Тема 03. Метаболизм

Transcript

1. ТЕМА 3. МЕТАБОЛИЗМ ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ – СВОЙСТВА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ И ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН, ИХ ВЗАИМОСВЯЗЬ. СТАДИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА. БРОЖЕНИЕ И ДЫХАНИЕ. ФОТОСИНТЕЗ, ЕГО ЗНАЧЕНИЕ, КОСМИЧЕСКАЯ РОЛЬ. ФАЗЫ ФОТОСИНТЕЗА. СВЕТОВЫЕ И ТЕМНОВЫЕ РЕАКЦИИ ФОТОСИНТЕЗА, ИХ ВЗАИМОСВЯЗЬ. РАЗНООБРАЗИЕ ОРГАНИЗМОВ: АВТОТРОФЫ, ГЕТЕРОТРОФЫ. ХЕМОСИНТЕЗ. РОЛЬ ХЕМОСИНТЕЗИРУЮЩИХ БАКТЕРИЙ НА ЗЕМЛЕ. 1
2. МЕТАБОЛИЗМ • Это поступление в организм питательных веществ из окружающей среды, их превращение и вывод из организма в виде продуктов жизнедеятельности. 2 (неорганические вещества) (полимеры) (мономеры)
3. ПЛАСТИЧЕСКИЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН — ОСНОВА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМОВ • Энергетический обмен – это совокупность реакций распада – диссимиляция=катаболизм. Распад сложных веществ до более простых с образованием энергии. • Пластический обмен – это совокупность реакций синтеза – ассимиляция =анаболизм. Образование сложных веществ из простых с затратой энергии. 3
4. НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ • Закон сохранения энергии • Закон энтропии + • Закон сохранения вещества 4
5. ПОНЯТИЕ ОБ ОТКРЫТЫХ И ЗАКРЫТЫХ СИСТЕМАХ • Система – совокупность взаимосвязанных действующих элементов, организованная для определенной цели и по отношению к внешней окружающей среде. • По признаку взаимодействия с окружающей средой системы подразделяются на открытые и закрытые • Закрытая система не обменивается веществом и энергией с окружающей средой. • Открытая система обменивается с окружающей средой веществом и энергией. 5
6. ЧЕЛОВЕК – ОТКРЫТАЯ СИСТЕМА 6 Кишечник -распад БЛУ до мономеров Ткани -потребление Е + синтез БЛУ мономеры Продукты распада биополимеры Q Q Q Q -Расщепление БЛУ + выделение Е
7. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН. ТРИ ЭТАПА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА В КЛЕТКЕ ЧЕЛОВЕКА. • Энергетический обмен – это совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. Эта энергия частично выделяется в виде тепла, частично запасается в универсальных формах, например, АТФ. • Подготовительный этап (без образования АТФ) • Бескислородное окисление • Кислородное окисление 7 1 АТФ = 40 кДж
8. ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП. РОЛЬ ЛИЗОСОМ В ПОДГОТОВИТЕЛЬНОМ ЭТАПЕ. • Белки -> аминокислоты • Липиды -> глицерин + жирные кислоты • Полисахариды -> моносахариды • Нуклеиновые кислоты -> нуклеотиды 8
9. ГЛИКОЛИЗ • Гликолиз - это процесс окисления глюкозы, при котором из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты. • Анаэробный этап окисления глюкозы • Протекает с затратой 2- молекул АТФ, с образованием 4х молекул АТФ • Цитоплазматический • Универсальный • С6 H12 O6 + 2НАД++2АДФ+2Pi → 2 C3 H4 O3 + 2НАДH + 2АТФ+2Н+ (Выделяется 80 кДж) 9
10. ГЛИКОЛИЗ 10 • 10 ферментов, растворённых в цитоплазме • Основной потребитель глюкозы у человека – МОЗГ • Энергетический выход – 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы
11. БРОЖЕНИЕ – ПРИ НЕДОСТАТКЕ КИСЛОРОДА • Брожение– биохимический процесс, основанный на окислительно-восстановительных превращениях органических соединений в анаэробных условиях. • Молочнокислое брожение. На пируват (продукт гликолиза) сбрасываются электроны с восстановленного НАДН, энергия при этом не выделяется. При сбраживании глюкозы по этому пути образуется 2 молекулы АТФ в результате гликолиза! • Спиртовое брожение – у дрожжей: C3 H4 O3 -> CO2 + CH3 COH CH3 COH + НАДН -> С2 Н5 ОН 11
12. ДЫХАНИЕ - ЭТО • Практически любой процесс, при котором окисление органики ведёт к выделению химической энергии. • Внешнее и внутреннее • Аэробное и анаэробное 12
13. ПОСЛЕ ГЛИКОЛИЗА • Пируват декарбоксилируется до ацетил-КоА с выделением НАДН. 13
14. АЭРОБНОЕ ДЫХАНИЕ. ЦИКЛ КРЕБСА (ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ) • Ацетил-КоА попадает в цикл Кребса, где реагирует с оксалоацетатом (щавелевоуксусной кислотой), затем происходит ступенчатое декарбоксилирование и возврат к оксалоацетату. 14
15. БАЛАНС ЦИКЛА КРЕБСА • Ферменты цикла Кребса существуют внутри митохондрий (в матриксе) в виде мультиферментных комплексов • за один цикл образуется 2 молекулы CO2 , 3 НАДН, 1 ФАДH2 и 1 ГТФ (или АТФ) • В процессе окислительного фосфорилирования в дыхательной цепи из 1молекулы НАДН образуется 3 АТФ, из 1 ФАДН2 - 2 АТФ. Из 1 ГТФ, образующейся в ЦТК за счет субстратного фосфорилирования, синтезируется 1 АТФ. • Таким образом, при окислении 1 молекулы глюкозы в гликолизе + ЦТК на последующей стадии (в ДЦ) образуется 38 АТФ. • Целый Ананас И Кусочек Суфле Сегодня Фактически Мой Обед 15
16. ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ (ЭЛЕКТРОН-ТРАНСПОРТНАЯ, ЭТЦ) 16 Окислительное фосфорилирование – это сопряжённая работа ЭТЦ и АТФ-синтазы Баланс: на каждые условно выделившиеся 6 протонов и 6 электронов выделяются 2 молекулы воды за счёт траты 1 молекулы О2 и 10 молекул НАД∙Н
17. ХЕМИОСМОТИЧЕСКАЯ ГИПОТЕЗА МИТЧЕЛЛА 17
18. РОЛЬ МИТОХОНДРИЙ В ПРОЦЕССЕ ДЫХАНИЯ 18
19. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС ПОЛНОГО ЦИКЛА РАЗЛОЖЕНИЯ 1 МОЛЕКУЛЫ ГЛЮКОЗЫ В ПРОЦЕССЕ ДЫХАНИЯ • 1. Гликолиз. Окисление 1 глюкозы до 2 ПВК, с образованием 2 АТФ (сначала 2 АТФ затрачиваются, затем 4 образуются) и 2 НАДН; • 2. Превращение 2 ПВК в 2 ацетил-КоА с выделением 2 СО2 и образованием 2 НАДН; • 3. ЦТК. Окисление 2 ацетил-КоА с выделением 4 СО2 , образованием 2 ГТФ (дают 2 АТФ), 6 НАДН и 2 ФАДН2 ; • 4. ЭТЦ. Окисление 10 НАДН, 2 ФАДН2 с участием 6 О2 , при этом выделяется 6 Н2 О и синтезируется 34 АТФ. • В результате аэробного окисления глюкозы образуется 38 АТФ, из них: 2 АТФ в гликолизе, ещё 2 – в ЦТК при субстратном фосфорилировании, и 34 АТФ – в ЭТЦ, при окислительном фосфорилировании НАДН, образовавшихся на предыдущих этапах. • С6 H12 O6 + 6O2 + +38 АДФ + 38Pi → 6CO2 + 38АТФ + 44Н2 O (Выделяется 1520 кДж) 19
20. АНАЭРОБНОЕ ДЫХАНИЕ • биохимический процесс окисления органических субстратов или молекулярного водорода с использованием в дыхательной ЭТЦ в качестве конечного акцептора электронов вместо O2 других окислителей неорганической или органической природы, например, NO3−, NO2−, Fe3+, фумарат, диметилсульфоксид – с высоким ОВ-потенциалом; сера, SO42−, CO2 – с низким ОВ-потенциалом . Как и в случае аэробного дыхания, выделяющаяся в ходе реакции свободная энергия запасается в виде трансмембранного протонного потенциала, использующегося АТФ-синтазой для синтеза АТФ. • Встречается у прокариот (денитрификаторы, сульфатвосстановители и др.), редко – у эукариот: некоторых паразитических и свободноживущих червей, ракообразных, моллюсков. 20
21. ФОТОСИНТЕЗ • Смысл фотосинтеза: превращение солнечной энергии в энергию химических связей. Образование органических веществ из неорганических. 21
22. СВЕТОВЫЕ РЕАКЦИИ ФОТОСИНТЕЗА • Всё начинается с возбуждения электрона хлорофилла фотоном • H2 O->H++OH- (фотолиз воды) • Возбуждённый электрон проходит по цепи цитохромов в мембранах тилакоидов; за счёт высвобождаемой при этом энергии протоны проходят через мембрану хлоропласта наружу, создавая мембранный потенциал на тилакоидах • АТФ образуется при фотофосфорилировании, по такому же принципу, как в ЭТЦ. Снаружи оказывается атомарный водород, который улавливается НАДФ+: e+H+=H* • От гидроксила отщепляется электрон, который восстанавливает хлорофилл^ • Из гидроксильного радикала образуются вода и кислород: 4OH-->4e-+O2 +2H2 O • Суммарно: 2Н2 О+2НАДФ->НАДФ*Н+3АТФ+О2 +Н+ 22
23. ФОТОФОСФОРИЛИРОВАНИЕ • Нециклическое фотофосфорилирование было открыто Д. Арноном в 1957 году. По сути, это нормальный ход световых реакций фотосинтеза, когда электрон от воды через цепочку мембранных и белковых переносчиков переходит к НАДФ+. Нециклический тип фотофосфорилирования, происходящий при оксигенном фотосинтезе — эволюционно более поздний процесс, который требует совместного действия двух фотосистем. Энергия света, поглощаемая двумя фотосистемами, расходуется на отрыв электронов от воды (фотосистема II, ФСII), а затем (фотосистема I, ФСI) на увеличение его энергии до того состояния, когда он становится способен восстановить ферредоксин и НАДФ+. В ходе этого процесса энергия электрона, полученная им от поглощения фотонов, частично расходуется на перекачку протонов и создание протонного градиента за счёт работы двух протонных помп: цитохром-b6f-комплекса и отчасти фотосистемы II. В результате энергия запасается не только в макроэргических связях АТФ, но и расходуется на создание химического потенциала восстановительных эквивалентов. 23
25. ТЕМНОВЫЕ РЕАКЦИИ ФОТОСИНТЕЗА – ЦИКЛ КАЛЬВИНА • Рибулозобисфосфаткарбоксилаза (РУБИСКО) – самый распространённый фермент на Земле, он и фиксирует углекислый газ, присоединяя его к молекуле рибулозодифосфата • Основным продуктом цикла Кальвина является глицеральдегид-3-фосфат. Он служит субстратом для синтеза глюкозы и для регенерации рибулозодифосфата. 25
26. СУММАРНЫЕ РЕАКЦИИ ФОТОСИНТЕЗА 26
27. УГЛЕРОД И ЭНЕРГИЯ. РАЗНООБРАЗИЕ ОРГАНИЗМОВ: АВТОТРОФЫ, ГЕТЕРОТРОФЫ. 27 Е С Фототрофы – фотосинтезирующие – используют энергию света Хемотрофы – используют химическую энергию Автотрофы - используют CO2 (неорганическое соединение) Все зелёные растения, цианобактерии, фотосинтезирующие бактерии Нитрифицирующие бактерии, серобактерии, железобактерии Гетеротрофы – требуют органических соединений Пурпурные бактерии Животные, грибы, растения- паразиты
28. ХЕМОСИНТЕЗ - • Способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ из CO2 служат реакции окисления неорганических соединений. • У бактерий и архебактерий (нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии, водородные бактерии) • Значение: круговорот азота (окисление аммиака до азотистой кислоты), окисление сероводорода до серы и серной кислоты – разрушение горных пород, выщелачивание руд, окисление железа до болотной железной руды Fe(OH)3 28
29. КРУГОВОРОТ АЗОТА • Круговорот азота — биогеохимический цикл азота. Большая его часть обусловлена действием живых существ. • Азотистый обмен почвы — круговорот в почве азота, который присутствует там в виде простого вещества (газа — N2) и ионов: нитритов (NO2-), нитратов (NO3-) и аммония (NH4+) 29
30. КРУГОВОРОТ АЗОТА • Шаг 1. Азотфиксация – бактерии и цианобактерии, живущие в почве в симбиозе с растениями (в клубеньках у бобовых). Продукты фиксации – аммиак, нитриты • Шаг 2. Аммонификация – процесс преобразования мочевины в ионы аммония и аммиак. Происходит при попадании в почву мочевины или органики. • Шаг 3. Нитрификация – это окисление аммиака до нитратов и нитритов. Нитрификаторы – Nitrosomonas (окисляет аммиак до нитрита), Nitrobacter (окисляют нитрит до нитрата). Нитрификаторы являются хемосинтетиками, так как получают энергию за счёт нитрификации. • Шаг 4. Денитрификация – восстановление нитратов до закиси азота и азота. Используют нитрат в качестве конечного акцептора водорода в процессе анаэробного дыхания. Денитрификаторы обедняют почвы, удаляя из них нитриты и переводя азот в атмосферу. • Ассимиляция – это переход неорганического азота в органический при их синтезе в живом организме. 30
32. ДОМАШНЯЯ РАБОТА • В ЕГЭ – вопросы 7-10, 19, 23-25 • 4639056 – Метаболизм (7-8) • 4639021 – сравнение царств – сопоставления (10) • 4639070 – метаболизм (19) • Вариант № 3899229 – метаболизм (4) архивный • Вариант № 3899230 – метаболизм – соответствия (5) архивный 32
33. ЗАДАНИЕ 25 № 12592 • В чём состоит связь дыхания и фотосинтеза у растений? 33
34. ОТВЕТ • 1) Фотосинтез — образуется кислород и связывается углекислый газ, который образовался в процессе дыхания, образуются органические вещества, энергия запасается. • 2) Дыхание — образуется углекислый газ для фотосинтеза и расходуется кислород, окисляются органические вещества. • 3) При дыхании растения окисляют глюкозу, полученную при фотосинтезе, и получают из них энергию. Энергия нужна для синтеза ферментов, в том числе ферментов фотосинтеза. 34
35. ЗАДАНИЕ 25 № 17159 • Какие процессы обеспечивают постоянство газового состава атмосферы (кислорода, углекислого газа, азота)? Назовите не менее трёх процессов и поясните их. 35
36. ОТВЕТ • 1) при фотосинтезе регулируется концентрация кислорода и углекислого газа: выделяется кислород, и поглощается углекислый газ; • 2) при дыхании и брожении регулируется концентрация кислорода и углекислого газа: поглощается кислород, и выделяется углекислый газ; • 3) в результате азотфиксации бактериями поглощается молекулярный азот из атмосферы, при денитрификации азот выделяется. 36
37. ЛИТОТРОФЫ И ОРГАНОТРОФЫ • Литотрофы - организмы, для которых донорами электронов, необходимых для процессов биосинтеза (например, фиксации углерода) или запасания энергии (например, синтеза АТФ), через аэробное или анаэробное дыхание, являются неорганические вещества. Хемолитотрофы – археи, бактерии. Фотолитотрофы – протисты и высшие растения, используют воду в качестве донора электронов • Органотрофы - организмы, для которых донорами электронов являются органические вещества. 37
38. СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ ВИНОГРАДСКИЙ (1856- 1953) • русский микробиолог, основатель экологии микроорганизмов и почвенной микробиологии. Открыл хемосинтезирующие микроорганизмы — «автотрофную живую систему 2-го рода», выполняющие важную роль в геохимических процессах земной коры. • Открыл хемосинтез • Выделил культуры бактерий-нитрификаторов, подтвердил, что нитрификация идёт в 2 этапа • Выделил первую азотфиксирующую бактерию Clostridium pasteurianum
39. ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ И КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ • Парниковый эффект - повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса. • Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли, являются водяной пар, углекислый газ, метан и озон. • Закисление выпадающих осадков («кислотные дожди») – это результат загрязнения воздуха кислотными оксидами, обычно оксидами серы и азота 39
40. ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ • процесс переноса остатка фосфорной кислоты от фосфорилирующего агента-донора к субстрату, как правило, катализируемый ферментами и ведущий к образованию сложных эфиров фосфорной кислоты • Субстратное: характерная для всех живых организмов реакция синтеза АТФ или ГТФ путём прямого переноса фосфата (PO3 ) на АДФ или ГДФ с высокоэнергетического промежуточного продукта. • Окислительное: происходит за счёт энергии окисления органических соединений. Энергия, выделяющаяся при движении электронов по ЭТЦ, используется для перекачки протонов из митохондриального матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. • Фотофосфорилирование: процесс синтеза АТФ из АДФ за счёт энергии света. Как и в случае окислительного фосфорилирования, энергия света расходуется на создание протонного градиента на мембране тилакоидов или клеточной мембране бактерии, который затем используется АТФ-синтазой. Бывает циклическое (прокариоты) и нециклическое (эукариоты) . 40
41. ВСЮ БИОХИМИЮ КЛЕТКИ МОЖНО ПОСМОТРЕТЬ ЗДЕСЬ: HTTP://BIOCHEM ICAL- PATHWAYS.COM/ #/MAP/1 41
42. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ • Теремов-Петросова 10 кл. – стр. 96-129 42
43. АЭРОБЫ И АНАЭРОБЫ Облигатные Факультативные Аэробы (зависят от кислорода) Большинство эукариот - Анаэробы (боятся кислорода) В основном бактерии (Clostridium, Bacteroides) Гетерогенная группа организмов: 1) Способные «переключать» свой метаболизм с аэробного на анаэробный и обратно – Saccharomyces cerevisiae, Escherichia coli, денитрифицирующие бактерии. При этом превалирует только один тип метаболизма. 2) Способные защищаться от окисляющего действия молекулярного кислорода, но не включающих его в свои метаболические циклы – Lactobacillus. Также называются аэротолерантными или микроаэрофилами. 43
44. ПРО МЫШЦЫ • При работе мышцы в первую очередь расходуется небольшой запас АТФ – 1 секунда • Далее идёт регенерация АТФ за счёт креатинфосфата – ещё несколько секунд • Далее расходуется гликоген (2% массы мышечной ткани) в процессе гликолиза • Потом – только окислительное фосфорилирование • +альтернативные субстраты и пути 44
45. КАК ВОССТАНАВЛИВАЕТСЯ НАДФ+ • НАДФ+ + 2Н+ + 2е- → НАДФН + Н+ 45