приводит к образованию рибулозо-5-фосфата, который идет на построение нуклеотидов или серией обратных реакций преобразуется в гексозофосфаты с использованием их в гликолитическом цикле.

Катаболизм органических веществ в тканях сопровождается потреблением кислорода и выделением СО₂ . Этот процесс называют тканевым дыханием. Кислород в этом процессе используется как акцептор водорода от окисляемых (дегидрируемых) веществ (субстратов), в результате чего синтезируется вода. Процесс окисления можно представить следующим уравнением: SH₂ + 1/2 O₂ - S + H₂ O. Окисляемые различные органические вещества (S - субстраты), представляют собой метаболиты катаболизма, их дегидрирование является экзоэргическим процессом . Энергия, освобождающаяся в ходе реакций окисления, либо полностью рассеивается в виде тепла, либо частично тратится на фосфорилирование ADP с образованием АТР. Организм превращает около 40% энергии, выделяющейся при окислении, в энергию макроэргических связей АТР. Большинство организмов в биосфере использует этот способ или очень сходный с ним (в качестве терминального акцептора водорода может быть не кислород, а другое соединение) как основной источник энергии, необходимый для синтеза внутриклеточной АТР. Таким путем клетка превращает химическую энергию питательных веществ, поступивших извне, в утилизируемую метаболическую энергию. Реакция дегидрирования и способ превращения выделившейся энергии путем синтеза АТР - это энергетически сопряженные реакции . Целиком весь сопряженный процесс называется окислительным фосфорилированием ADP :

Окислительное фосфорилирование ADP

Цепь транспорта электронов - ЦТЭ

Указанное выше уравнение для окислительно-восстановительной реакции представляет собой обобщенную форму, так как изображает процесс окисления субстратов как прямое дегидрирование, причем кислород выступает в роли непосредственного акцептора водорода. На самом деле кислород участвует в транспорте электронов иным образом. Существуют промежуточные переносчики при транспорте электронов от исходного донора электронов SH₂ к терминальному акцептору - О₂ . Полный процесс представляет собой цепь последовательных окислительно-восстановительных реакций , в ходе которых происходит взаимодействие между переносчиками. Каждый промежуточный переносчик вначале выступает в роли акцептора электронов и протонов и из окисленного состояния переходит в восстановленную форму. Затем он передает электрон следующему переносчику и снова возвращается в окисленное состояние. На последней стадии переносчик передает электроны кислороду, который затем восстанавливается до воды. Совокупность последовательных окислительно-восстановительных реакций называется цепью переноса (транспорта) электронов, или дыхательной цепью :

Перенос электронов и протонов с участием промежуточных переносчиков. SH₂ - исходный донор протонов и электронов; P - промежуточные переносчики; E1, E2, E3, E4 - ферменты окислительно-восстановительных реакций

Промежуточными переносчиками в дыхательной цепи у высших организмов являются коферменты: NAD + (никотинамид-адениндинуклеотид), FAD и FMN (флавинадениндинуклеотид и флавинмононуклеотид), кофермент Q (CoQ), семейство гемсодержащих белков - цитохромов (обозначаемых как цитохромы b, С₁ , С, А, А₃ ) и белки, содержащие негеминовое железо. Все участники этой цепи разделены на четыре окислительно-восстановительные системы, связанные убихиноном (CoQ) и цитохромом С. Процесс начинается с переноса протонов и электронов от окисляемого субстрата на коферменты NAD+ или FAD. Это определяется тем, является ли дегидрогеназа, катализирующая первую стадию, NAD - зависимой или FAD - зависимой. Если процесс начинается с NAD + , то следующим переносчиком будет FMN.

Последовательность промежуточных переносчиков протонов и электронов в дыхательной цепи

Тип участвующей дегидрогеназы зависит от природы субстрата. Но каким бы ни был исходный субстрат, электроны и протоны от флавинов переносятся к коферменту Q, а дальше пути электронов и протонов расходятся. Электроны с помощью системы цитохромов достигают кислорода, который затем, присоединяя протоны, превращается в воду. Чтобы разобраться в системе транспорта электронов, необходимо познакомиться с отдельными ее участниками. NAD - зависимая дегидрогеназа катализирует реакции окисления непосредственно субстрата (первичная дегидрогеназа). NAD + является коферментом и выполняет роль акцептора водорода:

Убихинон (кофермент Q) - производное изопрена:

Цитохромы - это гемопротеины - белки, содержащие в качестве прочно связанной простетической группы гем:

Простетическая группа гема в структуре цитохромов

Атом железа в геме может менять валентность, присоединяя или отдавая электроны:

В дыхательной цепи цитохромы служат переносчиками электронов и располагаются соответственно величине окислительно-восстановительного потенциала следующим образом: B, С₁ , С, а, а₃ . Гемовые группы цитохромов связаны с белковой частью донорно-акцепторными связями между ионом железа и соответствующими аминокислотными остатками:

Связывание гема с белковой частью цитохрома С

В цитохромах С и С₁ дополнительные ковалентные связи формируются между тиогруппами цистеина и боковыми винильными группами гема. QН₂ -дегидрогеназа (комплекс III) представляет собой комплекс цитохромов b и С₁ . Этот фермент катализирует окисление восстановленного кофермента Q и перенос электронов на цитохром С. Электроны последовательно переносятся атомами железа цитохромов b и С₁ , а затем поступают на цитохром С. Протоны после окисления QH₂ освобождаются в раствор.

Цитохромоксидаза включает комплекс цитохромов а и а₃ (комплекс IV). Цитохромоксидаза кроме гема содержит ионы меди, которые способны менять валентность и таким способом участвовать в переносе электронов:

Цитохромоксидаза переносит электроны с цитохрома С на кислород. В переносе электронов участвуют сначала ионы железа цитохромов а и а₃ , а затем ион меди цитохрома а₃ . Молекула кислорода связывается с железом в геме цитохрома а₃ . Следовательно, переход электронов на кислород с иона меди цитохрома а₃ , происходит на молекуле фермента. Каждый из атомов молекулы кислорода присоединяет по два электрона и протона, образуя при этом молекулу воды.

Белки, содержащие негеминовое железо . Некоторое количество атомов железа в митохондриях связано не в геме цитохромов, а образует комплексы с другими белками. Эти белки называют также железосерными, так как атомы железа связаны с атомами серы цистеиновых остатков. Белки, содержащие негеминовое железо, участвуют в переносе электронов на нескольких стадиях, однако, не совсем ясны их локализация и механизм действия.

Окислительное фосфорилирование

Энергия, образующаяся при прохождении потока электронов по дыхательной цепи, используется для сопряженного фосфорилирования ADP. Эти два процесса взаимозависимы: окисление не может протекать в отсутствии ADP. Соотношение окисления и фосфорилирования определяется коэффициентом P/O (количество моль фосфорилированного ADP на 1/2 моль кислорода) коэффициент Р/О называется коэффициентом окислительного фосфорилирования и зависит от точки вхождения восстановительных эквивалентов в цепь транспорта электронов. Например Р/О=3, для субстратов, окисляемых NAD - зависимой дегидрогеназой , так как в дыхательной цепи есть три участка, где перенос электронов сопряжен с синтезом АТР. Не все субстраты передают электроны и протоны на NAD, некоторые окисляются FAD - зависимыми дегидрогеназами, которые переносят протоны и электроны сразу на убихинон, минуя первый комплекс. В этом случае Р/О=2. В действительности коэффициент фосфорилирования всегда меньше теоретической величины, потому что часть энергии, высвобождающейся при транспорте электронов, расходуется не на синтез АТР, а для переноса веществ через митохондриальную мембрану.

В сутки человек потребляет в среднем 27 моль кислорода. Основное его количество (примерно 25 моль) используется в митохондриях в дыхательной цепи. Следовательно, ежесуточно синтезируется 125 моль ATP или 62 кг (при расчете использовали коэффициент Р/О=2,5, то есть среднее значение коэффициента фосфорилирования). Масса всей АТР, содержащейся в организме, составляет примерно 20-30 г. Следовательно, можно сделать вывод, что каждая молекула АТР за сутки 2500 раз проходит процесс гидролиза и синтеза, что и характеризует интенсивность обмена АТР.

Сопряжение работы дыхательной цепи с процессом синтеза АТР

Существование такого сопряжения доказывается тем, что можно ингибировать образование АТР, не нарушая процесса транспорта электронов. Это достигается добавлением химических веществ, названных разобщителями. После удаления разобщителей синтез АТР восстанавливается. Изучение механизма сопряжении дает ответ на основные вопросы:

каким образом транспорт электронов служит источником энергии?
как эта энергия передается в реакцию ADP + Pi a АТР?

С опряжение цепи транспорта электронов и фосфорилирования ADP посредством протонного градиента

Разобщение дыхания и фосфорилирования

Убедительные экспериментальные доказательства в пользу описанного механизма сопряжения дыхания и фосфорилирования были получены с помощью ионофоров . Молекулы этих веществ, как правило, липофильны и способны переносить ионы через мембрану. Например, 2,4-динитрофенол (протонофор ) легко диффундирует через мембрану, в ионизированной и неионизированной форме, перенося протоны в сторону их меньшей концентрации в обход протонных каналов. Таким образом, 2,4-динитрофенол уничтожает электрохимический потенциал, и синтез АТР становится невозможным, хотя окисление субстратов при этом происходит. Энергия дыхательной цепи в этом случае полностью рассеивается в виде теплоты. Этим объясняется пирогенное действие разобщителей. Разобщающим действием обладают гормон щитовидной железы - тироксин, а также некоторые антибиотики, такие как валиномицин и грамицидин.

Дыхательный контроль

Скорость дыхания митохондрий может контролироваться концентрацией ADP. Это объясняется тем, что окисление и фосфорилирование жестко сопряжены. Энергия, необходимая клетке для совершения работы, поставляется за счет гидролиза АТР. Концентрация ADP при этом увеличивается; в результате создаются условия для ускорения дыхания, что и ведет к восполнению запасов АТР.

Ингибиторы цепи транспорта электронов и окислительного фосфорилирования

Ингибиторы, блокирующие дыхательную цепь, действуют в определенных местах, препятствуя работе дыхательных ферментов (KCN, барбитураты, ротенон). Существуют также вещества, ингибирующие окислительное фосфорилирование.

Все клетки организма, его ткани и органы находятся в состоянии химического и энергетического взаимодействия друг с другом, а также с окружающей организм средой. Обмен веществ (метаболизм) — это совокупность всех химических реакций, протекающих в организме, которые обеспечивают его существование, рост и развитие. Поэтому метаболизм — главный и непременный атрибут жизни. Нарушение процессов метаболизма приводит к различным заболеваниям и даже может вызвать гибель организма.

Питание

Питание составляет важную часть обмена веществ. Питательные вещества, поступившие в организм, используются в качестве строительного материала для производства органических соединений, идущих на построение структур организма или дающих организму энергию. По способу питания все организмы делятся на 2 большие группы.

Автотрофы (растения) могут синтезировать органические вещества (глюкозу и фруктозу) из углекислого газа и воды (кроме них, растениям для построения некоторых клеточных компонентов нужны соединения азота, серы, фосфора и некоторые минеральные вещества). Все остальные организмы — гетеротрофы — получают органические вещества, питаясь тканями других растений или животных.

Пищеварение

Пищеварение — это комплекс последовательных процессов, в которых пища механически измельчается и расщепляется с помощью особых белков, называемых ферментами, до фрагментов, усваиваемых организмом. Последовательность этапов пищеварения обеспечивает пищеварительная система, строение и функции которой у животных связаны с особенностями пищевого рациона. Основные компоненты пищи, расщепляющиеся при помощи ферментов, — белки, жиры и углеводы.

Пищеварительная система человека: 1 — пищевод; 2 — желудок; 3 — поджелудочная железа; 4 — печень; 5 — желчный пузырь; 6 — тонкий кишечник; 7 — толстый кишечник; 8 — аппендикс; 9 — прямая кишка

Газообмен

Между организмом и окружающей средой постоянно происходит газообмен. Большинство животных и растений способны жить и развиваться только при наличии кислорода. Энергию, необходимую для жизни, организмы получают в процессе окисления органических соединений кислородом воздуха. В результате появляется энергия, которая запасается организмом, и выделяется углекислый газ, который должен выводиться из организма. Совокупность этих процессов называется дыханием.

Органы дыхания человека: 1 — носовая полость; 2 — ротовая полость; 3 — глотка; 4 — гортань; 5 — трахея; 6 — бронхи; 7 — легкие

В процессе дыхания происходит газообмен у человека и животных, у растений он идет в процессе дыхания и фотосинтеза. Сравнительно просто устроенные организмы дышат всей поверхностью тела, у высших растений газообмен происходит через устьица, расположенные на листьях; у животных развиваются специальные органы дыхания — жабры, трахеи, легкие, стенки которых пронизаны сетью кровеносных сосудов. Кровь доставляет кислород к другим тканям и органам и забирает у них углекислый газ.

Климент Аркадьевич Тимирязев (1843—1920) — российский естествоиспытатель, физиолог растений. Он стал широко известен как основоположник учения о фотосинтезе. Фотосинтез — это процесс образования органических соединений из неорганических веществ под действием солнечного света. Он происходит при помощи зеленого фермента — хлорофилла, содержащегося в растительных клетках. В результате химической реакции разложения (фотолиза) молекул воды в атмосферу выделяется кислород. Это так называемая световая фаза фотосинтеза. Второй этап называется темновой фазой и может протекать в темноте. Во время него из углекислого газа и воды образуются органические вещества — глюкоза и фруктоза.

Выделение

Выделение — это процесс освобождения организма от конечных продуктов обмена, чужеродных веществ, избытка воды и солей. Данный процесс играет важную роль в поддержании постоянства состава внутренней среды организма.

У простейших животных продукты распада накапливаются в выделительных вакуолях, а потом выводятся через оболочку клетки.

Выделительная система человека: 1 — почки; 2 — мочеточники; 3 — мочевой пузырь; 4 — мочеиспускательный канал

У многоклеточных животных формируются специальные органы выделения. У позвоночных в процессе выделения участвуют кожа, потовые, солевые железы, почки, желудочно-кишечный тракт.

Оренбург 2016
Аннотация

Данная курсовая работа направлена на выявление доказательств разной интенсивностиметаболизма в разных условиях у растений и животных.
Курсовая работа включает в себя введение, две главы разбитых на параграфы, заключение и список использованных источников.
В первой главе дается общая характеристика метаболизма .
Вторая глава раскрывает интенсивность метаболизма в разных условиях у растений и животных.
Курсовая работа представлена на 31 странице, включает в себя 2 таблицы, 8 рисунков и29 использованных источников.

This course work is aimed at revealing evidence of different metabolic rate in different conditions for plants and animals.
The structure of the course work is as follows.
Course work includes introduction, two chapters divided into paragraphs, conclusion and list of used sources.
The first Chapter gives aGeneral description of metabolism .
The second Chapter reveals the intensity of metabolism in different conditions for plants and animals.
Coursework presented on 3 pages, includes 2 table, 8 figures and 29 from the sources.

Введение 5
1 Общая характеристика метаболизма 7
1.1 Понятие и сущность метаболизма 7
1.2 Классификация типов метаболизма 10
2Интенсивность метаболизма в разных условиях у растений и животных 14
2.1 Метаболизм растений 14
2.2 Метаболизм у животных 20
Заключение 28
Список использованных источников 30

Обмен веществ или метаболизм - совокупность всех химических изменений и всех видов превращений веществ и энергии в организмах, обеспечивающих развитие, жизнедеятельность и самовоспроизведение организмов,их связь с окружающей средой и адаптацию к изменениям внешних условий.
Обмен веществ — это различные химические реакции, которые протекают в живом организме и необходимы для поддержания жизни. Благодаря обмену веществ организм может жить, расти и развиваться.
Живые организмы постоянно получают из окружающей среды необходимые вещества, которые в дальнейшем преобразуются и превращаются в веществатела самого организма. Это происходит в процессе питания. Организмам необходима энергия, чтобы осуществлять процессы жизнедеятельности. Живые организмы получают энергию в процессе дыхания. Поглощая кислород они окисляют сложные органические соединения до более простых. При этом высвобождается энергия.
Растения — это автотрофные организмы, они могут синтезировать органические вещества изнеорганических в процессе фотосинтеза. Таким образом, у растений можно выделить два питания — почвенное и воздушное. Из почвы с помощью корней растения получают минеральные вещества и воду, которые используются при синтезе органических веществ. На свету в воздушной среде происходит процесс фотосинтеза, и образуются органические вещества.
Как и все другие живые организмы растение дышит. При этом происходит высвобождениеэнергии, которая идет на все процессы жизнедеятельности клеток, в том числе на синтез других, необходимых растению для построения своего тела, органических веществ. Так из сахаров, образованных в процессе фотосинтеза, растения получают путем различных химических реакций крахмал, клетчатку, белки, жиры и витамины. Также, расщепляя ряд органических соединений до.

Читайте также: