Обеспечение клеток энергией

1.

Обеспечение клеток энергией
Фотосинтез
Хемосинтез

2.

Группы организмов в зависимости от питания

3.

Одна из сторон жизни клетки – энергообеспечение
Являясь открытыми системами, клетки используют внешние
источники разных видов энергии:
1энергию пищи
2 энергию света
Эта энергия предварительно преобразуется в универсальную
форму АТФ, которая затем используется на различные
процессы, протекающие в клетке.
Механизмы такого преобразования – дыхание и брожение.
В ходе этих процессов происходит окислительное
фосфорилирование.
- В чём сущность реакций фосфорилирования?
Ещё один способ запасания энергии АТФ, происходящее в
клетках растений, бактерий-фотосинтетиков, цианобактерий.
В этом процессе используется энергия света
Фотосинтез – совокупность физических и химических
процессов, в ходе которых происходит преобразование энергии
света в энергию химических связей органических веществ.

4.

Фотосинтез
Фотосинтез - процесс образования органических веществ из
СО2 и Н2О за счет энергии света, при этом выделяется О2.
6СО2 + 6Н2О + Q света С6Н12О6 + 6О2
Главным органом фотосинтеза является лист, в клетках
которого имеются специализированные органоиды,
ответственные за фотосинтез - хлоропласты

5.

У фотосинтезирующих организмов можно выделить пигменты:
Хлорофиллы:
• Хлорофилл а - у большинства фотосинтезирующих организмов
• Хлорофилл b - у высших растений и зелёных водорослей
• Хлорофилл c - у бурых водорослей
• Хлорофилл d - у некоторых красных водорослей
•Эти виды хлорофилла отличаются спектрами поглощения.
•Высшие растения и водоросли содержат в качестве основного
пигмента Хлорофилл a
•В качестве дополнительного:
- Хлорофилл b - зелёные водоросли
- Хлорофилл с - бурые и диатомовые водоросли
- Хлорофилл d - красные водоросли
Хлорофилл имеет две основные линии поглощения в красных
и сине-фиолетовых лучах.
При этом максимум поглощения :
1) Хлорофилл а имеет максимум поглощения 429 и 660 нм
2) Хлорофилл b имеет максимум поглощения 453 и 642 нм

6.

У фотосинтезирующих организмов можно выделить
пигменты способные поглощать различные спектры
света и также встроенные в мембраны тилакоидов:
Каротиноиды - природные органические пигменты,
окрашены в жёлтый, оранжевый или красный цвета.
• Каротины и ксантофиллы – есть у всех
фотосинтезирующих организмов, кроме прокариот
• Фикобилины - красные и синие пигменты красных
водорослей.
•Антоцианы - пигменты, находящиеся в вакуолях а не
в хлоропластах - не принимают участие в фотосинтезе.

7.

Каротиноиды - жирорастворимые пигменты желтого,
оранжевого, красного цвета - присутствуют в хлоропластах всех
растений.
Они входят также в состав хромопластов не зеленых частях
растений, например в корнеплодах моркови.
В зеленых листьях каротиноиды обычно незаметны из-за
присутствия хлорофилла, но осенью, когда хлорофилл
разрушается, именно каротиноиды придают листьям
характерную желтую и оранжевую окраску.

8.

У фотосинтезирующих организмов можно выделить пигменты
способные поглощать различные спектры света и также
встроенные в мембраны тилакоидов:
К каротиноидам относятся три группы соединений:
1)оранжевые или красные пигменты каротины
2)желтые ксантофиллы
3)каротиноидные кислоты
Каротиноиды выполняют ряд функций:
1)участие в поглощении света в качестве дополнительных
пигментов (поглощающих свет в сине-фиолетовой и синей
частях спектра)
2)защита молекул хлорофиллов от необратимого
фотоокисления.
Каротиноиды принимают участие в кислородном обмене при
фотосинтезе.
Спектры поглощения каротиноидов
характеризуются двумя полосами в фиолетово-синей и синей
области от 400 до 500 нм.

9.

У фотосинтезирующих организмов можно выделить пигменты
способные поглощать различные спектры света и также
встроенные в мембраны тилакоидов:
Фикобилины делятся на три основные группы:
1)фикоэритрины - белки красного цвета с максимумом поглощения от 498 до
568 нм
2)фикоцианины - сине-голубые белки с максимумами поглощения от 585 до
630 нм
3) аллофикоцианины – синие - белки с максимумами поглощения до 650 нм
Значение фикобилинов :
Максимумы поглощения света у фикобилинов находятся между двумя
максимумами поглощения у хлорофилла:
в оранжевой, желтой и зеленой частях спектра.
На глубине:
1)34 м в морях и океанах полностью исчезают красные лучи
2)177 м – полностью исчезают желтые лучи
3)322 м – полностью исчезают зеленые
4)На глубине свыше 500 м не проникают даже синие и фиолетовые лучи
В связи с таким изменением качественного состава света в верхних слоях
морей и океанов обитают преимущественно зеленые водоросли, глубже синезеленые и еще глубже - водоросли с красной окраской.

10.

Энергия поглощенная вспомогательными пигментами
Хлорофилл b и с, каротиноидами и фикобилинами) переносится
на Хлорофилл а
Заместить его другие пигменты не могут!!!

11.

Хлорофилл
Хлорофиллы выполняют функции поглощения, преобразования и
транспорта энергии света
Хлорофиллы поглощают свет в областях спектра :
1)синей – 430-460 нм
2)красной -650-700 нм
Зелёную область спектра хлорофиллы эффективно отражают, что придаёт
растению зелёный цвет
Строение молекулы хлорофилла схоже со строением гемоглобина, но
центром молекулы хлорофилла является ион магния, а не железа
Основными хлорофиллами высших растений являются Хлорофилл a и
Хлорофилл b, они входят в состав реакционных центров фотосистем и
светособирающих комплексов (ССК)мембран тилакоидов хлоропластов.
Светособирающие комплексы улавливают кванты света и передают энергию
к Фотосистемам I и II.
Фотосистемы - это пигмент-белковые комплексы

12.

Хлорофилл а - наиболее часто встречающийся
пигмент фотосинтеза
Он существует в нескольких формах, в зависимости от
расположения в мембране.
Каждая форма едва отличается по положению пика адсорбции в
красной области; например, значения максимума могут
составлять 670, 680, 690 или 700 нм.

13.

14.

Свет
Свет - фактор, поставляющий энергию для
жизнедеятельности фотоавтотрофных организмов и
обеспечивающий синтез основной части органического
вещества на Земле и поддерживающий определенную
температуру на поверхности Земли.

15.

Свет
Для живых организмов наиболее важны свет:
1 ультрафиолетовой части спектра
2 видимый свет
3 инфракрасное излучение
Жесткий ультрафиолет с длиной волны менее 290 нм
губителен для живых клеток, до поверхности Земли не
доходит, так как отражается озоновым экраном.

16.

Свет
Мягкий ультрафиолет с длиной волны
от 290 до 380 нм несет много энергии и
вызывает образование витамина D в
коже человека, он же воспринимается
органами зрения многих насекомых.
Видимый свет с длиной волны от 380
до 750 нм используется для
фотосинтеза фототрофными
организмами - растениями,
фотосинтезирующими бактериями,
сине-зелеными и животными для
ориентации.
Для фотосинтеза используются синие и красные лучи света

17.

Свет
Инфракрасная часть солнечного спектра - тепловые лучи с
длиной волны более 750 нм вызывает нагревание предметов,
особенно важна эта часть спектра для животных с
непостоянной температурой тела - пойкилотермных.
Количество энергии, которое несет свет обратно
пропорционально длине волны, то есть меньше всего энергии
несут инфракрасные лучи.

18.

Рисунок из учебника ПЕТРОСОВОЙ
Общая схема фотосинтеза

19.

Фотосистема – это совокупность фотосинтетических пигментов
( около 250-400 молекул) погруженных в мембраны тилакоидов
и представляющие собой функциональные единицы
перенос электронов
источник света
главный
акцептор
электронов
молекула хлорофилла
способная использовать
поглощенную энергию
света в фотохимических
реакциях
источник
света
транспорт энергии
реакционный
центр
антенные пигменты
(собирают свет и направляют его в
реакционный центр)

20.

Светособирающие комплексы(ССК)
1)Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачи энергии
2)Хлорофилл входит в состав светособирающих комплексов, выполняющих
роль антенны, передающей энергию к реакционному центру Фотосистемы II
3)Помимо Хл, в светособирающем комплексе имеются каротиноиды, а у
некоторых водорослей и цианобактерий - фикобилины – их роль поглощение света тех длин волн, которые хлорофилл поглотить не может
4)Передача энергии идёт резонансным путём
5)Передача сопровождается некоторыми потерями энергии
6)Из-за потерь энергии происходит ее переход - от пигмента с максимумом
поглощения энергии
7)Светособирающий комплекс растений расположен в
мембранах тилакоидов
8)У цианобактерий основная его часть вынесена за пределы мембран в
прикреплённые к ним фикобилисомы

21.

Светособирающие комплексы
1)фикоэритрины - с максимумом поглощения при 495-565 нм
2)фикоцианины - 550-615 нм
3)аллофикоцианины - 610-670 нм, последовательно
передающие энергию на хлорофилл a – 680 -700 реакционного
центра.
свет
Пигментные молекулы
в антенном комплексе
Хлорофилл реакционного центра
Постепенное уменьшение энергии

22.

ССК - Фотосистемы
свет
Светособирающие
пигменты
е
е
Р

23.

Фотосистема II
Фотосистема - совокупность светособирающего комплека,
фотохимического реакционного центра и переносчиков
электрона.
Фотосистема II содержит 200 молекул хлорофилла a, 100
молекул хлорофилла b, 50 молекул каротиноидов.
Реакционный центр Фотосистемы II представляет собой
пигмент-белковый комплекс, расположенный
в тилакоидных мембранах и окружённый светособирающим
комплексом.
В нём находится димер хлорофилла-a с максимумом
поглощения при 680 нм - Р680.
На него передаётся энергия кванта света из светособирающего
комплекса, в результате чего один из электронов переходит на
более высокое энергетическое состояние, связь его с ядром
ослабляется, и возбуждённая молекула Р680 становится
сильным восстановителем – отдает электрон

24.

Фотосистема II
1)Димер хлорофилла a - Р680+, от которого оторвали электрон
через цепь окислительно-восстановительных реакций
вызывает окисление Н2О и сам восстанавливается получив
электрон от Н2О
2)Окисляя Н2О, Фотосистема II поставляет электроны в
электрон-транспортную цепь хлоропласта
3) Эти электроны используются для
восстановления НАДФ+ или циклического фосфорилирования.
Окисление Н2О приводит к образованию протонов Н + и
формированию протонного градиента, используемого в
дальнейшем для синтеза АТФ.
При окислении Н2О выделяется О2
Этот процесс является основным источником О2 на Земле.

25.

Фотосистема II
Суммарный результат работы ФС II - это окисление 2 Н2О с
помощью 4 квантов света с образованием 4Н + во
внутритилакоидном пространстве
Цитохром-комплекс - это насос, перекачивающий из стромы Н +
во внутритилакоидное пространство.

26.

Фотосистема I
Светособирающий комплекс I содержит примерно 200 молекул
хлорофилла.
В реакционном центре Фотосистемы I находится димер
хлорофилла a с максимумом поглощения при 700 нм - Р700

27.

Фотосистемы
Внутри тилакоида
Фотосистема II
Фотосистема I
Снаружи тилакоида

28.

29.

30.

Фотосистема I и Фотосистема II
Строма
hv
hv
Строма
НАДФ*2Н
АТФ
hv
е
е
е
мембрана
Н+
тилакоида
е
Н+
Н+
Н+
Ф II
Р680
Электрон
транпортная
цепь
е
ФI
Р700
Молекулы
переносчики
Внутритилакоидное пространство
Н+ АДФ
Канал АТФ синтетаза

31.

32.

Фотосинтез
В процессе фотосинтеза
различают две фазы:
световую и темновую.
Световая фаза
происходит только на
свету в мембранах
тилакоидов.
Мембраны тилакоида
содержат молекулы
хлорофилла, белки цепи
переноса электронов и
особые ферменты АТФ-синтетазы.

33.

Световая фаза фотосинтеза
Более древняя фотосистема появилась у фотосинтезирующих
зеленых бактерий - Фотосистема-1.
Она способна отбирать электроны и протоны у Н2S , при этом
не происходит выделения О2:
СО2 + 2Н2S + световая энергия углевод + Н2О + 2S

34.

Световая фаза фотосинтеза
У сине-зеленых - цианобактерий, а затем у всех настоящих
растений, кроме Фотосистемы-1, появляется Фотосистема-2,
способная разлагать воду с выделением О2 способная отбирать
электроны у водорода Н2О:
СО2 + 2Н2О + световая энергия углевод + Н2О + О2
Сравните: у зеленых и пурпурных бактерий:
СО2 + 2Н2S + световая энергия углевод + Н2О + 2S

35.

Световая фаза фотосинтеза
Схема из ЕГЭ-2023

36.

Путь переноса электронов называется Z-схемой
1)Квант света попадает на ФII ( Р-680) приводит к возбуждению пигментов –
это возбуждение передается от одной молекулы антенного пигмента к
другой вплоть до реакционного центра
2) Электрон, поглотив hν, открывается от молекулы Хл и переходит на более
высокий энергетический уровень – присоединяясь к молекулам
переносчикам
3) Затем он двигается по электронтранспортной цепи переходя от одного
переносчика к другому( от пластохинона к пластоцианину) постепенно
растрачивая энергию
4)Часть этой энергии растрачивается на синтез АТФ

37.

Нециклическое фосфорилирование
1)Переносчики передают электрон на ФI, при этом он
приходит на ФI уже растратив энергию
2) Электрон опять поглощает hν – фотон света и снова
поднимается на более высокий энергетический
уровень
3) Электрон проходит через несколько
переносчиков(ферредоксин) и передается конечному
акцептору цепи НАДФ+, который расположен на
внешней стороне мембраны тилакоида

38.

Фотолиз воды
1)Поглотив hν – фотон электроны отрываются от
молекул Хл реакционного центра ФII и через ФI
переходят к НАДФ+
2) Пока на место ушедшего электрона в ФII не встанет
другой электрон, ФII дальше функционировать не
сможет
3)Место ушедших электронов занимают электроны
Н2О, которая находится во внутреннем
пространстве тилакоида
4) При этом происходит светозависимое разложение
Н2О
Н2О
2Н+ + 2е +1/2 О2

39.

Световая фаза фотосинтеза
Когда разность потенциалов
между наружной и внутренней
сторонами мембраны тилакоида
достигает 200 мВ, срабатывает
фермент АТФ-синтетаза, протоны
проталкиваются в строму через
его канал и происходит
фосфорилирование АДФ до АТФ.
Электроны, с помощью переносчиков попавшие на Фотосистему-1
передаются на ее реакционный центр - Р-700, выбиваются на внешнюю
поверхность мембраны тилакоида, где их энергия используется для
восстановления переносчика водорода НАДФ∙Н2.
Если не хватает АТФ, то электроны вновь передаются на молекулы
переносчиков и их энергия затрачивается на пополнение протонного
резервуара, то есть, в конечном счете, на синтез АТФ АТФ-синтетазой.
Итог световой фазы: фотолиз воды, который сопровождается тремя
важнейшими процессами: 1 - образованием кислорода; 2 - образованием
АТФ; 3 - образованием НАДФ·2Н.

40.

Световая фаза фотосинтеза
Итог световой фазы: фотолиз воды, который сопровождается
тремя важнейшими процессами:
1 - образование кислорода
2 - образование АТФ
3 - образование НАДФ·2Н.

41.

42.

Темновая фаза фотосинтеза
Темновая фаза протекает в строме хлоропласта. Для
ее реакций не нужна энергия света. Происходит
фиксация СО2, содержащегося в воздухе, причем
акцептором СО2 является пятиуглеродный сахар
рибулозобисфосфат.

43.

Темновая фаза фотосинтеза
М.Кальвин показал, как происходит образование углеводов в
темновую фазу фотосинтеза. Происходит поглощение СО2 и
карбоксилирование пятиуглеродного сахара
рибулозобисфосфата с образованием 6-С соединения.
Происходит цикл реакций Кальвина, в которых через ряд
промежуточных продуктов происходит образование глюкозы.

44.

Значение фотосинтеза
В процессе фотосинтеза энергия света заключается в энергию
химических связей органических веществ.
1 Фотосинтез служит первичным источником почти всей
энергии, используемой живыми организмами в процессе
жизнедеятельности.
2 Все живые организмы, за исключением хемосинтетиков,
пользуются теми продуктами, что выделяются при фотосинтезе.
3 За счёт фотосинтеза сформировалась и поддерживается
пригодная для дыхания атмосфера с высоким содержанием
кислорода.
4 Фиксация углекислого газа в ходе фотосинтеза служит
главным местом входа неорганического углерода в
биогеохимический цикл.
5 Захват CO2 растениями препятствует перегреву Земли,
предотвращая парниковый эффект.

45.

Хемосинтез
Хемосинтез - автотрофный тип питания, который
характерен для некоторых микроорганизмов,
способных создавать органические вещества из
неорганических.
Это осуществляется за счет энергии, получаемой при
окислении других неорганических соединений :
1 железосодержащих веществ
2 азотосодержащих веществ
3 серосодержащих веществ
Хемосинтез был открыт русским микробиологом С.Н.
Виноградским Большинство хемосинтезирующих
бактерий относится к аэробам, для жизни им
необходим кислород.

46.

Хемоавтотрофный тип питания
Автотрофные организмы - организмы, синтезирующие
органические вещества из неорганических за счет
энергии солнечного света - фотоавтотрофы или за счет
энергии окисления неорганических соединений хемоавтотрофы.

47.

Хемоавтотрофный тип питания
Хемоавтотрофы:
Хемосинтетики окисляют аммиак сероводород, серу, водород и
соединения железа. Источником водорода для восстановления
углекислого газа является вода. Открыт С.Н.Виноградским.
Важнейшая группа хемосинтетиков – нитрифицирующие
бактерии, способные окислять аммиак, образующийся при
гниении органических остатков, сначала до азотистой, а затем
до азотной кислоты:
2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O + 663 кДж
2НNО2 + O2 = 2HNO3 + 142 кДж
Азотная кислота, реагируя с минеральными соединениями
почвы, образует нитраты, которые хорошо усваиваются
растениями.

48.

Хемоавтотрофный тип питания
Хемоавтотрофы:
Бесцветные серобактерии окисляют сероводород и
накапливают в своих клетках серу:
2Н2S + О2 = 2Н2О + 2S + 272 кДж
При недостатке сероводорода бактерии производят дальнейшее
окисление серы до серной кислоты:
2S + 3О2 + 2Н2О = 2Н2SО4 + 636 кДж
Железобактерии окисляют двувалентное железо до
трехвалентного:
4FeCO3 + O2 + H2O = 4Fe(OH)3 + 4CO2 + 324 кДж
Водородные бактерии используют энергию, выделяющуюся при
окислении молекулярного водорода:
2Н2 + О2 = 2Н2О + 235 кДж

49.

При окислении неорганических веществ выделяется
энергия, которую организмы запасают в виде энергии
химических связей. Так нитрифицирующие бактерии
последовательно окисляют аммиак до нитрита, а затем
- нитрата.
Нитраты могут быть усвоены растениями и служат
удобрением.

50.

Помимо нитрифицирующих бактерий, встречаются:
•Серобактерии - окисляют H2S --> S 0 --> (S+4O3)2- -->
(S+6O4)2•Железобактерии - окисляют Fe+2 -->Fe+3
•Водородные бактерии - окисляют H2 --> H+12O
•Карбоксидобактерии - окисляют CO до CO2

51.

Хемоавтотрофный тип питания
Фотоавтотрофы:
Фотосинтезирующие серобактерии - зеленые и
пурпурные имеют Фотосистему-1 и при фотосинтезе не
выделяют кислород, донор водорода – Н2S:
Qсвета + 6СО2 + 12Н2S → С6Н12О6 + 12S + 6Н2О
У цианобактерий - синезеленых появилась
Фотосистема-2 и при фотосинтезе кислород
выделяется, донором водорода для синтеза органики
является Н2О:
Qсвета + 6СО2 + 12Н2О → С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О

52.

Значение хемосинтеза
1)Хемосинтезирующие бактерии являются
неотъемлемым звеном круговорота в природе таких
элементов как: азот, сера, железо.
2)Нитрифицирующие бактерии обеспечивают
переработку - нейтрализацию ядовитого вещества аммиака. Они обогащают почву нитратами, которые
очень важны для нормального роста и развития
растений - это происходит за счет клубеньковых
бактерий на корнях бобовых растений.