Презентация Метаболизм. Фотосинтез. Теория ЕГЭ

МЕТАБОЛИЗМ(КАТАБОЛИЗМ И АНАБОЛИЗМ)

Гуськова С.А., учитель биологии МБОУ «Гатчинская СОШ №9 с углублённым изучением отдельных предметов»

ОГЭ, ЕГЭ

МЕТАБОЛИЗМ

Анаболизм и катаболизм – это основные метаболические процессы.
Катаболизм (диссимиляция, энергетический обмен) – это ферментативное расщепление сложных органических соединений, осуществляющееся внутри клетки за счет реакций окисления. Катаболизм сопровождается выделением энергии и запасанием ее в макроэргических фосфатных связях АТФ.
Анаболизм (ассимиляция, пластический обмен) – это синтез сложных органических соединений – белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов – из простых предшественников, поступающих в клетку из окружающей среды или образующихся в процессе катаболизма. Процессы синтеза связаны с потреблением свободной энергии, которая поставляется АТФ

КАТАБОЛИЗМ

В зависимости от биохимии процесса диссимиляции (катаболизма) различают дыхание и брожение.
Дыхание – это сложный процесс биологического окисления различных соединений, сопряженный с образованием большого количества энергии, аккумулируемой в виде макроэргических связей в структуре АТФ (аденозинтрифосфат) и образованием углекислого газа и воды. Различают аэробное и анаэробное дыхание.
Брожение – неполный распад органических соединений с образованием незначительного количества энергии и продуктов, богатых энергией.

АНАБОЛИЗМ

Анаболизм включает процессы синтеза, при которых используется энергия, вырабатываемая в процессе катаболизма. В живой клетке одновременно и непрерывно протекают процессы катаболизма и анаболизма. Многие реакции и промежуточные продукты являются для них общими.
Живые организмы классифицируют в соответствии с тем, какой источник энергии или углерода они используют. Углерод – основной элемент живой материи. В конструктивном метаболизме ему принадлежит ведущая роль.
В зависимости от источника клеточного углерода все организмы, включая прокариотные, делят на автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы используют CO2 в качестве единственного источника углерода, восстанавливая его водородом, который отщепляется от воды или другого вещества. Органические вещества они синтезируют из простых неорганических соединений в процессе фото- или хемосинтеза.
Гетеротрофы получают углерод из органических соединений.

СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ МЕТАБОЛИЗМА

РОЛЬ АТФ В МЕТАБОЛИЗМЕ

Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме высокоэнергетических соединений, как правило, в форме аденозинтрифосфата (АТФ).

АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) — мононуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэргическими связями. По химической природе АТФ относится к мононуклеотидам.

В этих связях запасена энергия, которая высвобождается при их разрыве:АТФ + H2O → АДФ + H3PO4 + Q1АДФ + H2O → АМФ + H3PO4 + Q2АМФ + H2O → аденин + рибоза + H3PO4 + Q3,
где АТФ — аденозинтрифосфорная кислота; АДФ — аденозиндифосфорная кислота; АМФ — аденозинмонофосфорная кислота; Q1 = Q2 = 30,6 кДж; Q3 = 13,8 кДж.
Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования.
Фосфорилирование — присоединение остатка фосфорной кислоты к АДФ (АДФ + Ф → АТФ). Он происходит с разной интенсивностью при дыхании, брожении и фотосинтезе.

АТФ обновляется чрезвычайно быстро (у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин).
Энергия, накопленная в молекулах АТФ, используется организмом в анаболических реакциях (реакциях биосинтеза).
Молекула АТФ является универсальным хранителем и переносчиком энергии для всех живых существ.

ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН – СОВОКУПНОСТЬ РЕАКЦИЙ СИНТЕЗА ОРГАНИЧЕСКИЙ ВЕЩЕСТВ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН

Энергию, необходимую для жизнедеятельности, большинство организмов получают в результате процессов окисления органических веществ, то есть в результате катаболических реакций. Важнейшим соединением, выступающим в роли топлива, является глюкоза.
По отношению к свободному кислороду организмы делятся на три группы.

КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЗМОВ ПО ОТНОШЕНИЮ К СВОБОДНОМУ КИСЛОРОДУ

У облигатных аэробов и факультативных анаэробов в присутствии кислорода катаболизм протекает в три этапа:
Подготовительный
Бескислородный
Кислородный
В результате органические вещества распадаются до неорганических соединений.

У облигатных анаэробов и факультативных анаэробов при недостатке кислорода катаболизм протекает в два первых этапа:
Подготовительный
Бескислородный

ЭТАПЫ КАТАБОЛИЗМА

Первый этап — подготовительный — заключается в ферментативном расщеплении сложных органических соединений на более простые.
Белки расщепляются до аминокислот, жиры — до глицерина и жирных кислот, полисахариды — до моносахаридов, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов.
У многоклеточных организмов это происходит в желудочно-кишечном тракте, у одноклеточных — в лизосомах под действием гидролитических ферментов.
Высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде теплоты. Образовавшиеся органические соединения либо подвергаются дальнейшему окислению, либо используются клеткой для синтеза собственных органических соединений.

Второй этап — неполное окисление (бескислородный) — заключается в дальнейшем расщеплении органических веществ, осуществляется в цитоплазме клетки без участия кислорода.
Главным источником энергии в клетке является глюкоза.
Бескислородное, неполное окисление глюкозы называется гликолизом.
В результате гликолиза одной молекулы глюкозы образуется по две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК, пируват) C3H4O3,, АТФ и воды, а также атомы водорода, которые связываются молекулой-переносчиком НАД+ и запасаются в виде НАД· Н.

ЭТАПЫ КАТАБОЛИЗМА

НАД+ и НАД-Н

НикотинамидАденинДинуклеотид ( НАД) — кофермент, имеющийся во всех живых клетках - динуклеотид и состоит из двух нуклеотидов, соединённых своими фосфатными группами.
В метаболизме НАД задействован в окислительно-восстановительных реакциях, перенося электроны из одной реакции в другую.
В клетках НАД находится в двух функциональных состояниях: его окисленная форма, НАД+, является окислителем и забирает электроны от другой молекулы, восстанавливаясь в НАД-Н, который далее служит восстановителем и отдаёт электроны. Такие реакции, сопряжённые с переносом электронов, являются основной сферой действия НАД.

НАДФ

НикотинамидАденинДинуклеотидФосфат (НАДФ) — широко распространённый в природе кофермент некоторых дегидрогеназ — ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции в живых клетках.
НАДФ принимает на себя водород и электроны окисляемого соединения и передаёт их на другие вещества.
В хлоропластах растительных клеток НАДФ восстанавливается при световых реакциях фотосинтеза и затем обеспечивает водородом синтез углеводов при темновых реакциях.
НАДФ, — кофермент, отличающийся от НАД содержанием ещё одного остатка фосфорной кислоты, присоединённого к гидроксилу одного из остатков рибозы, обнаружен во всех типах клеток.

Суммарная формула гликолиза имеет следующий вид:C6H12O6 + 2H3PO4 + 2АДФ + 2НАД+ → 2C3Н4O3 + 2H2O + 2АТФ + 2НАД· Н

Далее при отсутствии в среде кислорода продукты гликолиза (ПВК и НАД· Н) перерабатываются либо в этиловый спирт — спиртовое брожение (в клетках дрожжей и растений при недостатке кислорода)CH3COCOOH → СО2 + СН3СОН (уксусный альдегид)СН3СОН + 2НАД· Н → С2Н5ОН (этанол) + 2НАД+,либо в молочную кислоту — молочнокислое брожение (в клетках животных при недостатке кислорода)CH3COCOOH + 2НАД·Н → C3Н6O3 + 2НАД+.При наличии в среде кислорода продукты гликолиза претерпевают дальнейшее расщепление до конечных продуктов.

Третий этап — полное окисление (дыхание) — заключается в окислении ПВК до углекислого газа и воды, осуществляется в митохондриях при обязательном участии кислорода.
Он состоит из трёх стадий:А.образование ацетилкоэнзима А;Б. окисление ацетилкоэнзима А в цикле Кребса;В. окислительное фосфорилирование в электронотранспортной цепи.



ЭТАПЫ КАТАБОЛИЗМА

А. На первой стадии ПВК переносится из цитоплазмы в митохондрии, где взаимодействует с ферментами матрикса и образует:
диоксид углерода, который выводится из клетки;
атомы водорода, которые молекулами-переносчиками доставляются к внутренней мембране митохондрии;
ацетилкофермент А (ацетил-КоА)
Б. На второй стадии происходит окисление ацетилкоэнзима А в цикле Кребса.
Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты) — это цепь последовательных реакций, в ходе которых из одной молекулы ацетил-КоА образуются :
две молекулы диоксида углерода,
молекула АТФ
четыре пары атомов водорода, передаваемые на молекулы-переносчики — НАД и ФАД (ФлавинАденинДинуклеотид)
Таким образом, в результате гликолиза и цикла Кребса молекула глюкозы расщепляется до СО2, а высвободившаяся при этом энергия расходуется на синтез 4 АТФ и накапливается в 10 НАД· Н и 4 ФАД· Н2.

В. На третьей стадии атомы водорода с НАД· Н и ФАД· Н2 окисляются молекулярным кислородом О2 с образованием воды.
Один НАД· Н способен образовывать 3 АТФ, а один ФАД· Н2– 2 АТФ. Таким образом, выделяющаяся при этом энергия запасается в виде ещё 34 АТФ.
Этот процесс протекает следующим образом:
Атомы водорода концентрируются около наружной стороны внутренней мембраны митохондрии
Они теряют электроны, которые по цепи молекул-переносчиков (цитохромов) электронотранспортной цепи (ЭТЦ) переносятся на внутреннюю сторону внутренней мембраны, где соединяются с молекулами кислорода:О2 + е- → О2-.

В результате деятельности ферментов цепи переноса электронов внутренняя мембрана митохондрий изнутри заряжается отрицательно (за счёт О2-), а снаружи — положительно (за счёт Н+), так что между её поверхностями создаётся разность потенциалов.
Во внутреннюю мембрану митохондрий встроены молекулы фермента АТФ- синтетазы, обладающие ионным каналом. Когда разность потенциалов на мембране достигает критического уровня, положительно заряженные частицы H+ силой электрического поля начинают проталкиваться через канал АТФазы и, оказавшись на внутренней поверхности мембраны, взаимодействуют с кислородом, образуя воду:1/2О2- +2H+ → Н2О.

Энергия ионов водорода H+, транспортирующихся через ионный канал внутренней мембраны митохондрии, используется для фосфорилирования АДФ в АТФ:АДФ + Ф → АТФ.
Такое образование АТФ в митохондриях при участии кислорода называется окислительным фосфорилированием.

Суммарное уравнение расщепления глюкозы в процессе клеточного дыхания:C6H12O6 + 6O2 + 38H3PO4 + 38АДФ → 6CO2 + 44H2O + 38АТФ.
Таким образом,
в ходе гликолиза образуются 2 молекулы АТФ,
в ходе клеточного дыхания — ещё 36 молекул АТФ,
в целом при полном окислении глюкозы — 38 молекул АТФ.

ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН

Гетеротрофные организмы строят собственные органические вещества из органических компонентов пищи. Гетеротрофная ассимиляция сводится, по существу, к перестройке молекул:органические вещества пищи (белки, жиры, углеводы) → простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) → макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).
Автотрофные организмы способны полностью самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических молекул, потребляемых из внешней среды. В процессе фото- и хемосинтеза происходит образование простых органических соединений, из которых в дальнейшем синтезируются макромолекулы:неорганические вещества (СО2, Н2О) → простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) → макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).

Фотосинтез — важнейший процесс, лежащий в основе возникновения и существования подавляющего большинства организмов на Земле.
Фотосинтез — это процесс образования органических соединений из диоксида углерода (CO2) и воды (H2O) с использованием энергии света.

ФОТОСИНТЕЗ

К. А. Тимирязев (1843–1920) назвал роль фотосинтеза «космической», поскольку он связывает Землю с Солнцем (космосом), обеспечивая приток энергии на планету.

Фотосинтез может осуществляться только с помощью определенных веществ — пигментов.
Фотосинтетические пигменты высших растений делятся на две группы: хлорофиллы и каротиноиды.
Хлорофилл локализован в мембранах тилакоидов хлоропластов. В хлоропласте содержится около 400 молекул хлорофилла.
Хлоропласты обычно располагаются в клетке так, чтобы их мембраны находились под прямым углом к источнику света, что гарантирует максимальное поглощение света (они могут перемещаться в клетке, в зависимости от того, как падает свет).

Строение молекул хлорофилла и гемоглобина

ФОТОСИНТЕЗ

Образование богатых энергией органических веществ из бедных энергией неорганических веществ за счёт энергии солнечного света.
Суммарное уравнение:
6СО2+6Н2О + энергия света = С6Н12О6 + 6Н2О
Происходит в клетках растений (хлоропласты) и некоторых бактерий (цианобактерии)
При участии хлорофилла – органическое вещество, зелёный пигмент.
Проходит в две фазы – световую и темновую.

Световая фаза фотосинтеза растений включает в себя нециклическое фосфорилирование и фотолиз воды.  
На фотосинтетических мембранах гран хлоропластов происходят следующие процессы:
возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;
восстановление акцепторов электронов — НАДФ+ до НАДФ⋅Н2;
фотолиз воды, происходящий при участии квантов света:
          2H2O→4H++4e−+O2

Результатами световых реакций являются:
фотолиз воды с образованием свободного кислорода;
синтез АТФ;
восстановление НАДФ+ до НАДФ⋅Н.

СВЕТОВАЯ ФАЗА (ТОЛЬКО НА СВЕТУ)

Где: в тилакоидах хлороплстов
Последовательность процессов:
Электроны хлорофилла поглощают свет, приобретают избыток энергии (возбуждается, переходят на более высокий энергетический уровень) и покидает молекулу хлорофилла (выходят на мембрану)
Хлорофилл отнимает электроны от воды, происходит фотолиз воды – распад её на протоны, электроны и атомы кислорода.
Электроны движутся по ЭТЦ (электрон-транспортной цепи) внутренней мембраны, при этом выделяется энергия, которая затрачивается на синтез АТФ.
Протоны соединяются с электронами, «выбитыми» из хлорофилла с образованием атомарного водорода в виде НАДФ-Н2
Из атомов кислорода образуется молекулярный кислород
Итог: под действием света образуются:
О2 – выделяется в атмосферу (побочный продукт)
АТФ-источник энергии для синтеза глюкозы (преобразованная энергия света)
НАДФ-Н2 – источник водорода (от воды) для восстановления СО2

ТЕМНОВАЯ ФАЗА (И НА СВЕТУ, И В ТЕМНОТЕ)

Где: в строме хлоропласта (матриксе)
Последовательность процессов:
Фиксация углекислого газа (присоединение СО2 к пентозе) и восстановление полученных веществ с участием НАДФН2 и АТФ.
Синтез глюкозы из полученных продуктов.
Итог: синтез глюкозы за счёт восстановления СО2 водородом, который образовался в световую фазу при расщеплении молекулы воды (фотолоизе), с использованием энергии АТФ, запасённой в световую фазу.

Значение фотосинтеза для окружающего мира
Рост растений
Избыток глюкозы запасается в виде крахмала. Именно в виде этих органических веществ растение накапливает энергию. Только небольшая их часть остается в листе и используется для его нужд. Остальные же углеводы путешествуют по ситовидным трубкам флоэмы по всему растению и поступают именно туда, где больше всего нужна энергия, например, в точки роста.
Источник органики
Фотосинтез является основным источником органического вещества на Земле, то есть обеспечивает живые организмы питанием и, как следствие, энергией.Часть органики, накопленная с помощью фотосинтеза, будет участвовать в процессе нефтеобразования.
Источник кислорода и озона
Фотосинтез служит источником кислорода, составляющего 20 % атмосферы Земли. Весь атмосферный кислород образовался в результате фотосинтеза. Из кислорода в верхних слоях атмосферы образуется озон, который защищает всё живое на Земле от губительного действия УФ-лучей.

Что влияет на скорость фотосинтеза?
Скорость фотосинтеза неодинакова и меняется в зависимости от условий окружающей среды
Длина волны
Наиболее интенсивно процесс протекает под действием волн сине- фиолетовой и красной частей спектра. Также зависит от степени освещенности. До определённого значения изменения прямо пропорциональны, далее зависимость от интенсивности света теряется.
Вода
Важнейший фактор, переоценить значение которого трудно из-за участия воды во многих других процессах.
Температура
Все реакции фотосинтеза катализируются ферментами, для которых оптимальная температура составляет 25-30 градусов по Цельсию.
Углекислый газ
Чем выше концентрация углекислого газа, тем интенсивнее идёт процесс фотосинтеза. Обычно недостаток CO2 - главный ограничивающий фактор. (В теплице скорость фотосинтеза выше)

СРАВНЕНИЕ СВЕТОВОЙ И ТЕМНОВОЙ ФАЗ ФОТОСИНТЕЗА

Цикл Кальвина (темновая фаза)

ХЕМОСИНТЕЗ