12. Обмен веществ или метаболизм

1.

Обмен веществ или
метаболизм

2.

МЕТАБОЛИЗМ (ОБМЕН ВЕЩЕСТВ) –
совокупность всех химических реакций,
происходящих в живом организме для
поддержания его жизни.
1. Пластический обмен (анаболизм):
процессы синтеза сложных органических
веществ из простых. Требует затрат
энергии.
2. Энергетический обмен (катаболизм):
процессы расщепления сложных
органических веществ с выделением
энергии.
Эти два процесса находятся в
постоянном балансе, обеспечивая
клетку всем необходимым.

3.

ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН (АНАБОЛИЗМ) – процессы,
направленные на синтез (создание) сложных
органических молекул из более простых, а также на
рост и обновление тканей.
• Фотосинтез (у растений, водорослей,
цианобактерий): синтез глюкозы из
углекислого газа и воды с использованием
энергии света.
• Синтез белков: по информации ДНК на
рибосомах.
• Синтез нуклеиновых кислот, жиров,
углеводов.
• Источник энергии для анаболизма:
чаще всего используется энергия,
полученная в результате энергетического
обмена (АТФ).

4.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН (КАТАБОЛИЗМ) – процессы
расщепления сложных органических веществ (в
первую очередь, глюкозы) с высвобождением энергии.
Основные этапы (на примере глюкозы):
1. Гликолиз: расщепление глюкозы в цитоплазме с образованием
пировиноградной кислоты и небольшого количества АТФ.
2. Цикл Кребса (у аэробных организмов): дальнейшее окисление продуктов
гликолиза в митохондриях с выделением CO2 и образованием НАДН2 и ФАДН2.
3. Окислительное фосфорилирование (у аэробных организмов): наиболее
энергоемкий этап в митохондриях, где энергия НАДН2 и ФАДН2 используется
для синтеза большого количества АТФ.
Бескислородное расщепление
(брожение): Альтернативный путь при
недостатке кислорода (например,
молочнокислое или спиртовое брожение).

5.

Роль ферментов в метаболизме. ФЕРМЕНТЫ (ЭНЗИМЫ)
– биологические катализаторы, белковой природы,
которые ускоряют протекание биохимических реакций
в организме, не расходуясь при этом.
• Механизм действия: фермент связывается с молекулой-субстратом, снижает
энергию активации реакции, способствуя ее протеканию.
• Специфичность: каждый фермент катализирует только одну или несколько
похожих реакций.
• Без ферментов метаболические процессы в клетке шли бы слишком медленно,
не обеспечивая жизнедеятельность.

6.

Биологическое окисление: АЭРОБНОЕ ДЫХАНИЕ –
наиболее эффективный путь получения энергии,
протекающий с участием кислорода.
Происходит в три стадии:
1. Подготовительная (гликолиз): Глюкоза
-> Пировиноградная кислота + 2 АТФ.
2. Цикл Кребса: полное окисление
продуктов гликолиза с образованием CO2 и
переносчиков энергии (НАДН2, ФАДН2).
3. Кислородная (окислительное
фосфорилирование): использование
кислорода как конечного акцептора
электронов для синтеза максимального
количества АТФ.
Итог: из одной молекулы глюкозы образуется
около 30–32 молекул АТФ.

7.

Бескислородное расщепление (Брожение). БРОЖЕНИЕ –
процесс расщепления органических веществ,
протекающий без участия кислорода.
Основная цель: восстановление НАД+ (полученного в гликолизе), чтобы гликолиз мог
продолжаться и производить хотя бы небольшое количество АТФ.
Виды брожения:
• Молочнокислое: у бактерий, клеток мышц животных (при нагрузке). Продукты:
молочная кислота.
• Спиртовое: у дрожжей, некоторых бактерий. Продукты: этанол и углекислый газ.
• Энергетическая эффективность: значительно ниже аэробного дыхания,
образуется всего 2 молекулы АТФ на молекулу глюкозы.

8.

СИНТЕЗ БЕЛКА – один из важнейших
процессов пластического обмена.
Две основные стадии:
1. Транскрипция: переписывание информации с участка ДНК (гена) на
молекулу матричной РНК (мРНК). Происходит в ядре.
2. Трансляция: синтез полипептидной цепи (белка) на рибосоме по
информации, закодированной в мРНК. мРНК выходит из ядра в
цитоплазму, где связывается с рибосомой.
Роль белков: ферменты, структурные компоненты, гормоны, антитела,
рецепторы – белки выполняют огромное количество функций.

9.

МЕТАБОЛИЗМ –
это четко регулируемая система.
Основные механизмы регуляции:
• Нервная регуляция: быстрая, краткосрочная, отвечает за реакцию на
внешние стимулы (например, при стрессе).
• Гуморальная регуляция: более медленная, долгосрочная, осуществляется
с помощью гормонов (вырабатываются эндокринными железами) и других
биологически активных веществ.
• Ферментативная регуляция: активность ферментов может изменяться
(активироваться или ингибироваться), что напрямую влияет на скорость
метаболических путей.

10.

Заключение
Обмен веществ – это
непрерывный, многогранный
процесс, который обеспечивает
энергией, строительными
материалами и выполняет
бесчисленные функции, делающие
возможной жизнь.
Понимание метаболизма
позволяет нам не только познать
себя, но и находить пути решения
проблем в медицине, сельском
хозяйстве и биотехнологии.
Метаболизм – это поистине танец
жизни.

11. Фотосинтез. Хемосинтез

12.

АВТОТРОФЫ – организмы, способные самостоятельно
синтезировать органические вещества из неорганических,
используя энергию света или химических реакций.
Они являются продуцентами в экосистемах – основой пищевых
цепей. Делятся на две группы:
• Фотоавтотрофы: Используют
энергию света (фотосинтез).
Цианобактерии
(фотоавтотрофы)
• Хемоавтотрофы: Используют
энергию химических реакций
(хемосинтез).
Нитрифицирующие
(Хемоавтотрофы)

13.

ФОТОСИНТЕЗ – процесс преобразования энергии
солнечного света в энергию химических связей
органических веществ при участии фотосинтетических
пигментов (главный – хлорофилл).
• Общая формула:
• Где происходит: У эукариот – в
хлоропластах; у цианобактерий – в
цитоплазме.

14.

Стадии фотосинтеза: Световая фаза
(происходит на мембранах тилакоидов
хлоропластов, требует наличия света).
Основные процессы:
1. Поглощение квантов света:
фотосинтетические пигменты (хлорофилл)
улавливают световую энергию.
2. Фотолиз воды: расщепление молекул
воды под действием света, с выделением
кислорода (O2), протонов (H+) и электронов (e-).
3. Транспорт электронов: электроны
перемещаются по цепи переносчиков,
обеспечивая синтез АТФ
(фотофосфорилирование) и восстановление
НАДФ+ до НАДФН.
Продукты световой фазы: АТФ (энергия),
НАДФН (восстановительная сила), O2
(выделяется как побочный продукт).

15.

Стадии фотосинтеза: Темновая фаза (происходит в
строме хлоропластов, не требует прямого участия света, но
использует продукты световой фазы АТФ и НАДФН).
Основные процессы:
1. Фиксация углекислого газа: CO2 из атмосферы
присоединяется к органическим молекулам (цикл
Кальвина).
2. Восстановление: с использованием энергии АТФ и
восстановительной силы НАДФН, углекислый газ
преобразуется в углеводы (глюкозу).
3. Регенерация: часть образовавшихся молекул
используется для синтеза глюкозы, а другая часть – для
восстановления исходных соединений цикла,
обеспечивая его непрерывность.
Продукт: глюкоза (C6H12O6) и другие органические
вещества.

16.

Значение фотосинтеза
• Производство органических веществ:
создание пищи для всех живых организмов
(прямо или косвенно).
• Выделение кислорода: насыщение
атмосферы кислородом, необходимым для
дыхания большинства живых существ.
• Поглощение углекислого газа:
уменьшение концентрации CO2 в
атмосфере, предотвращение парникового
эффекта.
• Формирование ископаемого топлива:
уголь, нефть, природный газ – это запасы
энергии, накопленной древними
фотосинтезирующими организмами.

17.

ХЕМОСИНТЕЗ – процесс синтеза органических веществ из
неорганических, протекающий за счет энергии,
выделяющейся при окислении неорганических соединений.
Типы хемосинтеза:
• Нитрифицирующие бактерии:
Окисляют аммиак до азотистой, а затем до
азотной кислоты (важно для круговорота
азота).
• Серные бактерии: Окисляют
сероводород (H2S) до серы или серной
кислоты.
• Железобактерии: Окисляют
двухвалентное железо (Fe2+) до
трехвалентного (Fe3+).
Общая схема: Неорганические вещества
→ Окисление → Выделение энергии →
Синтез органики.

18.

Место хемосинтеза в природе
Хемосинтез играет важную роль в круговороте
веществ, особенно азота, серы и железа.
Экосистемы, основанные на хемосинтезе:
• Глубоководные гидротермальные
источники: бактерии используют энергию
сероводорода, образуя основу пищевых цепей
там, где нет солнечного света.
• Пещеры, почвы: бактерии участвуют в
разложении органики и преобразовании
минеральных веществ.
Хемосинтез демонстрирует, что жизнь
может существовать и развиваться, используя
различные источники энергии.

19.

Сравнение Фотосинтеза и Хемосинтеза
Признак
Фотосинтез
Хемосинтез
Источник энергии
Свет
Химическая энергия (окисление
неорганических веществ)
Организмы
Растения, водоросли,
цианобактерии
Хемосинтезирующие бактерии
(нитрифицирующие, серные и др.)
Исходные вещества
CO2, H2O
CO2, H2O, NH3, H2S, Fe2+ и др.
Место протекания
Хлоропласты (эукариоты),
цитоплазма (прокариоты)
Цитоплазма (бактерии)
Побочный продукт
O2 (у большинства)
Варьирует (сера, серная кислота,
азотная кислота и др.)
Значение
Основа большинства
экосистем, производство
O2
Круговорот веществ,
формирование экосистем без
света

20.

Заключение
Фотосинтез и хемосинтез – это
два великих механизма, которые
позволяют живой природе
использовать энергию из
окружающей среды для создания
органических веществ.
Фотосинтез, питаемый солнцем,
поддерживает жизнь на
поверхности планеты, а
хемосинтез, работающий на
энергии химических реакций,
позволяет жизни процветать даже в
самых темных и экстремальных
условиях.
Оба процесса жизненно важны для
поддержания биосферы.