§ 17. Пластический обмен. Фотосинтез

Вспомните!

Какую часть метаболизма называют пластическим обменом?

Ассимиляция, анаболизм

Какова роль зелёных растений в природе?

Космическая роль растений. Растения – автотрофы. Автотрофы использую световую энергию, с помощью энергии солнца, хлорофилла клеток и углерода углекислого газа синтезирует в своих организмах собственные органические вещества. Солнце – это космическое тело (звезда), которая дает энергию для жизни растений – для синтеза питательных веществ растений на планете Земля. А затем уже все остальные организмы используют растения для своего питания. То есть растения с помощью энергии солнца дают пищу всем остальным организмам на планете.

В каких органоидах клетки осуществляется фотосинтез?

Хлоропласты

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое ассимиляция?

Ассимиляция или анаболизм (от греч. ἀναβολή, «подъём») – так называются все процессы создания новых веществ, клеток и тканей организма. Примеры анаболизма: синтез в организме белков и гормонов, создание новых клеток, накопление жиров, создание новых мышечных волокон – это все анаболизм.

2. Опишите известные вам типы питания. Какой критерий лежит в разделении организмов на автотрофные и гетеротрофные?

Гетеротрофы – организмы, не способны самостоятельно синтезировать органические вещества, это организмы, питающиеся готовыми органическими веществами.

Гетеротрофы делятся на:

А) Сапротрофы

– Сарофиты

– Сапрофаги

– детритофаги

Б) Биотрофы

– Зоофаги

– Фитофаги

Автотрофы – это организмы, которые самостоятельно синтезируют органические вещества.

Автотрофы делятся на:

А) Хемоавтотрофы

– Хемосинтезирующие бактерии

Б) Фотоавтотрофы

– Фотосинтезирующие бактерии

– Фотосинтезирующие растения

Миксотрофы – организмы, по типу питания занимающие промежуточное положение между автотрофами и гетеротрофами. К М. относятся некоторые автотрофные растения, одновременно усваивающие и готовые органические вещества (напр., некоторые зеленые одноклеточные и синезеленые водоросли).

3. Какие организмы называют автотрофными?

Автотрофы – это организмы, которые самостоятельно синтезируют органические вещества.

4. Почему у зелёных растений в результате фотосинтеза выделяется в атмосферу свободный кислород?

Выделяющийся кислород – это побочный промежуточный продут, который образуется в результате работы световой фазы фотосинтеза, при фотолизе воды – разрушении молекулы воды под действием света. Фотолиз воды необходимая мера, при которой образуются электроны и протоны необходимые для восстановления «электронных дыр» фотосистемы II и восстановления кофермента НАДФ*Н.

5. Каковы признаки гетеротрофного типа питания? Приведите примеры гетеротрофных организмов.

Гетеротрофы, организмы, использующие для своего питания готовые органические вещества (обычно ткани растений или животных) через процесс, известный как гетеротрофное питание. Все животные и грибы - гетеротрофы. В результате пищеварительного процесса (как и у людей) происходит расщепление тканей, обеспечивая организм материалом, из которого он может синтезировать необходимые питательные вещества, такие как углеводы, белки, жиры, витамины и минералы.

6. Как вы думаете, почему всё живое на Земле можно назвать «детьми Солнца»?

Так как роль растений называют космической. Растения – автотрофы. Автотрофы использую световую энергию, с помощью энергии солнца, хлорофилла клеток и углерода углекислого газа синтезирует в своих организмах собственные органические вещества. Солнце – это космическое тело (звезда), которая дает энергию для жизни растений – для синтеза питательных веществ растений на планете Земля. А затем уже все остальные организмы используют растения для своего питания. То есть растения с помощью энергии солнца дают пищу всем остальным организмам на планете.

7. Используя дополнительные источники информации, подготовьте сообщение или презентацию на тему «Хемосинтез и его значение в жизни планеты».

В природе органическое вещество создают не только зеленые растения, но и бактерии, не содержащие хлорофилл. Этот автотрофный процесс называется хемосинтезом. Хемосинтез открыл в 1889-1890 гг. знаменитый русский микробиолог С.Н.Виноградский. Хемосинтез осуществляется благодаря энергии, выделяющейся при химических реакциях окисления различных неорганических соединений: водорода, сероводорода, аммиака, оксида железа (II) и других. Энергия, образовавшаяся в реакциях окислении, запасается в бактериальных клетках в форме АТФ.

В водоемах, вода которых содержит сероводород, живут бесцветные серобактерии. Колоссальное количество серобактерий имеется в Черном море, в котором глубже 200 м вода насыщена сероводородом. Энергию, необходимую для синтеза органических соединений эти бактерии получают, окисляя сероводород:

Реакция окисления сероводорода относится к окислительно-восстановительным реакциям. Путь движения электронов от S к О показан стрелками.

Какие элементы выполняют роли окислителя и восстановителя?

Выделяющаяся в результате свободная сера накапливается в бактериальных клетках в виде множества крупинок. При недостатке сероводорода бесцветные серобактерии производят дальнейшее окисление находящейся в них свободной серы до серной кислоты:

Высчитайте, чему равен энергетический эффект окисления сероводорода до серной кислоты?

Обе реакции сопровождаются выделением энергии - экзотермические реакции. Количество энергии, выделившееся в процессе окисления серводорода до серной кислоты равно сумме энергий, выделившейся в каждой реакции. Значит энергетический эффект реакции окисления сероводорода до серной кислоты равен 908 кДж.

Чрезвычайно широко распространены в почве и в различных водоемах нитрифицирующие бактерии. Они добывают энергию путем окисления аммиака и азотистой кислоты, поэтому играют очень важную роль в круговороте азота в природе. Аммиак, образующийся при гниении белков в почве или в водоемах. Окисляется нитрифицирующими бактериями (Nitrosomonas). Этот процесс отражает уравнение:

Дальнейшее окисление образовавшейся азотистой кислоты осуществляется другой группой нитрифицирующих микроорганизмов - Nitrobacter - нитробактером:

Энергетический эффект реакций окисления аммиака до азотной кислоты равен 763 кДж.

Процесс нитрификации происходит в почве в огромных масштабах и служит для растений источником нитратов. Жизнедеятельность бактерий представляет собой один из важнейших факторов плодородия почв.

В почве обитают бактерии, окисляющие водород:

Энергетический эффект реакций окисления водорода равен 235 кДж.Водородные бактерии окисляют водород, постоянно образующийся при анаэробном (бескислородном) разложении различных органических остатков микроорганизмами почвы.

Хемосинтезирующие бактерии, окисляющие соединения железа и марганца, обитают как в пресных, так и в морских водоемах. Благодаря их жизнедеятельности на дне болот и морей образуется огромное количество отложенных руд железа и марганца. Академик В.И.Вернадский - основатель биогеохимии говорил о залежах железных и марганцевых руд как о результате жизнедеятельности этих бактерий в древние геологические периоды.

Энергетический эффект реакций окисления железа (II) в железо (III) равен 324 кДж.

Подумайте! Вспомните!

1. Как связаны между собой фотосинтез и проблема обеспечения продовольствием населения Земли?

Растения являются важным источником питания для населения всех стран, поэтому, чем больше фотосинтезируют растения, тем больше этих растений, их форм (травы, кустарников, деревьев) их плодов, тем самым население будет обеспечено всеми растительными продуктами питания.

2. Можно ли считать, что фотосинтез включает в себя одновременно два процесса — ассимиляцию и диссимиляцию? Объясните свою точку зрения.

Да. Ассимиляция – это пластический обмен – синтез сложных органических веществ с затратами энергии, а диссимиляция – это энергетический обмен – разрушение сложных органических веществ с выделение энергии и запасанием АТФ. В процессе фотосинтеза одновременно идет синтез углеводов в растениях, и в световую фазу синтез молекул АТФ, которые идут в темновую фазу.

3. Приведите примеры использования особенностей метаболизма живых организмов в медицине, сельском хозяйстве и других отраслях.

Организация тепличного хозяйства (получение большого выхода растительных организмов нужных для питания человека за счет интенсивного процесса фотосинтеза при постоянном действии света на растения), эксперименты на грызунах по исследованию лекарств (у грызунов быстрый обмен веществ, короткий срок полового созревания, большое количество потомства).

4. Достаточно ли знать, что организм способен выделять кислород, чтобы отнести его к автотрофам? И верно ли обратное утверждение: «Если организм является автотрофом, то он выделяет кислород»?

Достаточно ли знать, что организм способен выделять кислород, чтобы отнести его к автотрофам. Да,с уточнением на фотоавтотрофы, так как кислород выделяется при фотолизе воды, это этап фотосинтеза. К автотрофам относят две категории организмов: хемоавтотрофы и фотоавтотрофы.

И верно ли обратное утверждение: «Если организм является автотрофом, то он выделяет кислород»? Нет неверно. Хемавтоотрофы не выделяют кислород, они преобразуют разные виды энергии.

5. Как особенности метаболизма живых организмов используются в сельском хозяйстве, медицине, микробиологии, биотехнологии? Найдите необходимую информацию, используя дополнительные источники (литература, ресурсы Интернета). Обобщите информацию и представьте её в виде стенда.

Любой живой организм — открытая динамичная система, в которой постоянно осуществляются разнообразные процессы. В ходе жизнедеятельности клетки накапливают питательные вещества, образуют новые органоиды, растут, делятся, выполняют свои специфические функции, осуществляя при этом активный синтез органических веществ — пластический обмен и расходуя энергию, запасённую в процессе энергетического обмена. Особенно активно ассимиляция происходит в период роста организма. Но для осуществления процессов биосинтеза наличия одной энергии мало. Нужен ещё материал, из которого организм сможет синтезировать свои органические соединения. Самым важным элементом, необходимым всем живым организмам, является углерод.

Например, особенности метаболизма у бактерий состоят в том, что:

– его интенсивность имеет достаточно высокий уровень, что возможно обусловлено гораздо большим соотношением поверхности к единице массы, чем у многоклеточных;

– процессы диссимиляции преобладают над процессами ассимиляции;

– субстратный спектр потребляемых бактериями веществ очень широк — от углекислого газа, азота, нитритов, нитратов до органических соединений, включая антропогенные вещества — загрязнители окружающей среды (обеспечивая тем самым процессы ее самоочищения);

– бактерии имеют очень широкий набор различных ферментов — это также способствует высокой интенсивности метаболических процессов и широте субстратного спектра.

Ферменты бактерий по локализации делятся на 2 группы:

– экзоферменты — ферменты бактерий, выделяемые во внешнюю среду и действующие на субстрат вне клетки (например, протеазы, полисахариды, олигосахаридазы);

– эндоферменты — ферменты бактерий, действующие на субстраты внутри клетки (например, ферменты, расщепляющие аминокислоты, моносахара, синтетазы).

Синтез ферментов генетически детерминирован, но регуляция их синтеза идет за счет прямой и обратной связи, т.е. для одних — репрессируется, а для других — индуцируется субстратом. Ферменты, синтез которых зависит от наличия соответствующего субстрата в среде (например, бета-галактозидаза, бета-лактамаза), называются индуцибельными.

Другая группа ферментов, синтез которых не зависит от наличия субстрата в среде, называется конститутивными (например, ферменты гликолиза). Их синтез имеет место всегда, и они всегда содержатся в микробных клетках в определенных концентрациях.

Изучают метаболизм бактерий с помощью физико-химических и биохимических методов исследования в процессе культивирования бактерий в определенных условиях на специальных питательных средах, содержащих то или иное соединение в качестве субстрата для трансформации. Такой подход позволяет судить об обмене веществ путем более детального изучения процессов различных видов обмена (белков, углеводов) у микроорганизмов. На основании этих особенностей бактерии имеют широко применение.