Подробное решение Раздел стр. 27 по биологии для учащихся 9 класса, авторов С.Г. Мамонтов, В.Б. Захаров, И.Б. Агафонова, Н.И. Сонин 2016
Вопрос 1. Что такое диссимиляция?
Совокупность реакции расщепления называют энергетическим обменом клетки или диссимиляцией. Диссимиляция прямо противоположна ассимиляции: в результате расщепления вещества утрачивают сходство с веществами клетки.
Вопрос 2. Изобразите схематично этапы энергетического обмена.
Энергетический обмен обычно делят на 3 этапа. Первый этап – подготовительный. На этом этапе молекулы ди- и полисахаридов, жиров, белков распадаются на мелкие молекулы – глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты, крупные молекулы нуклеиновых кислот – на азотистые основания – нуклеотиды. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде тепловой энергии.
Второй этап – бескислородный, или неполный. Он называется также анаэробным дыханием или брожением. Термин "брожение" обычно применяют по отношению к процессам, протекающим в клетке микроорганизмов или растений. Образующиеся на этом этапе вещества при участии ферментов вступают на путь дальнейшего расщепления. В мышцах, например, в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на 2 молекулы молочной кислоты (гликолиз). В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ.
Третий этап энергетического обмена – стадия аэробного дыхания, или кислородного расщепления. Реакции этой стадии энергетического обмена также катализируются ферментами. При доступе О к клетке образовавшиеся во время предыдущего этапа вещества окисляются до конечных продуктов – Н2О и СО2. кислородное дыхание сопровождается выделением большого количества энергии и аккумуляцией ее в молекулах АТФ.
Вопрос 3. В чём заключается роль АТФ в клетке?
Живые организмы могут использовать только химически связанную энергию. Каждое вещество обладает определенным запасом потенциальной энергии. Главными материальными носителями ее являются химические связи, разрыв или преобразование которых приводит к освобождению энергии. Энергетический уровень одних связей имеет величину 8—10 кДж — эти связи называются нормальными. В других связях заключена значительно большая энергия — 25—40 кДж — это так называемые макроэргические связи. Почти все известные соединения, обладающие такими связями, имеют в своем составе атомы фосфора или серы, по месту которых в молекуле и локализованы эти связи. Одним из соединений, играющих важнейшую роль в жизнедеятельности клетки, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) состоит из органического основания аденина (I), углевода рибозы (II) и трех остатков фосфорной кислоты (III). Соединение аденина и рибозы называется аденозином. Пирофосфатные группы имеют макроэргические связи, обозначенные значком ~. Разложение одной молекулы АТФ с участием воды сопровождается отщеплением одной молекулы фосфорной кислоты и выделением свободной энергии, которая равна 33—42 кДж/моль. Все реакции с участием АТФ регулируются ферментными системами.
Вопрос 4. В каких структурах клетки осуществляется синтез АТФ?
Синтез АТФ происходит в мембранах митохондрий в процессе дыхания, поэтому все ферменты и кофакторы дыхательной цепи, все ферменты окислительного фосфорилирования локализованы в данных органеллах.
Вопрос 5. Сравните известные вам типы питания организмов.
По способу получения органических веществ, т. е. по способу питания, все организмы делятся на две группы: автотрофные и гетеротрофные.
Вопрос 6. Какие организмы называют автотрофными? На какие группы делят автотрофные организмы?
Автотрофы – это организмы, которые способны сами синтезировать необходимые им органические вещества, получая из окружающей среды углерод в виде СO2, воду и минеральные соли. К ним относятся некоторые бактерии и все зелёные растения.
В зависимости от того, какой источник энергии автотрофные организмы используют для синтеза органических соединений, их делят на две группы: фототрофы и хемотрофы. Для фототрофов источником энергии служит свет, а хемотрофы используют энергию, освобождающуюся при окислительно-восстановительных реакциях.
Вопрос 7. Почему в результате фотосинтеза у зелёных растений в атмосферу выделяется свободный кислород?
Источником молекулярного кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза и выделяющегося в атмосферу, является фотолиз – разложение воды под влиянием света. Кроме фотолиза воды, энергия света используется в световой фазе для синтеза АТФ из АДФ и фосфата без участия кислорода. Это очень эффективный процесс: в хлоропластах образуется в 30 раз больше АТФ, чем в митохондриях тех же растений с участием кислорода. Таким путём накапливается энергия, необходимая для процессов связывания СO2.
Вопрос 8. Объясните, почему, несмотря на то что в процессе фотосинтеза синтезируется АТФ, фотосинтез относят к пластическому обмену.
Пластическим обменом называют совокупность реакций биохимического синтеза. Вследствие этих реакций из соединений, поступающих в клетку, образуются необходимые для нее вещества. Основные процессы пластического обмена - это биосинтез белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот, а также фотосинтез и хемосинтез. А так, как при фотосинтезе синтезируются органические вещества, то этот процесс относят к пластическому обмену.
Вопрос 9. Что такое хемосинтез? Расскажите о значении хемосинтезирующих бактерий в природе.
Хемосинтез — тип питания бактерий, основанный на усвоении СO2 за счет окисления неорганических соединений.
Многие виды бактерий, способные синтезировать необходимые им органические соединения из неорганических за счет энергии химических реакций окисления, происходящих в клетке, относятся к хемотрофам. Захватываемые бактерией вещества окисляются, а образующаяся энергия используется на синтез сложных органических молекул из CO2 и H2O. Этот процесс носит название хемосинтеза.
Важнейшую группу хемосинтезирующих организмов представляют собой нитрифицирующие бактерии. Исследуя их, С. Н. Виноградский в 1887 г. открыл процесс хемосинтеза.
Эти бактерии, обитая в почве, окисляют аммиак, образующийся при гниении органических остатков, до азотистой кислоты:
2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O + 653,5 кДж.
Затем бактерии других видов этой группы окисляют азотистую кислоту до азотной:
2HNO2 + O2 = 2HNO3 + 151,1 кДж.
Взаимодействуя с минеральными веществами почвы, азотистая и азотная кислоты образуют соли, которые являются важнейшими компонентами минерального питания высших растений.
Под действием других видов бактерий в почве происходит образование фосфатов, также используемых высшими растениями.
Существует несколько групп хемосинтезирующих бактерий, из которых наибольшее значение имеют нитрифицирующие, серобактерии и железобактерии.
Например, нитрифицирующие бактерии получают энергию для синтеза органических веществ, окисляя аммиак до азотистой, а затем до азотной кислоты, серобактерии — окисляя сероводород до сульфатов, водородные бактерии - окисляя водород до воды, а железобактерии — превращая закисные соли железа в окисные. Освобожденная энергия аккумулируется в клетках хемобактерий в форме АТФ. Процесс хемосинтеза, при котором из СO2образуется органическое вещество, протекает аналогично темновой фазе фотосинтеза. Благодаря жизнедеятельности бактерий-хемосинтетиков в природе накапливаются большие запасы селитры и болотной руды.
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, которые С.Н. Виноградский назвал нитросомонас (Nitrosomonas).
Водородные бактерии
2Н2 + O2 → 2Н2O + Q
Водородные бактерии окисляют водород , постоянно образующийся при анаэробном (бескислородном) разложении различных органических остатков микроорганизмами почвы . Хемосинтезирующие бактерии, окисляющие соединения железа и марганца , также открыл С.Н. Виноградский. Они чрезвычайно широко распространены как в пресных, так и в морских водоемах. Благодаря их жизнедеятельности на дне болот и морей образуется огромное количество отложенных руд железа и руд марганца . Академик В.И. Вернадский - основатель биогеохимии говорил о залежах железных и марганцевых руд как о результате жизнедеятельности этих бактерий в древние геологические периоды.
Железобактерии
4Fe(HCO3)2 + 6H2O + O2 → 4Fe(OH)3 + 4H2CO3 +4CO2 + Q
При этой реакции энергии выделяется немного, поэтому железобактерии окисляют большое количество закисного железа
Вопрос 10. Какие организмы называют гетеротрофными? Приведите примеры.
Организмы, не способные сами синтезировать органические вещества из неорганических, нуждаются в поступлении их из окружающей среды. Эти организмы называют гетеротрофными. К ним относят большинство бактерий, грибы и всех животных.