Видеоурок биология 9 класс энергетический обмен способы питания

Обмен веществ. Энергетический обмен

Урок 19. Подготовка к ЕГЭ по биологии

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Обмен веществ. Энергетический обмен»

Все организмы, обитающие на Земле, являются открытыми системами, так как между ними и окружающей средой постоянно идёт обмен энергией и веществом.

Часть веществ, которая поступает в клетку используется для получения и запасания энергии, а ещё одна часть для построения и воспроизведения клеточных структур.

Процессы поступления, переваривания, всасывания и усвоения питательных веществ называют питанием. В процессе питания организмы получают химические вещества, которые используются для всех процессов жизнедеятельности.

По способу получения органических веществ все организмы делятся на автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы могут сами синтезировать необходимые им органические вещества, получая из окружающей среды углерод (в виде углекислого газа), воду и минеральные вещества.

К автотрофам можно отнести большую часть высших растений (за исключением растений, которые не имеют хлорофилла или растений, которые могут поддерживать свою жизнь за счёт других организмов), а также водоросли и бактерии.

Роль в природе автотрофов очень велика: только они могут оказаться первичными продуцентами (организмами, синтезирующими органические вещества из неорганических), которые потом используются всеми живыми организмами — гетеротрофами для поддержания жизни (питания).

Гетеротрофы, в отличие от автотрофов не могут сами синтезировать весь набор необходимых им для жизнедеятельности органических веществ.

Поэтому они поглощают из окружающей среды нужные им соединения, произведённые другими организмами. Затем из полученных органических веществ они строят собственные белки, липиды и углеводы.

Все реакции биосинтеза веществ и их последующая сборка в более крупные структуры называются ассимиляцией или анаболизмом. Ещё одно название этого набора реакций — пластический обмен. Для этих процессов требуется затрата энергии.

Особенно интенсивный биосинтез веществ происходит в период развития и роста организмов. Вся жизнедеятельность требует огромного количества энергетических затрат.

Например, в нервных клетках энергия идёт на биоэлектрические процессы. Разряд электрического ската — яркое проявление их.

Энергию для всех процессов жизнедеятельности поставляют процессы диссимиляции — это совокупность реакций распада, которые сопровождаются выделением и запасанием энергии. Процессы диссимиляции, также называют катаболизмом или энергетическим обменом.

В организме животного при диссимиляции богатые энергией органические вещества превращаются в углекислый газ, воду и другие энергетически бедные соединения.

Ассимиляция и диссимиляция — это противоположные процессы. В первом случае происходит образование веществ, на что тратиться энергия. А во втором ― распад веществ с выделением и запасанием энергии. Эти процессы невозможны друг без друга. Таким образом, реакции ассимиляция и диссимиляция — это две стороны единого процесса обмена веществ и энергии в клетке, который называется ― метаболизмом.

Реакции метаболизма в живых организмах проходят очень быстро благодаря действию ферментов и АТФ.

Все ферменты ― вещества белковой природы.

Одни ферментные системы направляют процессы биосинтеза. Этот процесс требует затрат энергии.

Другие ферментные системы регулируют распад и окисление веществ. При этих реакциях энергия выделяется.

Как переходит энергия от одной группы реакций к другой? Роль поставщика этой энергии выполняет аденозинтрифосфорная кислота — АТФ.

Молекула АТФ, как вы помните, содержит 3 остатка фосфорной кислоты. Химические связи между остатками богаты энергией.

Под действием очередного фермента от молекулы АТФ отщепляется 1 или 2 остатка фосфорной кислоты. Такие реакции сопровождаются высвобождением большого количества энергии.

После отрыва одного остатка фосфорной кислоты АТФ превращается в АДФ ― аденозин дифосфорную кислоту. АДФ может соединится с фосфорной кислотой и перейти в АТФ.

На эту реакцию затрачивается энергия, которая была выделена в процессе диссимиляции, то есть в реакциях расщепления органических веществ в клетке.

У растений в хлоропластах АТФ образуется при фотосинтезе за счёт энергии света.

В митохондриях животных клеток АТФ синтезируется за счёт энергии окислительных процессов.

Итак, ферментные системы катализируют цепи процессов обмена веществ.

АТФ связывает реакции ассимиляции и диссимиляции.

Как мы уже говорили, реакции диссимиляции называются энергетическим обменом. Энергетический обмен, или диссимиляция, может проходить в два или три этапа.

Количество этапов зависит от того относиться организм к аэробам или ― анаэробам. Вы помните, что аэробы используют в процессе обмена веществ кислород из окружающей среды. А анаэробы обитают в бескислородной среде и не нуждаются в кислороде.

У аэробов ― энергетический обмен происходит в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный.

У анаэробов ― в два этапа: подготовительный и бескислородный.

В двухэтапном варианте энергетического обмена энергии запасается гораздо меньше, чем в трёхэтапном.

Рассмотрим этапы энергетического обмена. Подготовительный этап.

У многоклеточных животных процессы подготовительного этапа диссимиляции совершаются в органах пищеварения.

Происходит расщепление крупных органических молекул до более простых ― питательных веществ. Полимерные углеводы превращаются в глюкозу. Белки ― в аминокислоты. Жиры ― в глицерин и жирные кислоты. Продукты расщепления пищевых веществ всасываются в кровь и приносятся ко всем клеткам организма.

Все эти процессы составляют подготовительную стадию энергетического обмена. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая не запасается в молекулах АТФ и рассеивается в виде тепла.

Наступает второй этап энергетического обмена — бескислородный. Он заключается в ферментативном расщеплении органических веществ, которые были получены в ходе подготовительного этапа.

Как же освобождается в клетки энергия, заключённая в питательных веществах?

Основным источником энергии для процессов жизнедеятельности является глюкоза. Однако глюкоза не поддаётся ферментативному окислению. Поэтому в системе ферментов мембран эндоплазматической сети происходит сначала активирование глюкозы за счёт энергии АТФ.

Затем в цитоплазме клеток наступает многоступенчатый процесс бескислородного расщепления глюкозы, до двух молекул трехуглеродной пировиноградной кислоты.

Это неполное бескислородное окисление глюкозы называется гликолизом.

Итак, каждая молекула глюкозы под действием ферментов расщепляется на 2 меньшие молекулы пировиноградной кислоты, которые становятся доступными для окисления.

На данном этапе на каждую молекулу глюкозы выделяется уже 200 кДж энергии.

Из них 80 кДж сберегается (по 40 кДж на 1 АТФ).

Вы помните, что для того, чтобы превратить АДФ в АТФ необходимо затратить 40 кДж.

Поэтому 80 кДж достаточно для превращения двух молекул АДФ в 2 молекулы АТФ. А 120 кДж образовавшейся при расщеплении глюкозы ― рассеивается в виде тепла.

Итак, в процессе гликолиза образуется 2 АТФ. Благодаря многостадийности гликолиза выделяющиеся небольшие порции тепла не успевают нагреть клетку до опасного уровня.

Далее пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту ― это основной продукт второго этапа энергетического обмена.

В большинстве растительных клеток, а также в клетках некоторых грибов (например, дрожжей) вместо гликолиза происходит спиртовое брожение, где молекула глюкозы в анаэробных условиях превращается в этиловый спирт и углекислый газ.

Существуют и такие микроорганизмы, в клетках которых в бескислородных условиях образуется не молочная кислота и не этиловый спирт, а, например, уксусная кислота. Однако во всех случаях распад одной молекулы глюкозы приводит к запасанию двух молекул АТФ.

У аэробных организмов после гликолиза следует третий этап энергетического обмена — кислородный. Это полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание.

Этот процесс происходит на кристах митохондрий клетки, где образовавшиеся в процессе второго этапа вещества (молочная кислота, этиловый спирт, например) окисляются до конечных продуктов углекислого газа и воды.

Рассмотрим кислородный этап более подробно.

Вы помните, что главной функцией митохондрий является захват высокомолекулярных веществ из цитоплазмы и их окислительное расщепление с образованием углекислого газа и воды, связанное с синтезом АТФ.

Здесь на кристах митохондрий пировиноградная кислота превращается в ацетил-кофермент А. Сокращённо ацетил-КоА ─ это важное соединение в обмене веществ, которое используется во многих биохимических реакциях.

Ацетил-КоА является основным субстратом, который необходим для реакций цикла трикарбоновых кислот — цикла Кребса.

Ацетил-КоА доставляет атомы углерода с ацетил-группой в цикл трикарбоновых кислот (или цикл Кребса), чтобы те были окислены с выделением энергии.

Цикл Кребса проходит так же внутри митохондрий. Это очень сложный ряд последующих реакций ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме. Цикл трикарбоновых кислот является промежуточным этапом между гликолизом и электронтранспортной (дыхательной) цепью.

В ходе цикла Кребса ацетильные остатки (остатки ацетил-КоА) окисляются до углекислого газа. При этом за один цикл образуется 2 молекулы углекислого газа, 3 НАДН (читается НАДаш), 1 ФАДН2 (ФАД аш 2) (не читать) и 1 АТФ.

Итак, в процессе гликолиза и цикла кребса образуются необходимые молекулы НАДН, которые переносят водороды из одной реакции в другую. Водороды, находящиеся на НАДН и ФАДН2 (над аш и фад аш два), в дальнейшем переносятся на дыхательную цепь, где образуется АТФ.

Итак, на мембране митохондрии атомы водорода, полученные от НАДН и ФАДН2, разделяются на протоны (аш с плюсом) и электроны. Электроны начинают проходить через комплексы 1,2,3,4 это белки, которые встроены в мембрану.

А протоны водорода переносятся через комплексы и накапливаются в межмембранном пространстве. В результате чего и образуется градиент концентрации протонов, необходимый для синтеза молекулы АТФ.

Вы помните, что протоны при прохождении через АТФ-синтазу, помогают образованию самой АТФ.

Итак, на третьем этапе в митохондриях при клеточном дыхании (кислородном процессе) 2 молекулы пировиноградной кислоты окисляются до углекислого газа, воды и 36 молекул АТФ. То есть при полном расщеплении 1 молекулы глюкозы в итоге образуется 38 молекул АТФ.

Невидимые нашему глазу биохимические превращения в клетках составляют основу существования всех живых организмов.

В результате биохимических реакций в клетке происходит синтез универсального для всего органического мира вещества ― АТФ, которая обеспечивает энергией любое проявление жизни.

Источник

Энергетический обмен в клетке

Урок 17. Введение в общую биологию и экологию 9 класс ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Энергетический обмен в клетке»

Для нормального существования живого организма необходим постоянный обмен веществами, между живым организмом и окружающей средой. Пища как известно строительный и энергетический материал.

Из поступивших в клетку компонентов пищи, то есть белков жиров и углеводов под действием биологических катализаторов-ферментов, синтезируются новые молекулы. Возобновляются разрушенные белки, строятся клетки, бегут по нервам импульсы, сокращаются мышцы, работают все системы органов. Для их работы требуется энергия.

То есть поступившие вещества расщепляются до более простых, а затем из них строятся сложные высокомолекулярные соединения (белки, нуклеиновые кислоты, липиды, полисахариды и другие), те вещества, которые необходимы какому-то органу или системе организма.

Все реакции синтеза органических веществ называются ассимиляцией или пластическим обменом. Эти процессы идут с затратой энергии.

В ходе ассимиляции простые вещества, превращаются в сложные.

Вот растения, например, миллионы лет тому назад научились улавливать лучи света и тем самым напрямую используют солнечную энергию.

А у животных и человека энергия извлекается при расщеплении сложных высокомолекулярных соединений, тех, которые образовались в процессе ассимиляции.

Так наряду с процессами биосинтеза новых веществ идут процессы распада (диссимиляции) запасённых при ассимиляции сложных органических веществ.

Данные вещества расщепляются до более простых, при этом высвобождается энергия.

Итак, совокупность всех этих реакций распада, которые сопровождаются выделением энергии носит название энергетического обмена или диссимиляции. Эти выражения слова синонимы.

Итак, образование новых веществ называют ассимиляцией, а распад образовавшихся при ассимиляции высокомолекулярных веществ с образованием энергии называют диссимиляцией. Данные процессы взаимосвязаны и зависят друг от друга.

Рассмотрим процесс энергетического обмена. Когда высокомолекулярные вещества расщепляются до более простых с выделением энергии.

Образовавшаяся при распаде сложных веществ энергия запасается в виде АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты).

Аденозинтрифосфорная кислота — это нуклеотид…который содержит, азотистое основание аденин, углевод рибозу, и 3 остатка фосфорной кислоты. При разрыве фосфатных связей энергия высвобождается.

Продолжительность жизни АТФ меньше минуты так как АТФ – это неустойчивая структура. Её фосфорные остатки постоянно отщепляются и присоединяются, отдавая организму энергию.

При отделении одного остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в аденозин дифосфат (АДФ). И высвобождается 40 кДж энергии.

А если отделяется ещё один остаток, то АДФ переходит в аденозинмонофосфат (АМФ).

Чаще всего в организме происходит отщепление только одного фосфорного остатка так это наиболее выгодный вариант. АТФ универсальный источник энергии для всех реакций, протекающих в клетке.

Если представить молекулу АТФ как аккумулятор, то при отщеплении фосфорных остатков от АТФ высвобождается энергия и аккумулятор разряжается.

А как же его зарядить? У растений он заряжается при помощи процессов дыхания и фотосинтеза. А у животных и человека при дыхании и гликолизе.

Рассмотрим подробнее как же происходит зарядка «аккумулятора» АТФ.

Источником энергии у всех организмов как мы уже сказали являются сложные органические вещества. А вот извлечь данную энергию достаточно сложно и эти процессы у организмов проходят в несколько этапов.

Этот процесс у аэробов проходит в три этапа: подготовительный, бескислородный, кислородный.

В организмах, которые обитают в бескислородной среде и не нуждаются в кислороде для энергетического обмена – анаэробах, при недостатке кислорода энергетический обмен проходит в два этапа: подготовительный и бескислородный.

Этапы энергетического обмена

Первый этап подготовительный.

У человека и животных он проходит в органах пищеварения, а у одноклеточных организмов в фагосомах клеток. Сложные органические соединения расщепляются с помощью ферментов до более простых белки – до аминокислот, полисахариды распадаются на ди- и моносахариды, а липиды (жиры) расщепляются до глицерина и жирных кислот.

Главным источником энергии в клетке является глюкоза.

Большинство клеток в первую очередь используют углеводы, а жиры остаются в первом резерве и используются по окончанию запаса углеводов.

Хотя есть и исключения: например, в клетках скелетных мышц при наличии жирных кислот и глюкозы предпочтение отдаётся жирным кислотам. Белки расходуются в последнюю очередь, когда запас углеводов и жиров будет исчерпан – например при длительном голодании.

Рассмотрим этапы энергетического обмена на примере глюкозы.

Итак, в органах пищеварения крахмал постепенно расщепляется до глюкозы.

В процессе этого расщепления высвобождается не очень много энергии, около 5 кДж и она рассеивается в виде тепла. Это именно то тепло которое мы ощущаем после приёма пищи.

На данном этапе АТФ не образуется. То есть заряда нашего аккумулятора (запаса энергии) не происходит.

Образовавшаяся глюкоза поступает в клетки и тут начинается второй этап энергетического обмена.

Этот этап идёт без участия кислорода его называют гликолизом (гликос от греческого –сладкий, лизис расщепление) – то есть этап расщепления глюкозы.

Гликолиз происходит в цитоплазме клеток.

Затем каждая молекула глюкозы расщепляется на 2 молекулы пировиноградной кислоты.

Пировиноградная кислота — является конечным продуктом метаболизма глюкозы в процессе гликолиза.

Которая во многих клетках превращается в молочную кислоту.

На данном этапе выделяется уже 200 кДж на каждую молекулу глюкозы. Из них 80 кДж сберегается (по 40 кДж на 1 АТФ). Вы помните, что для того что бы превратить АДФ в АТФ необходимо затратить 40 кДж. Поэтому 80 кДж достаточно для превращения двух молекул АДФ в 2 молекулы АТФ. А 120 кДж образовавшийся при расщеплении глюкозы рассеивается в виде тепла. В итоге на втором этапе энергетического обмена наша батарея заряжается на 2 АТФ.

Благодаря многостадийности гликолиза выделяющиеся небольшие порции тепла не успевают нагреть клетку до опасного уровня.

У некоторых грибов (дрожжей например) второй этап энергетического обмена представлен спиртовым брожением.

При спиртовом брожении у дрожжей образуется этиловый спирт, углекислый газ, вода и так же 2 молекулы АТФ.

Все продукты брожения широко используются в практической деятельности человека, например, кисломолочные бактерии сбраживают молекулу глюкозы до молочной кислоты. Так получаются кисломолочные продукты.

У человека, например, во время интенсивных физических нагрузок, пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту, где также образуется только 2 АТФ.

То есть интенсивно работающие мышцы берут энергию не за счёт процессов дыхания. А за счёт процессов гликолиза.

Во время интенсивных физических нагрузок уровень поступления молочной кислоты превышает уровень её удаления, она накапливается в тканях и вызывает жжение.

При отдыхе и умеренной нагрузке организм предпочитает расщеплять жиры для получения энергии.

При нагрузках в 50 % от максимума организм перестраивается на преимущественное потребление углеводов. Чем больше углеводов вы используете в качестве топлива, тем больше производство молочной кислоты.

Существует распространённый миф о молочной кислоте. Многие считают, что боль в мышцах после тренировок возникает в результате накопления большого количества молочной кислоты. Это не так, поскольку большая часть молочной кислоты выводится из мышц сразу после тяжёлого упражнения, а остатки в течение часа после тренировки. Она вызывает небольшое жжение во время самой тренировки. А болевые ощущения, которые возникают на следующий день, связаны с мышечными микротравмами, получаемыми во время работы. Чем интенсивнее работа, тем больше повреждения, тем сильнее будут болеть мышцы во время восстановления.

Также современные исследования говорят о том, что молочная кислота полезна для роста мышц. Она вызывает расширение сосудов, улучшая кровоток, и позволяя лучше транспортировать кислород.

Итак, мы остановились на втором этапе энергетического обмена –бескислородном расщеплении глюкозы до 2х молекул пировиноградной кислоты, который проходи в цитоплазме клеток.

Если кислорода в организме достаточно, то пировиноградная кислота поступает в митохондрии.

Начинается третий этап энергетического обмена – который называется клеточным дыханием. Он проходит на кристах митохондрий.

Главной функцией митохондрий является захват богатых энергией субстратов (жирных кислот, углеродного скелета аминокислот и других высокомолекулярных веществ) из цитоплазмы и их окислительное расщепление с образованием углекислого газа и воды, связанное с синтезом АТФ.

Здесь на кристах митохондрий пировиноградная кислота превращается в ацетил-кофермент А. Сокращённо ацетил-КоА ─ это важное соединение в обмене веществ, используемое во многих биохимических реакциях.

Его главная функция — доставлять атомы углерода с ацетил-группой в цикл трикарбоновых кислот (или цикл Кребса), чтобы те были окислены с выделением энергии.

То есть ацетил Коа является основным субстратом, который необходим для реакций цикла трикарбоновых кислот – цикла Кребса. Данный цикл проходит внутри митохондрий.

Это очень сложный ряд последующих реакций. Цикл трикарбоновых кислот — ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме. Он является промежуточным этапом между гликолизом и электронтранспортной (дыхательной) цепью.

В ходе цикла Кребса ацетильные остатки (остатки кофермента А) окисляются до углекислого газа.

При этом за один цикл образуется 2 молекулы углекислого газа, 3 НАДН, 1 ФАДН2 (ФАД аш 2) и 1 ГТФ (или АТФ).

Итак, в процессе гликолиза и Цикла Кребса образуются необходимые молекулы (НАДН).

НАДН переносят водороды из одной реакции в другую. НАД+ забирает водород и восстанавливается, а НАДН отдаёт и окисляется.

Водороды, находящиеся на НАДН и ФАДН2, в дальнейшем переносятся на дыхательную цепь, где образуется АТФ.

Итак, на мембране митохондрии атомы водорода, полученные от НАДН и ФАД, разделяются на протоны и электроны. Электроны начинают проходить через комплексы 1,2,3,4. Это белки, которые встроены в мембрану.

А протоны водорода переносятся через комплексы и накапливаются в межмембранном пространстве.

В результате чего и образуется градиент концентрации протонов необходимый для синтеза молекулы АТФ.

Вы помните, что протоны при прохождении через АТФ-синтазу помогают образованию самой АТФ.

Синтез АТФ рассматривали при изучении строении митохондрий.

На втором этапе энергетического обмена при гликолизе (бескислородном процессе) 1 молекула глюкозы расщепляется на 2 молекулы пировиноградной кислоты и образуется только 2 АТФ.

А на третьем этапе в митохондриях при клеточном дыхании (кислородном процессе) 2 молекулы пировиноградной кислоты окисляются до углекислого газа, воды и 36 молекул АТФ.

При полном расщеплении 1 молекулы глюкозы в итоге образуется 38 молекул АТФ в случае с растениями, а в случае с животными 36 молекул АТФ и 2 ГТФ.

Источник