Можно ли окисление веществ в живом организме назвать горением почему кратко

Обновлено: 04.07.2024

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Биологическое окисление и горение. Анаэробный и аэробный гликолиз. Митохондрии – энергетические станции клетки.

Сравнить биологическое окисление и горение, изучить анаэробный и аэробный гликолиз.

ОБОРУДОВАНИЕ:

А. 1. Где располагается пигмент хлорофилл и какую роль он выполняет в реакциях фотосинтеза?

2. Назовите три основные реакции, вызываемые светом. Напишите суммарное уравнение световых реакций с учетом всех веществ, вступивших и получившихся в их результате. Объясните дальнейшую судьбу трех продуктов реакции.

Б. 1. Что такое фотосинтез воды? Напишите уравнение реакции. Кто открыл этот процесс и какой вывод был из него сделан?

2. В каких структурах хлоропластов протекают реакции темновой фазы фотосинтеза? Какие вещества, синтезированные в световой фазе, участвуют в темновой фазе? Назовите углевод, который образуется в результате фотосинтеза. За счет какой энергии идет синтез углевода?

Изучение нового материала:

Сравнение биологического окисления и горения. Окисление – распад вещества в присутствии кислорода. При биологическом окислении участвуют ферменты, которые превращают более высокомолекулярные вещества в низкомолекулярные. В большинстве случаев происходит выделение энергии. Горение – химический процесс, при котором происходит окисление веществ с выделением теплоты и света. (Беседа с использованием знаний из курса химии 8 кл., анатомии 9 кл.)

Энергетический обмен в клетках животных и растений на примере расщепления углеводов. (Рассказ с использованием таблицы).

Энергетический обмен – это совокупность реакций, сопровождающихся освобождением энергии, используемой клеткой для своего энергообеспечения. Он осуществляется в 3 этапа: 1) подготовительный; 2) бескислородный; 3) кислородный.

I этап подготовительный происходит в пищеварительной системе человека. Под действием ферментов полисахариды расщепляются до моносахаридов, например:

крахмал амилаза глюкоза

При этом выделяется незначительное количество энергии, которая рассеивается в виде тепла.

II этап – бескислородный – анаэробный гликолиз происходит в мышечных клетках человека. Образовавшаяся глюкоза всасывается в кровь и разносится ко всем органам, но больше ее поступает к мышечным органам, т.к. полосатой мышечной ткани, которые образованы мышечными клетками. Глюкоза проникает через мембрану внутрь мышечной клетки. На внутриклеточных мембранах располагаются ферменты (13), по которым как по конвейеру перемещается глюкоза, в результате происходит много промежуточных реакций и образуется много промежуточных продуктов, но конечным продуктом является молочная кислота:

40% энергии сохраняется, а 60% рассеивается в виде тепла. У растений анаэробный гликолиз идет по типу спиртового брожения:

III этап – кислородный – аэробный гликолиз происходит в митохондриях мышечных клеток (в данном случае). Митохондрии – двумембранные структуры, внутренняя мембрана образует выросты – кристы, на них располагаются ферменты (около 10). Главное условие этого этапа целостность митохондриальных внутренних мембран. Образовавшаяся молочная кислота проходит ряд ферментальных реакций. Сюда же через поры в клетке поступает кислород. В результате окончательное расщепление продуктов гликолиза до углекислого газа и воды:

Большая часть энергии сохраняется, а меньшая расходуется в виде тепла. Естественно, что здесь тоже происходили промежуточные реакции и при каждой выделялось небольшое количество энергии, а в сумме получается немалая величина. Если бы такое количество энергии освободилось сразу, то это привело бы к опасному перегреву и повреждению клетки. Разделение же процесса предохраняет клетку от теплового повреждения. Суммарное уравнение II и III этапа:

АТФ по каналам ЭПС направляется в те участки клетки, где возникает в ней потребность.

Закрепление полученных знаний:

Рассчитайте энергетическую эффективность двух типов брожения глюкозы по формуле:

Е (запасенная энергия)

Эффективность = Е (общая энергия) • 100%

Спиртовое брожение Е общ. = 150 к Дж/моль

Молочнокислое брожение Е общ. = 210 к Дж/моль.

Энергия, запасенная в 1 моль АТФ, составляет 30,6 кДж/моль. При расчете учтите количество образующихся молекул АТФ в анаэробных условиях. Сделайте вывод об эффективности двух типов брожения.

Решение: 1) При анаэробном гликолизе выделяется 2 моль АТФ, т.е. 2 -30,6 к Дж/моль =61,2 кДж/моль.

Рассчитываем эффективность спиртового брожения.

Эсп.бр. = 150кДж/моль • 100% ≈ 40,8%

Рассчитываем эффективность молочнокислого брожения:

Эмол.бр. = 210 кДж/моль • 100% = 29,1%

Ответ: Эффективным является спиртовое брожение.

Рассчитайте эффективность полного окисления глюкозы на двух этапах по формуле:

Е (запасенная энергия)

Эффективность = Е (общая энергия) • 100%

Е общ. = 2880 кДж/моль

Е (АТФ) = 30,6 кДж/моль (1 АТФ)

В чем особенность процессов дыхания в отличие от брожения? Сравните эффективность процессов дыхания и брожения с К. П. Д. бензинового (25%) и парового (10%) двигателей? Сделайте вывод.

Решение: 1) Рассчитываем эффективность полного окисления глюкозы на двух этапах:

30,6 кДж/моль • 38 АТФ

Э _{ок – я} = 2880 кДж/моль • 100% ≈ 40.4%.

2) Процесс дыхания идет в присутствии кислорода, а брожение без участия кислорода.

30.6 к Дж/моль • 36 АТФ

Э _дых. ≈ 38,5% (Э _дых. = 2600кДж/моль • 100%)

Вывод: по эффективности преобразования энергии живая клетка превосходит все известные преобразователи энергии в технике.

2) Вопросы к изученной теме:

а) Полное расщепление 1 молекулы С ₆ Н ₁₂ О ₆ в мышцах в процессе дыхания дает около 25 молекул АТФ. Сравните эту величину с количеством молекул АТФ, образующихся при гликолизе. Какой процент энергии теряет в этом случае мышца? При каких условиях процесс гликолиза все же идет в мышцах? Насколько это выгодно организму?

б) Большинство клеток в процессе биологического окисления (дыхания) используют в первую очередь углеводы. Клетки головного мозга млекопитающих вообще не способны использовать в процессе дыхания ничего, кроме глюкозы. Почему? Объясните эти факты.

в) АТФ синтезируется в митохондриях и хлоропластах. Объясните, в чем сходство и различие процессов, приводящих к синтезу молекул в органеллах.

Открытые биологические системы — это системы, устойчивые лишь при условии непрерывного поступления в них энергии и вещества из окружающей среды и выделения их обратно в окружающую среду.

Зелёные растения используют солнечную энергию для синтеза органических веществ, из которых строится их тело. Другие организмы получают энергию в результате распада сложных органических веществ пищи на более простые. Таким образом, живые организмы существуют до тех пор, пока в них поступают энергия (солнечная или химическая) и питательные вещества извне.

Вопрос 2. Какие вещества обеспечивают процессы жизнедеятельности клетки энергией? Какие из них можно назвать универсальными источниками?

Вопрос 3. Почему эукариоты представляют собой открытые системы?

Потому что эукариоты, как и все живые организмы, имеющие клеточное строение, постоянно обмениваются веществом и энергией с окружающей средой.

Вопрос 4. Для чего клеткам нужна энергия? Откуда они её берут?

Энергия необходима клеткам дня синтеза сложных органических веществ и выполнения разных видов работы: движения, выведения продуктов обмена и т. д. Для её получения организмы разлагают и окисляют различные химические соединения — как правило, это органические вещества, получаемые с пищей.

Вопрос 5. Какие процессы называют энергетическим обменом, а какие — пластическим обменом?

Совокупность биохимических реакций разложения сложных веществ на более простые, сопровождающихся выделением энергии, а также запасанием её в форме химических связей универсального соединения — энергоносителя АТФ, получила название энергетического обмена (катаболизма, или диссимиляции).

Совокупность биохимических процессов, протекающих в живых организмах с затратой энергии, называют пластическим обменом (анаболизмом, или ассимиляцией).

Вопрос 6. Чем аэробы отличаются от анаэробов?

Аэробы использует кислород как окислитель, содержащийся в воздухе или воде. А анаэробам кислород не только не нужен, но даже вреден и для кого — то из них является смертельным ядом.

Вопрос 7. Можно ли окисление веществ в живом организме назвать горением? Почему?

Исходные и конечные продукты при окислении и горении одни и те же (в печке сгорает топливо, для организма топливом служит пища; и в организме и в печке углеродистые вещества сгорают, превращаясь в углекислоту и в воду). НО… Разница состоит в том, что в печке горение происходит при высокой температуре, а в живом организме — при низкой и значительно медленнее. Поэтому окисление проходит не так как горение, а это значит, что окисление веществ в живом организме назвать горением нельзя.

Вопрос 9. Используя ключевые слова параграфа, постройте основу схемы (ментальной карты), показывающей суть обмена веществ в клетке.

Основное жизненное свойство клетки — обмен веществ. Из межклеточного вещества в клетки постоянно поступают питательные вещества и кислород и выделяются продукты распада. Вещества, поступившие в клетку, участвуют в процессах биосинтеза (пластического обмена) — это образование белков, жиров, углеводов и их соединений из более простых веществ. Одновременно с биосинтезом в клетках происходит распад органических соединений. Большинство реакций распада идет с участием кислорода и освобождением энергии. В результате обмена веществ состав клеток постоянно обновляется: одни вещества образуются, а другие разрушаются.

Тогда строится такая ментальная карта.

Или такая (более общая).

Вопрос 10. Установите соответствие между признаками обмена веществ у человека и его этапами.

ПРИЗНАКИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ

A) вещества окисляются; Б) вещества синтезируются; B) энергия запасается в молекулах АТФ; Г) энергия расходуется; Д) в процессе участвуют рибосомы; Е) в процессе участвуют митохондрии

1) Пластический обмен

2) Энергетический обмен

Ответ: 1). Б, Г, Д. 2). А, В, Е.

Вопрос 11. Обсудите в классе, возможны ли случаи переноса протонов водорода через плазматическую мембрану против градиента концентрации. Аргументируйте свой ответ.

Возможны. Так Н+ — АТФаза использует энергию, освобождающуюся при гидролизе АТФ для того, чтобы переносить через клеточную мембрану ионы водорода, против градиента концентрации. Это обстоятельство позволило рассматривать Н+ — АТФазу как активную транспортную систему, то есть своеобразную молекулярную машину.

Особая роль Н+ — АТФазы заключается в том, что, выкачивая протоны из клетки наружу, она не только поддерживает рН цитоплазмы близкий к нейтральному (что очень важно для протекания многих ферментативных процессов), но и создает на мембране разность потенциалов, во многом определяя электрические свойства высших растений.

Вопрос 12. Почему молекулы НАД+ и ФАД называют универсальными акцепторами водорода?

Если АТФ — универсальный источник энергии, то кофакторы НАД+ и ФАД — универсальные акцепторы, а их восстановленные формы — НАДН и ФАДН2 — универсальные доноры восстановительных эквивалентов.

ФАД — флавинадениндинуклеотид — производное витамина В2 (рибофлавина) также является кофактором дегидрогеназ, но ФАД присоединяет два протона и два электрона, восстанавливаясь до ФАДН2.

Живые организмы, неспособные использовать световую энергию, должны получать ее за счет окисления органических соединений, поступающих извне с пищей.

Почему при окислении органических веществ высвобождается энергия? Часть электронов в составе молекул органических соединений находится на высоких энергетических уровнях. Энергия высвобождается при перемещении электронов с орбит высокой энергии на низкие энергетические уровни атомов или молекул.

Для того чтобы такие переходы электронов с выделением энергии происходили в клетке, нужно соблюдение нескольких условий.

1. Необходимо, чтобы в клетке имелись органические соединения, способные отдавать высокоэнергетические электроны, т. е. нужно, чтобы в клетке были доноры электронов. Процесс отдачи электронов называют окислением. Присоединение электрона к молекуле или атому называют восстановлением. Восстанавливающееся соединение является акцептором электронов.

2. В клетке должны быть акцепторы электронов с низкими энергетическими уровнями, способные захватывать электроны. Таким сильным акцептором электронов в клетке служит кислород, который, присоединяя два электрона (е-) и два протона (Н+), восстанавливается до воды (Н2О). Но акцепторами электронов служат и известный уже вам НАДФ+ и НАД+ (никотинамид-адениндинуклеотид), когда они находятся в окисленной форме. Присоединяя электроны, они восстанавливаются до НАДФ*Н и НАД*Н.

Органические соединения, которые окисляются в клетке и служат исходными источниками энергии, - это главным образом жиры, поступающие с пищей или запасаемые в клетке впрок.

Биологическое окисление органических веществ похоже во многом на сжигание топлива в костре или топке. При сжигании дров молекулы целлюлозы в составе древесины окисляются, отдают свои высокоэнергетические электроны кислороду, и энергия бурно выделяется в виде тепла и вспышек света. Конечные продукты сгорания топлива - пары воды и углекислый газ (СО2).

При биологическом окислении органические соединения сгорают, и конечными продуктами являются также вода и углекислый газ, но горение это происходит медленно, обжигающего тепла нет, и вспышек света мы при этом не наблюдаем.

В данной статье мы рассмотрим явление окисления. Это многосоставное понятие, которое фигурирует в различных областях науки, например, биологии и химии. Также мы ознакомимся с разнообразием данного процесса и его сутью.

Введение

С основной и изначальной точки зрения, окисление – это процесс химического характера, что сопровождается увеличением степени атомарного окисления вещества, которое ему подвергается. Это явление происходит, благодаря передаче электронов от одного атома (восстановителя и донора) до второго (акцептора и окислителя).

Данная терминологическая единица была введена в оборот химии в начале XIX века, а сделал это академик В.М. Севергин для создания обозначения, указывающего на взаимодействие веществ с кислородом из атмосферного воздуха.

В некоторых случаях окисление молекулы сопровождается созданием нестабильности в структуре вещества и приводит к его распаду на молекулы, обладающие большей стабильностью и маленькими размерами. Дело в том, что данный процесс повторяться может на нескольких разных уровнях измельчения. То есть, образованная более маленькая частица может также обладать более высокой степенью окисления, чем атомарные частички, что были исходными в том же веществе, но крупнее и стабильнее.

В химии есть понятие низшей и высшей степени окисления. Это позволяет классифицировать атомы по возможности их проявлять данное свойство. Высшая окислительная степень соответствует номеру группы, в котором находится элемент. Низшая степень, как правило, определяется по соответствию четного и нечетного числа: высшая 8 = низшая 2, высшая 7 = низшая 1.

Горение

Горение – это процесс окисления. В атмосферном воздухе (а также в среде чистого кислорода) могут поддаваться окислению в форме горения. Примером могут служить разнообразные вещества: простейшие элементы веществ металлов и неметаллов, неорганические и органические соединения. Однако самым практически значимым является горючее вещество (топливо), среди которых выделяют природные запасы нефти, газов, угля, торфа и т. д. Чаще всего они образуют из сложной смеси углеводородов с малой долей кислорода, серы, азотосодержащих соединений органического типа, а также включениями следового количества прочих элементов.

Биологическое окисление

В биологии реакции окисления – это процессы, что в своей совокупности сходятся к изменению степени окисления атомов, участвующих в реакции, а происходит это благодаря электронному распределению между взаимодействующими компонентами.

Первое предположение о том, что во всех живых организмах протекают сложнейшие хим. реакции, было выдвинуто в восемнадцатом столетии. Изучал проблему химик из Франции А. Лавуазье. Он обратил внимание на то, что протекание горения и окисления в биологии являются схожими друг с другом.

Учеными было совершено исследование пути кислорода, что был поглощен живом существом вследствие дыхания. Они сообщили, что данные процессы окисления – это аналогичные процессы, протекающие с разной скоростью. Он заострил внимание на процессе разложения, в основе которого, как оказалось, лежит явление взаимодействия молекулы кислорода (окислителя) с органическим веществом, включающим в себя атомы углерода и/или водорода. Вследствие разложения происходит абсолютная трансформация вещества.

Оставались моменты процесса, которые ученые не могли до конца понять, среди которых вопросы:

Виды биологического окисления

В соответствии с условиями среды, в которой происходит окисление, его делят на два вида. Большинство грибков и микроорганизмов энергетические ресурсы получают путем преобразования питательного вещества посредством анаэробного способа. Данная реакция происходит без доступа молекулярного кислорода, а также ее называют гликолизом.

Более сложным способом преобразования веществ питания является аэробная форма биологического окисления или тканевого дыхания. Отсутствие кислорода вызывает неспособность клеток осуществлять окисление для получения энергии, и они гибнут.

Получение энергии живым организмом

В биологии окисление – это многосоставное явление:

Гликолиз – начальная стадия организмов-гетеротрофов, в ходе которого моносахариды расщепляются бескислородно, и оно предшествует началу процесса клеточного дыхания.
Окисление пирувата – преобразования пировиноградных кислот в ацетилкоэнзим. Данные реакции возможны только с участием ферментных комплексов пируватдегидрогеназы.
Процесс распада бета-жирных кислот – параллельно осуществляемое с окислением пирувата явление, целью которого является переработка каждой жирной кислоты в ацетилкоэнзим. Далее это вещество поставляется в цикл кислот трикарбоновой группы.
Цикл Кребса – превращение ацетилкоэнзима в лимонные кислоты и дальнейшее подвержение последующему преобразованию (явлениям дегидрирования, декарбоксилирования и регенерации).
Окислительное фосфорилирование – последний этап преобразования, в ходе которого эукариотический организм преобразует аденозиндифосфат в аденозинтрифосфорные кислоты.

Из этого следует, что окисление – это процесс, включающий в себя:

явление отщепления водорода от субстрата, что подвергается окислению (дегидрированию);
явление отдачи электрона субстратом;
явление присоединения молекулы кислорода к субстрату.

Реакция над металлами

Окисление металла – это реакция, в ходе которой посредством взаимодействия элемента из группы металлов и O2, происходит образование окислов (оксидов).

В широком значении – реакция, в которой атом теряет электрон и создает разнообразные соединения, например, вещества хлоридов, сульфидов и т. п. В природном состоянии чаще всего металлы находиться могут лишь в полностью окисленном состоянии (в виде руды). Именно по этой причине, процесс окисления представлен в виде реакции восстановления различных компонентов соединения. Практически применяемые вещества металлов и их сплавов при взаимодействии с окружающей средой постепенно окисляются – подвергаются коррозии. Процессы окисления металлов происходят, благодаря термодинамическим и кинетическим факторам.

Валентность и окисление

Реакция над водой

Более двух млрд лет тому назад, растительные организмы совершили один из важнейших шагов на пути к началу эволюции. Начал формироваться процесс фотосинтеза. Однако изначально подвергались фотоокислению только восстановленные вещества сероводородного типа, что были представлены на земле в крайне малых размерах. Окисление воды – это процесс, привнесший в атмосферу значительное количество молекулярного кислорода. Это позволило перейти биоэнергетическим процессам на новый аэробный уровень. Это же явление позволило образоваться озоновому экрану, который защищает жизнь на Земле.

Читайте также: