Клеточный метаболизм (обмен веществ и превращение энергии в клетке)

1. КЛЕТОЧНЫЙ МЕТАБОЛИЗМ (ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ)

2. Клеточный метаболизм - это совокупность всех обменных процессов, протекающих в клетке.

Биологическое
значение
метаболизма состоит в создании
необходимых клетке и организму
веществ
и
обеспечение
ее
энергией.

3.

МЕТАБОЛИЗМ
ВНЕШНИЙ
ОБМЕН
ВНУТРЕННИЙ
ОБМЕН
Поглощение и
выделение
веществ
клеткой
Биохимические
превращения
веществ в
клетке

4.

Внутренний обмен
Анаболизм
(ассимиляция,
пластический
обмен
Катаболизм
(диссимиляция,
энергетический
обмен)

5.

Анаболизм - совокупность
реакций синтеза.
Это
эндоэргонические
процессы (происходят с
затратой энергии)
А
+
В
АВ
-
Е

6.

Катаболизм – совокупность
реакций расщепления, переход
богатых энергией веществ в
простые, менее энергетически
богатые. Это экзоэргонические
процессы
(происходят
с
выделением энергии)
АВ
А +
В +
Е

7. Классификация живых организмов по первичному источнику углерода

8.

Организмы
Автотрофные
(автотрофы)
Гетеротрофные
(гетеротрофы)

9.

Автотрофные организмы организмы,
синтезирующие
органические
вещества
из
неорганических веществ (СО2
и Н2О) внешней среды.
Гетеротрофные организмы это организмы, использующие
готовые
органические
вещества.

10.

Известна
также
промежуточная
группа
организмов
миксотрофные организмы
это
организмы,
сочетающие
оба
типа
питания. К ним относятся
эвгленовые,
растенияполупаразиты,
насекомоядные растения.

11. Эвгленовые миксотрофы: эвглена зеленая и факус

12. Насекомоядные растения

Росянка
круглолистная
Венерина
мухоловка

13. Растения-полупаразиты

Омела
Погремок малый

14. КЛАССИФИКАЦИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ по первичному источнику энергии

15.

Организмы
Фототрофные
(фототрофы)
Хемотрофные
(хемотрофы)

16.

Фототрофные организмы
(фототрофы) в качестве
первичного
источника
энергии
используют
световую
энергию,
хемотрофные
организмы
(хемотрофы)
энергию
окисления
химических
соединений.

17. КЛАССИФИКАЦИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ по первичным источникам энергии и углерода

18. 1. Фотоавтотрофы

• Зеленные растения
• Цианобактерии
• Пурпурные и зеленые
серобактерии

19. 2. Хемоавтотрофы.

• Железобактерии
• Нитрифицирующие
бактерии
• Бесцветные
серобактерии
• Водородные бактерии

20. 3. Фотогетеротрофы

• Пурпурные несерные
бактерии

21. 4. Хемогетеротрофы.

• Животные
• Грибы
• Бактерии сапротрофы

22.

• Бактерии-паразиты
• Бактерии-симбионты
• Паразитические
(бесхлорофильные
растения)

23. ЗНАЧЕНИЕ ЭНЕРГИИ

24.

Энергия на Земле существует в
самых
различных
формах.
Превращения
энергии
описываются
законами
термодинамики.
Согласно
первому
закону
термодинамики
энергия
не
возникает и не исчезает, а может
лишь переходить из одной формы в
другую.

25.

Второй
закон
термодинамики утверждает,
что всякий раз, когда энергия
переходит из одной формы в
другую, она утрачивает часть
своей
способности
производить полезную работу.
Эта энергия, уже не способная
производить полезную работу,
называется энтропией.

26.

Из
второго
закона
термодинамики следует, что
для выполнения любой работы
требуется избыток энергии:
часть энергии расходуется на
саму работу, а часть - на
покрытие
неизбежного
возрастания энтропии.

27. Живой организм использует энергию для многих целей

АКТИВНЫЙ
ТРАНСПОРТ
ВЕЩЕСТВ
ПОДДЕРЖАНИЕ
ПОСТОЯННОЙ
ТЕМПЕРАТУРЫ
ТЕЛА
СИНТЕЗ
БИОМОЛЕКУЛ
ЭНЕРГИЯ
ПЕРЕДАЧА
НЕРВНОГО
ИМПУЛЬСА
КЛЕТОЧНОЕ
ДЕЛЕНИЕ
МЫШЕЧНОЕ
СОКРАЩЕНИЕ

28.

Организму нужен постоянный
приток
энергии,
как
для
осуществления
всех
этих
процессов,
так
и
для
восполнения
потерь,
связанных
с
возрастанием
энтропии.

29.

Из всех форм энергии,
поступающей извне, для
живых клеток пригодны
лишь две - световая энергия
у фототрофов и химическая
энергия у хемотрофов.

30.

В дальнейшем в клетке может
использоваться
только
химическая энергия, так как она
может быстро передаваться из
одной части клетки в другую, и от
одной
клетки
к
другой
и
расходоваться экономно, строго
отмеренными порциями, только
там, где это нужно, и только тогда,
когда это нужно.

31.

Энергетическим субстратом
служат
органические
вещества.
Энергия выделяется при
разрыве
их
химических
связей.

32.

Запасается
энергия
в
форме АТФ, и в этой же
форме она расходуется для
выполнения любых работ
в клетке.

33. АТФ - аденозинтрифосфат

АТФ аденозинтрифосфат

34.

Является
производным
нуклеотида
аденозина.
Состоит
из
пуринового
азотистого
основания
аденина, пентозы рибозы и
трех фосфатных групп.

35.

36.

Фосфатные
группы
обозначают
греческими
буквами, начиная с концевой,
наиболее удаленной от рибозы
группы (α-, β- и γ- фосфат) .

37.

При
гидролитическом
отщеплении каждой из двух
концевых фосфатных групп (αи β-фосфат) выход свободной
энергии составляет около 40
кДж. Отщепление же третьей
фосфатной группы дает лишь
13,8 кДж, как при разрыве
обычных химических связей.

38.

Поэтому принято говорить, что
АТФ содержит две богатые
энергией,
то
есть
макроэргические
связи.
Их
обозначают знаком ~.
В
молекуле
АДФ
одна
макроэргическая связь.

39.

Катализирует
реакцию
гидролиза АТФ фермент класса
гидролаз
аденозинтрифосфотаза
(АТФ-аза).
АТФ-аза
АТФ
(АТР)
Н2О
АДФ
Фн
(АDP) (Pi)
Е

40.

41.

АТФ - стандартная единица, в
виде
которой
в
клетке
запасается
энергия,
высвобождаемая
в
катаболических реакциях. Это
постоянный источник энергии
в клетке, так как имеет ряд
преимуществ перед другими
веществами:

42.

• 1.
Он
мобилен
и
может
доставлять энергию в любую
часть клетки. Когда клетка
нуждается
в
энергии,
единственное, что требуется
для ее получения - это гидролиз
АТФ.

43.

• 2.
АТФ
чрезвычайно
быстро
обновляется.
Например,
у
человека
каждая
молекула
АТФ
расщепляется
и
вновь
восстанавливается
2400
раз в сутки.

44.

3. По величине свободной энергии
гидролиза АТФ занимает в клетке
промежуточноеположение. Благодаря
этой особенности система АТФ-АДФ
может служить переносчиком
фосфатных групп от фосфорных
соединений с более высокой энергией
гидролиза (например,
фосфоенолпирувата - ФЕП) к
соединениям с более низкой энергией
гидролиза (например, сахарофосфатам).

45. СИНТЕЗ АТФ

46.

АТФ
в
клетках
может
синтезироваться двумя путями.
1. Субстратное
фосфорилирование.
Синтез АТФ происходит в ходе
переноса
макроэргической
фосфатной группы от какоголибо
фосфорилированного
соединения на АДФ.

47.

Если весь АДФ мышечной клетки
превратился в АТФ, то фосфат
переносится
от
АТФ
на
мышечный белок креатин с
образованием
креатинфосфата.
При этом появляется некоторое
количество
АДФ.
Он
может
присоединять
фосфат
и
образовывать АТФ.

48.

При
понижении
уровня
АТФ
происходит
обратный
процесс:
фосфат
переносится
с
креатинфосфата на АДФ и запасы
АТФ восстанавливаются.

49. 2. Химиоосмос (хемоосмос).

Этот процесс происходит в
митохондриях
во
время
клеточного
дыхания
и
в
хлоропластах
во
время
фотосинтеза. Таким путем
синтезируется большая часть
АТФ.

50. В ходе химиоосмоса можно выделить два этапа:

1. Накопление энергии.
2. Использование этой
энергии для синтеза АТФ.

51.

Энергия, используемая при
химиоосмосе,
является
электрохимической.
Она
зависит от присутствия ионов.
Противоположно заряженные
частицы притягиваются друг к
другу,
поэтому
движутся
навстречу друг другу.

52.

Если
такие
частицы
разделены
непроницаемым
барьером, который не дает им
сойтись,
то
электрохимическая
энергия
будет
накапливаться.
Эту
энергию
можно
заставить
производить работу, если дать
возможность
частицам
в
определенном
месте
проходить через барьер.

53.

Таким
барьером
в
митохондриях и хлоропластах
служит внутренняя мембрана.
Роль
энергетического
источника выполняют атомы
водорода, разделившиеся на
два вида частиц: ионы H+ и
электроны.

54.

Ряд
расположенных
на
внутренней мембране молекул
составляет так называемую
цепь переноса электронов или
электронтранспортную
цепь
(ЭТЦ). Компоненты этой цепи
переносят электроны на другую
сторону мембраны, не давая им
соединиться с протонами.

55.

Реальный
запас
энергии
определяется запасом ионов
водорода кислого раствора,
который заключен в мембране
и
называется
резервуаром
водородных
ионов
или
протонным резервуаром
(Н+-резервуаром).

56.

Внутренняя
мембрана
не
проницаема
для
ионов
водорода, но в ней есть каналы
для их прохождения. Каждый
такой
канал
образован
сложным
ферментным
комплексом АТФ-синтетазой (синтазой),
катализирующим
синтез АТФ.

57.

Комплекс АТФ-синтетазы состоит
из
двух
сложных
частиц
(факторов, или F-частиц). F0частица пронизывает мембрану
насквозь, а на одной из сторон
мембраны
с
нею
связана
сферическая F1-частица, в которой
происходит фосфорилирование синтез
АТФ
из
АДФ
и
неорганического фосфата.

58.

Для синтеза АТФ требуется
энергия, которая выделяется
при
прохождении
ионов
водорода
протонного
резервуара через канал АТФсинтетазы.

59.

60.

Главным
назначением
митохондрий
и
хлоропластов
является наполнение протонного
резервуара за счет разделения
атомов водорода на протоны и
электроны. Источником энергии в
хлоропластах служит свет, а в
митохондриях
энергия
поставляется
молекулами
питательных веществ.

61. Строение и работа митохондрий

а
митохондрии
(указаны
стрелкой), видимые в световом
микроскопе; б - ультраструктура
митохондрий:
1
митохондриальный матрикс, 2 внутренняя
митохондриальная
мембрана, 3 - межмембранное
пространство,
4
внешняя
митохондриальная мембрана; в общая схема функционирования
митохондрий:
при
переносе
электронов в цепи окисления в
межмембранном
пространстве
накапливаются протоны и при
достижении
определенного
потенциала
возвращаются
в
матрикс; энергия этого потенциала
тратится на синтез АТФ

62.

Механизм химиоосмоса в
митохондриях
был
предложен
английским
биохимиком
Питером
Митчеллом, удостоенным в
1978
г.
Нобелевской
премии.

63. ПИТЕР МИТЧЕЛЛ (1929-2002)

Английский биохимик.
Исследовал
биоэнергетические процессы
в клетке. Разработал
хемиосмотическую теорию,
объясняющую механизм
преобразования энергии в
биологической мембране при
синтезе аденозинтрифосфата
(АТФ).
Нобелевская премия (1978).