Занятие 14. Хемосинтез. Дыхание

1.

Б и о л о г и я . 10 К л А С С
Глава 5
Обмен веществ и превращение энергии в клетке
Урок 37
Автотрофный тип обмена веществ.
Хемосинтез

2.

Типы питания
источник энергии
Свет
(фото-)
тип метаболизма
Пример организма
Органические
вещества (-гетеро-)
Фотогетеротрофы
Некоторые бактерии
Неорганические
вещества (-авто-)
Фотоавтотрофы
Высшие растения,
водоросли, пурпурные и
зелёные бактерии
Органические
вещества (-гетеро-)
Хемогетеротрофы
Грибы, животные,
многие бактерии
Неорганические
вещества (-авто-)
Хемоавтотрофы
Серобактерии,
железобактерии
Сириус.Школы
Химические реакции
(хемо-)
источник углерода
А в т о т р о ф н ы й
т и п
о Бм е н А в е щ е С тв. Х е м о С и н т е з
2

3.

Хемосинтезирующие организмы
Хемосинтез — тип автотрофного питания, при котором источником
энергии для синтеза углеводов из CO2 служат окислительновосстановительные реакции с участием неорганических соединений.
Сириус.Школы
С. Н. Виноградский
(1856 —1953)
А в т о т р о ф н ы й
т и п
о Бм е н А в е щ е С тв. Х е м о С и н т е з
3

4.

Серобактерии
Сириус.Школы
Бактериальный мат,
сформированный
филаментами
Beggiatoa, первых из
открытых
серобактерий
А в т о т р о ф н ы й
т и п
о Бм е н А в е щ е С тв. Х е м о С и н т е з
4

5.

Acidithiobacillus
ferrooxidans
А в т о т р о ф н ы й
т и п
о Бм е н А в е щ е С тв. Х е м о С и н т е з
Сириус.Школы
Железобактерии
5

6.

Nitrosomonas
Nitrobacter
Nitrospira inopinata
Comammox
(COMplete AMMonia OXidation)
Сириус.Школы
Нитрифицирующие бактерии
6

7.

Сириус.Школы
Водородные бактерии
А в т о т р о ф н ы й
т и п
о Бм е н А в е щ е С тв. Х е м о С и н т е з
7

8.

Сириус.Школы
Метанобразующие бактерии
А в т о т р о ф н ы й
т и п
о Бм е н А в е щ е С тв. Х е м о С и н т е з
8

9.

Ф иксация
углерода.
Цикл Арнона
Сириус.Школы
Кофермент А (КоА) — одно
из ключевых соединений,
используемых в
метаболизме
клеток. Является
переносчиком ацильных
групп в реакциях цикла
Кребса, цикла Арнона, при
окислении жирных кислот и
др.
А в т о т р о ф н ы й
т и п
о Бм е н А в е щ е С тв. Х е м о С и н т е з
9

10.

Сириус.Школы
Ф иксация углерода. Цикл Арнона
А в т о т р о ф н ы й
т и п
о Бм е н А в е щ е С тв. Х е м о С и н т е з
10

11.

Сириус.Школы
Ф иксация углерода. Путь Вуда — Льюнгдаля
А в т о т р о ф н ы й
т и п
о Бм е н А в е щ е С тв. Х е м о С и н т е з
11

12.

Рифтия (Riftia pachyptila)
А в т о т р о ф н ы й
т и п
о Бм е н А в е щ е С тв. Х е м о С и н т е з
Сириус.Школы
Значение хемосинтеза
12

13.

Сириус.Школы
Значение хемосинтеза
А в т о т р о ф н ы й
т и п
о Бм е н А в е щ е С тв. Х е м о С и н т е з
13

14.

Итоги урока
1. Хемосинтез — это уникальный способ автотрофного питания, при котором источником энергии
служат химические превращения неорганических веществ. Он обеспечивает существование
организмов в условиях вне доступа солнечного света, что позволяет экосистемам существовать
в экстремальных условиях и поддерживать круговорот веществ.
2. Все хемосинтетики — прокариоты, то есть бактерии и археи. Они играют важную роль
Сириус.Школы
в биогеохимических циклах, так как перерабатывают неорганические вещества, превращая
их в доступные формы, необходимые другим организмам. Это способствует поддержанию
экологического баланса в изолированных экосистемах.
А в т о т р о ф н ы й
т и п
о Бм е н А в е щ е С тв. Х е м о С и н т е з
14

15.

Итоги урока
3 . В отличие от фотосинтеза, все процессы которого зависят от энергии света, хемосинтез
основан на энергии, высвобождаемой в результате окисления водорода, сероводорода, аммиака
и других веществ. Разнообразие используемых субстратов даёт хемосинтетикам возможность
адаптироваться к различным условиям обитания.
4. Поскольку организмы-хемосинтетики участвуют в преобразовании минеральных элементов
в биодоступные формы, это способствует их постоянной циркуляции в природе. В результате
бактерии-хемосинтетики способствуют поддержанию плодородия почвы, формированию
отложений железа и поддержанию цикла азота, который важен для жизнедеятельности
растений и других организмов.
5 . В хемосинтезе отсутствует фермент RuBisCO, обеспечивающий работу цикла Кальвина
Сириус.Школы
в светонезависимую фазу фотосинтеза, поэтому фиксация углерода происходит через
альтернативные пути: цикл Арнона, путь Вуда — Льюнгдаля и другие.
А в т о т р о ф н ы й
т и п
о Бм е н А в е щ е С тв. Х е м о С и н т е з
15

16.

Б и о л о г и я . 10 К л А С С
глава 5
о бмен веществ и превращение энергии в клетке
Урок 38
Энергетический обмен — диссимиляция

17.

Вопросы
1 . В чём суть хемосинтеза?
2. Какие группы хемосинтезирующих бактерий вы знаете?
3. Для каких экосистем важен хемосинтез?
Сириус.Школы
4. Какие пути анаболизма существуют?
Э н е р г е т и ч е СК и й
о Бм е н —
д и СС и м и л я ц и я
17

18.

Сириус.Школы
Этапы катаболизма
Э н е р г е т и ч е СК и й
о Бм е н —
д и СС и м и л я ц и я
18

19.

Подготовительный этап – получение
глюкозы
Крахмал
α-амилаза слюны
амилазы ПЖЖ
гликозидазы
Мальтоза и изомальтоза
(мальтаза)
лактаза
Глюкоза
Лактоза
Галактоза
Мальтоза
Изомальтоза
Лактоза

20.

Сириус.Школы
Пищеварение в ротовой полости
Э н е р г е т и ч е СК и й
о Бм е н —
д и СС и м и л я ц и я
20

21.

Сириус.Школы
Пищеварение в желудке. Вторично
активный транспорт
Э н е р г е т и ч е СК и й
о Бм е н —
д и СС и м и л я ц и я
21

22.

Сириус.Школы
Пищеварение в двенадцатиперстной кишке
Э н е р г е т и ч е СК и й
о Бм е н —
д и СС и м и л я ц и я
22

23.

Сириус.Школы
Поступление глюкозы в инсулинозависимые
клетки
Э н е р г е т и ч е СК и й
о Бм е н —
д и СС и м и л я ц и я
23

24.

Распад глюкозы - гликолиз
В ходе гликолиза молекула глюкозы фосфорилируется и распадается на две триозы, которые затем
трансформируются в пируват. В ходе второй стадии гликолиза происходит восстановление 2 молекул НАД+
и синтез 4 молекул АТФ (субстратное фосфорилирование).
Таким образом суммарное уравнение гликолиза имеет вид:
Глюкоза+2АТФ+2НАД++4АДФ+2Фн→ 2ПВК+2АДФ+2НАДН+4АТФ+2Н2О

25.

Сириус.Школы
Гликолиз. Общая схема
Э н е р г е т и ч е СК и й
о Бм е н —
д и СС и м и л я ц и я
25

26.

Сириус.Школы
Гликолиз. Первый этап
Э н е р г е т и ч е СК и й
о Бм е н —
д и СС и м и л я ц и я
26

27.

Сириус.Школы
Гликолиз. Второй этап
Э н е р г е т и ч е СК и й
о Бм е н —
д и СС и м и л я ц и я
27

28.

Получение НАДН и Субстраное
фосфорилирование

29.

Итоги урока
1.Энергетический обмен, известный как катаболизм, включает три ключевых этапа:
подготовительный, бескислородный (гликолиз) и кислородный (клеточное дыхание). Каждый
из этапов играет важную роль в метаболизме, позволяя клеткам эффективно использовать
питательные вещества для получения энергии.
Сириус.Школы
2.Подготовительный этап катаболизма в организмах животных происходит в желудочно-кишечном
тракте или в лизосомах, где сложные соединения расщепляются на простые. Н а этом этапе вся
энергия рассеивается в виде тепла. Слюна, выделяемая слюнными железами, содержит фермент
амилазу, расщепляющую полисахариды на моносахариды, а именно крахмал и гликоген расщепляет
до декстрина мальтозы и глюкозы. В желудке происходит интенсивное переваривание белков
с помощью пепсина в кислой среде желудочного сока. Дальнейшее переваривание пищи происходит
в просвете двенадцатиперстной кишки с помощью ферментов, выделяемых поджелудочной железой
и при участии желчи.
Э н е р г е т и ч е СК и й
о Бм е н —
д и СС и м и л я ц и я
29

30.

Итоги урока
3.После переваривания большинство питательных веществ всасывается в тонком кишечнике.
Аминокислоты и жирные кислоты попадают в кровоток, в то время как простые углеводы
усваиваются через специализированные транспортные белки. Инсулин способствует поглощению
глюкозы клетками, что обеспечивает организм необходимой энергией.
4.Гликолиз — это основной процесс в катаболизме углеводов, в котором из одной молекулы
глюкозы образуются две молекулы пирувата с восстановлением АТФ. Этот процесс разделяется
на два этапа: первый, в котором энергия затрачивается, и второй, в котором она аккумулируется
в макроэргических связях АТФ. В результате гликолиза образуются две молекулы АТФ и две
молекулы Н А Д Н .
Сириус.Школы
5.После гликолиза образовавшиеся молекулы пирувата могут либо окисляться до ацетил-КоА,
который участвует в клеточном дыхании, либо превращаться в лактат (молочная кислота)
и поступать в кровь. Лактат может быть использован в печени для синтеза глюкозы.
Э н е р г е т и ч е СК и й
о Бм е н —
д и СС и м и л я ц и я
30

31.

Б и о л о г и я . 10 К л А С С
глава 5
о бмен веществ и превращение энергии в клетке
Урок 39
Клеточное дыхание

32.

Клеточное дыхание
Клеточное дыхание — процесс окисления органических низкомолекулярных соединений
в митохондриях с использованием кислорода в качестве конечного акцептора электронов.
Сириус.Школы
Кофермент А (КоА) — это вещество, принимающее участие в переносе ацильных групп в процессе
синтеза и окисления жирных кислот, а также в процессе окисления пирувата перед вступлением
в цикл Кребса, то есть это кофермент ацетилирования.
К л е т о ч н о е
д ы х А н и е
32

33.

Сириус.Школы
Пируватдегидрогеназный комплекс
К л е т о ч н о е
д ы х А н и е
33

34.

Пируватдегидрогеназный комплекс –
коферменты
Тиаминпирофосфат (ТРР)
Липоильная
группа
может
существовать
в
окисленной (дисульфидной) и восстановленной
(дитиоловой) форме и поэтому способна действовать
как переносчик водорода и ацетильных (или других
ацильных) групп.
Липоевая кислота (липоат)

35.

Пируватдегидрогеназый комплекс – строение
Субъединицы комплекса:
• Пируватдегидрогеназа (Е1; желтая)
• Дигидролипоилацетилтрансфераза
(Е2; зеленая)
• Дигидролипоилдегидрогеназа (Е3;
красная)
Синим показаны липоильные домены Е2

36.

Пируватдегидрогеназный комплекс – принцип
работы

37.

Сириус.Школы
Ханс А дольф Кребс
К л е т о ч н о е
д ы х А н и е
37

38.

Цикл кребса: энергетика
ЩУКа съела ацетат, получается цитрaт,
Через цисaконитaт будет он изоцитрaт.
Вoдoрoды отдaв НАД, oн теряет СО2,
Этoму безмернo рaд aльфa-кетоглутaрaт.
За один цикл образуется 2 молекулы CO2, 3
Окисление
НАД
похитил
вoдoрoд,
НАДН, 1грядет
ФАДH—
и
1
ГТФ
(у
растений
АТФ).
2
ТДФ, коэнзим А забирают СО2.
А энергия едва в сукциниле пoявилась,
Сразу АТФ рoдилась и oстался сукцинат.
Вот дoбрался он дo ФАДа — вoдoрoды тому надo,
Фумарат воды напился, и в малат oн превратился.
Тут к малату НАД пришел, вoдoрoды приобрел,
ЩУКа снoва oбъявилась и тихoнькo затаилась.

39.

Сириус.Школы
Цикл трикарбоновых кислот
К л е т о ч н о е
д ы х А н и е
39

40.

Реакции цикла кребса

41.

Сириус.Школы
Образование цитрата (реакция 1)
К л е т о ч н о е
д ы х А н и е
41

42.

Сириус.Школы
Образование изоцитрата (реакция 2)
К л е т о ч н о е
д ы х А н и е
42

43.

Сириус.Школы
Образование альфа-кетоглутарата (реакция 3)
К л е т о ч н о е
д ы х А н и е
43

44.

Сириус.Школы
Окисление альфа-кетоглутарата (реакция 4)
К л е т о ч н о е
д ы х А н и е
44

45.

Сириус.Школы
Образование сукцината (реакция 5)
К л е т о ч н о е
д ы х А н и е
45

46.

Сириус.Школы
Окисление сукцината (реакция 6)
К л е т о ч н о е
д ы х А н и е
46

47.

Сириус.Школы
Гидратация фумарата (реакция 7)
К л е т о ч н о е
д ы х А н и е
47

48.

Сириус.Школы
Окисление малата (реакция 8)
К л е т о ч н о е
д ы х А н и е
48

49.

Хемиосмотическая гипотеза
Митчелл первым ввел понятие сопрягающей мембраны, то есть мембраны,
непроницаемой для ионов по разные стороны которой сознается градиент
неких ионов (обычно протонов), перенос ионов по градиенту концентрации
происходит с высвобождением энергии, которая может быть использована
для разных процессов
Питер Деннис Митчелл
(1920 —1992)

50.

Переносчики
электронов
Железосерные кластеры
Убихинол (кофермент Q)
Железопорфирины

51.

Сириус.Школы
М итохондриальная цепь переноса электронов
К л е т о ч н о е
д ы х А н и е
51

52.

Q-цикл
Сириус.Школы
Q-цикл — это серия
реакций, которые позволяют
комплексу III не только
передавать электроны дальше
по цепи, но и эффективно
использовать эту передачу
для перекачивания протонов.
К л е т о ч н о е
д ы х А н и е
52

53.

Сириус.Школы
АТФ-синтаза
К л е т о ч н о е
д ы х А н и е
53

54.

Окислительное фосфорилирование
- в основе работы АТФ-синтазы лежит так
называемый ротационнный катализ.
Перемещение протонов запускает вращение
центральной γ-субъединицы, которая меняет
конформацию активных центров на βсубъединицах
Пол Делос Бойер
(1918 —2018)

55.

И все-таки она вертится…

56.

Итоги урока
1.Клеточное дыхание — это процесс окисления органических низкомолекулярных соединений
в митохондриях с использованием кислорода в качестве конечного акцептора электронов.
У аэробных организмов основное окисление органических соединений происходит в митохондриях,
где углеводы и липиды через промежуточные этапы превращаются в ацетил-КоА, участвующий
в дальнейших реакциях энергетического обмена.
Сириус.Школы
2.Главным источником энергии в клетке является цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот),
который протекает в митохондриях и включает восемь последовательных реакций. Основная
функция этого цикла — восстановление Н А Д и ФА Д Н 2 , что позволяет накопить энергию для
дальнейшего её использования в процессе синтеза АТФ.
К л е т о ч н о е
д ы х А н и е
56

57.

Итоги урока
3 . В митохондриях цепь переноса электронов включает четыре белковых комплекса, которые
используют энергию электронов, передаваемых с Н А Д Н и ФА Д Н 2 , для перекачивания протонов
через мембрану. Это ведёт к созданию протонного градиента, необходимого для синтеза АТФ.
Кислород в этом процессе выступает конечным акцептором электронов.
Сириус.Школы
4. Аэробное окисление одной молекулы глюкозы через цикл Кребса и Э Т Ц приводит
к образованию 30 молекул АТФ (или 32, точное число зависит от типа челночной системы
переноса электронов и протонов с Н А Д Н в цитоплазме в матрикс митохондрии), что делает этот
процесс значительно более эффективным, чем анаэробное дыхание. Но аэробное дыхание требует
больше времени, поэтому при интенсивных нагрузках источником энергии становится АТФ,
образованная в реакциях менее эффективного гликолиза.
К л е т о ч н о е
д ы х А н и е
57

58.

Б и о л о г и я . 10 К л А С С
глава 5
о бмен веществ и превращение энергии в клетке
Урок 40
Брожение

59.

Брожение
Брожение — метаболический процесс получения энергии многих современных организмов в
анаэробных условиях.
Сириус.Школы
Субстратное фосфорилирование — синтез молекул АТФ, при котором фосфатная группа
передается с более высокоэнергетического вещества на АДФ.
Б р о ж е н и е
59

60.

Сириус.Школы
Реакции спиртового брожения
Б р о ж е н и е
60

61.

Сириус.Школы
Упрощённая схема молочнокислого брожения
Б р о ж е н и е
61

62.

Сириус.Школы
Схема
пропионовокислого
брожения
Б р о ж е н и е
62

63.

Сириус.Школы
Схема реакций
маслянокислого
брожения
Б р о ж е н и е
63

64.

Сириус.Школы
Линия производства кисломолочных продуктов
Б р о ж е н и е
64

65.

Сириус.Школы
Состав микрофлоры кишечника человека
Б р о ж е н и е
65

66.

Сириус.Школы
Схема метаболизма микроорганизмов,
участвующих в силосовании корма
Б р о ж е н и е
66

67.

Сириус.Школы
Действие нейротоксина ботулизма на организм
Б р о ж е н и е
67

68.

Итоги урока
1.Луи Пастер в 1857 году доказал, что в клетках живых дрожжей идут процессы брожения. Далее
исследователям удалось получить бесклеточный экстракт дрожжей через разрушение клеток. Смысл
брожения состоит в том, что и донорами, и акцепторами электронов в брожении выступают одни
и те же органические соединения.
2.Брожение является самой древней формой запасания энергии в виде АТФ. Организмы,
осуществляющие брожение, не полностью окисляют органические соединения, поскольку они обитают
в изолированных условиях, что затрудняет транспорт внешнего акцептора электронов (например,
кислорода) к клеткам.
Сириус.Школы
3 . В процессе спиртового брожения из одной молекулы глюкозы образуется молекула углекислого
газа и молекула этанола, и при этом восстанавливаются две молекулы АТФ. К спиртовому брожению
способны как прокариоты, так и эукариоты. Этот вид брожения характерен для дрожжей.
Б р о ж е н и е
68

69.

Итоги урока
4. Бифидобактерии осуществляют гетероферментативное молочнокислое брожение. При этом
в ходе реакций, протекающих в клетках бифидобактерий, глюкоза сбраживается без образования
углекислого газа, а продуктами реакции являются ацетат (уксусная кислота) и лактат (молочная
кислота). В процессе гомоферментативного молочнокислого брожения молекула глюкозы проходит все
этапы гликолиза, после которого пируват непосредственно восстанавливается до лактата с участием
фермента лактатдегидрогеназы.
5.Пропионовокислое брожение осуществляют пропионовокислые бактерии рода Propionibacterium,
которые являются анаэробами. Эволюционно пропионовокислое брожение возникло как путь
гетеротрофной фиксации углекислого газа. При пропионовокислом брожении молекула углекислого
газа присоединяется к молекуле пировиноградной кислоты с образованием оксалоацетата.
7.Некоторые организмы, осуществляющие брожение, могут быть патогенами, вызывая опасные
заболевания. Это требует строгого контроля их использования и соблюдения условий безопасности.
Б р о ж е н и е
Сириус.Школы
6.Брожение активно применяется в биотехнологии и медицине, для производства продуктов питания
и биологически активных веществ. Этот процесс играет ключевую роль в пищевой промышленности
и фармацевтике.
69