Метаболизм клетки: Клеточное дыхание. Фотосинтез, хемосинтез

— открытая система, которая потребляет из окружающей среды различные вещества

и использует их в качестве строительного материала, или как источник энергии и выделяет в окружающую среду продукты жизнедеятельности и энергию.

Совокупность реакций обмена веществ, протекающих в организме, называется метаболизмом, состоящим из взаимосвязанных реакций ассимиляции (пластического обмена, анаболизма) и реакций диссимиляции (энергетического обмена, катаболизма).

Общая характеристика обмена веществ

которая выделяется в реакциях энергетического обмена, реакции диссимиляции не идут

без ферментов, образующихся в реакциях пластического обмена.

Для поддержания различных процессов жизнедеятельности, например: для движения, для биосинтеза различных органических соединений; для поглощения веществ — организму необходима энергия.
Одна группа организмов (фотоавтотрофы) использует солнечную энергию;
вторая группа (хемоавтотрофы) использует энергию, выделяющуюся при окислении неорганических веществ;

Общая характеристика обмена веществ

при этом энергию. Если организмы в зависимости от условий ведут

себя как авто– либо как гетеротрофы, то их называют миксотрофами.

Метаболизм авто– и гетеротрофов различается. В качестве источника углерода автотрофы используют неорганические вещества (СО2),
а гетеротрофы — органические.

Различны и источники энергии: у автотрофов — энергия солнечного света или энергия, выделяющаяся при окислении неорганических соединений, у гетеротрофов — энергия окисления органических веществ.

Общая характеристика обмена веществ

происходит пищеварение, то есть сложные органические молекулы расщепляются до мономеров;

на

втором происходит бескислородное окисление этих мономеров, субстратное фосфорилирование;

последнем этапе происходит окисление с участием кислорода в митохондриях.

Энергетический обмен (катаболизм, реакции диссимиляции)

молекулы расщепляются:
белки до аминокислот
жиры — до глицерина и карбоновых кислот

углеводы — до моносахаридов
нуклеиновые кислоты — нуклеотидов

Вся энергия при этом рассеивается в виде тепла.

акцептором Н служит кофермент НАД+. Реакции протекают в цитоплазме, глюкоза

с помощью 10 ферментативных реакций превращается в 2 молекулы ПВК — пировиноградной кислоты и образуется восстановленная форма переносчика водорода НАД·Н2 (никотинамидаденин-динуклеотида).

При этом образуется 200 кДж энергии, 120 рассеивается в форме тепла, 80 кДж запасается в форме 2 моль АТФ:
С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 + 2НАД+
2 С3Н4О3 + 2АТФ + 2Н2О + 2НАД·Н2

Гликолиз, или бескислородное окисление, субстратное фосфорилирование.

динуклеотид. НАД существует в двух формах: окисленной (NAD+, NADox) и

восстановленной (NADH, NADred).
Задействован в О-В, перенося электрон из одной в другую. Таким образом, в клетках NAD находится в двух функциональных состояниях: его окисленная форма, NAD+, является окислителем и забирает электроны от другой молекулы, восстанавливаясь в NADH, который далее служит восстановителем и отдаёт электроны. Однако NAD имеет и другие функции в клетке.

нет, происходит анаэробное брожение (дыхание), причем у дрожжей и растений

происходит спиртовое брожение, при котором сначала происходит образование уксусного альдегида, а затем этилового спирта:

I. 2С3Н4О3  2СО2 + 2СН3СОН (уксусный альдегид)
II. 2СН3СОН + 2НАД·Н2  2С2Н5ОН + 2НАД+

Брожение.

брожение с образованием молочной кислоты:
2С3Н4О3 + 2НАД·Н2  2С3Н6О3 +

2НАД+

Гликолиз, или бескислородное окисление, субстратное фосфорилирование.

продуктов (СО2 и Н2О), а до соединений, которые еще богаты

энергией и, окисляясь далее, могут дать ее в больших количествах (молочная кислота, этиловый спирт и др.).
Поэтому в аэробных организмах после гликолиза (или спиртового брожения) следует завершающий этап энергетического обмена — полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание. В процессе этого третьего этапа органические вещества, образовавшиеся в ходе второго этапа при бескислородном расщеплении и содержащие большие запасы химической энергии, окисляются до конечных продуктов СО2 и Н2О.

Кислородное окисление - дыхание

в митохондриях.
Как устроены митохондрии?
Каковы функции митохондрий?
Каково происхождение митохондрий?
Кислородное окисление

- дыхание

где происходит ее дегидрирование (отщепление водорода) и декарбоксилирование (отщепление углекислого

газа) с образованием двууглеродной ацетильной группы, которая вступает в цикл реакций, получивших название реакций цикла Кребса.
В цикле Кребса происходит дальнейшее окисление, связанное с дегидрированием и декарбоксилированием. В результате на каждую разрушенную моль ПВК из митохондрии удаляется 3 моль СО2, образуется 5 пар атомов водорода, связанных с переносчиками (4 НАДН2, ФАДН2), а также моль АТФ.

до Н2О с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. Этот процесс

называется окислительным фосфорилированием и происходит на внутренней мембране митохондрий. Водород передается по трем большим ферментным комплексам дыхательной цепи (флавопротеин, кофермент Q, цитохромы).

Кислородное окисление - дыхание

митохондрий, в «протонный резервуар». Внутренняя мембрана непроницаема для ионов водорода.

Электроны передаются по ферментам дыхательной цепи на цитохромоксидазу.

Кислородное окисление - дыхание

достигает 200 мВ, протоны (24Н+) проходят через канал фермента АТФ-синтетазы

и происходит восстановление кислорода до воды (12Н2О) с выделением энергии, часть которой запасается в форме 34 АТФ. Таким образом, в митохондрии образуется всего 36 АТФ – 55%, 45% - рассеивается в форме тепла. (2 АТФ в цикле Кребса и 34 при окислительном фосфорилировании).

Кислородное окисление - дыхание

2АТФ + 2Н2О + 2НАД·Н2
При этом образуется 200 кДж энергии,

120 рассеивается в форме тепла, 80 кДж запасается в форме 2 моль АТФ

Суммарная реакция энергетического обмена выглядит так:
С6Н12О6 + 6О2  6СО2 + 6Н2О + 38АТФ + Qт
Если внутренняя мембрана повреждена, то окисление НАД·Н2 продолжается, но не работает АТФ-синтетаза и образования АТФ не происходит, вся энергия выделяется в форме тепла.

Суммарная реакция гликолиза и разрушения ПВК в митохондриях до водорода и углекислого газа выглядит следующим образом:
С6Н12О6 + 6Н2О  6СО2 + 4АТФ + 12Н2

Ферменты дыхательной цепи и АТФ-синтетаза на кристах:
24Н+ + 6О2 + 12е-  12Н2О + 34АТФ +Qт

Кислородное окисление - дыхание

нуклеотидов, полисахаридов, макромолекул белков, нуклеиновых кислот, АТФ.
В результате пластического обмена

из питательных веществ, поступающих в клетку, строятся свойственные организму белки, жиры, углеводы, которые, в свою очередь, идут уже на создание новых клеток, их органов, межклеточного вещества.

Анаболизм

основной части органического вещества на Земле, поддерживающий определенную температуру на

поверхности Земли. Для живых организмов наиболее важны: свет ультрафиолетовой части спектра, видимый свет и инфракрасное излучение.
Жесткий ультрафиолет с длиной волны менее 290 нм губителен для живых клеток, до поверхности Земли не доходит, так как отражается озоновым экраном.

несет много энергии и вызывает образование витамина D в коже

человека, он же воспринимается органами зрения многих насекомых.
Видимый свет с длиной волны от 380 до 750 нм используется для фотосинтеза фототрофными организмами (растениями, фотосинтезирующими бактериями, сине-зелеными) и животными для ориентации.
Для фотосинтеза используются, в основном, синие и красные лучи света.

750 нм вызывает нагревание предметов, особенно важна эта часть спектра

для животных с непостоянной температурой тела — пойкилотермных.
Количество энергии, которое несет свет обратно пропорционально длине волны, то есть меньше всего энергии несут инфракрасные лучи.

воды за счет энергии света при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений,
 бактериохлорофилл и бактериородопсин у

бактерий). 

фотосинтез распространён гораздо шире. Осуществляется растениями, цианобактериями и прохлорофитами.

углекислого газа и воды за счет энергии света, при этом

выделяется кислород.
6СО2 + 6Н2О + Q света  С6Н12О6 + 6О2
Главным органом фотосинтеза является лист, в клетках которого имеются специализированные органоиды, ответственные за фотосинтез — хлоропласты.

В процессе фотосинтеза различают две фазы: световую и темновую. Световая фаза происходит только на свету в мембранах тилакоидов.
Мембраны тилакоида содержат молекулы хлорофилла, белки цепи переноса электронов и особые ферменты — АТФ-синтетазы.

содержащие около 300 молекул. Более древняя фотосистема появилась у фотосинтезирующих

зеленых бактерий — фотосистема-1, она способна отбирать электроны и протоны у сероводорода, при этом не происходит выделения О2:
СО2 + 2Н2S + световая энергия  (СН2О) + Н2О + 2S

переходит в возбужденное состояние, характеризующееся электронной структурой с повышенной энергией

и способностью легко отдавать электрон.

каротиноидов, фикобилинов) и реакционного центра (РЦ). Реакционный центр, в свою

очередь, включает фотоактивный пигмент-ловушку и первичные доноры и акцепторы электронов.Пигмент-ловушка Фотосистемы I поглощает свет с длиной волны 700 нм и обозначается Р700 (или П700), а пигмент-ловушка Фотосистемы II поглощает свет с длиной волны 680 нм и обозначается Р680 (или П680).

фотосистемы-1, появляется фотосистема-2, способная разлагать воду с выделением О2, способная

отбирать электроны у водорода воды:
СО2 + 2Н2О + световая энергия (СН2О) + Н2О + О2

Световая фаза фотосинтеза

— в строме хлоропласта (снаружи тилакоидов). Для ее реакций не

нужна энергия света. Происходит фиксация СО2 и карбоксилирование пятиуглеродного сахара рибулозобисфосфата с образованием 6-углеродного соединения. Затем происходит цикл реакций Кальвина, в которых через ряд промежуточных продуктов происходит образование глюкозы. На эти реакции расходуется энергия, запасенная в АТФ, и НАДФ-Н. То есть в световой фазе образуются АТФ и НАДФ-Н, в темновой они расходуются.

Темновая фаза фотосинтеза

в темновую фазу фотосинтеза. Происходит поглощение СО2 и карбоксилирование пятиуглеродного

сахара рибулозобисфосфата с образованием 6-углеродного соединения. Затем происходит цикл реакций Кальвина, в которых через ряд промежуточных продуктов происходит образование глюкозы.

Темновая фаза фотосинтеза

счет энергии солнечного света – фотоавтотрофы или за счет энергии

окисления неорганических соединений – хемоавтотрофы.
Хемоавтотрофы:
Важнейшая группа хемосинтетиков – нитрифицирующие бактерии, способные окислять аммиак, образующийся при гниении органических остатков, сначала до азотистой, а затем до азотной кислоты:
2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O + 663 кДж
2НNО2 + O2 = 2HNO3 + 142 кДж
Азотная кислота, реагируя с минеральными соединениями почвы, образует нитраты, которые хорошо усваиваются растениями.

Хемоавтотрофный тип питания

+ О2 = 2Н2О + 2S + 272 кДж
При недостатке

сероводорода бактерии производят дальнейшее окисление серы до серной кислоты:
2S + 3О2 + 2Н2О = 2Н2SО4 + 636 кДж
Железобактерии окисляют двувалентное железо до трехвалентного:
4FeCO3 + O2 + H2O = 4Fe(OH)3 + 4CO2 + 324 кДж
Водородные бактерии используют энергию, выделяющуюся при окислении молекулярного водорода:
2Н2 + О2 = 2Н2О + 235 кДж

Хемоавтотрофный тип питания

не выделяют кислород, донор водорода – Н2S:
Qсвета + 6СО2 +

12Н2S → С6Н12О6 + 12S + 6Н2О

У цианобактерий (синезеленых) появилась фотосистема-2 и при фотосинтезе кислород выделяется, донором водорода для синтеза органики является Н2О:
Qсвета + 6СО2 + 12Н2О → С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О