Similar presentations:
Биоэнергетика. Основы. Гетеротрофы
1. БИОЭНЕРГЕТИКА часть 1 Основы. Гетеротрофы.
Тема 3БИОЭНЕРГЕТИКА
часть 1
Основы. Гетеротрофы.
М.А. Волошина CУНЦ НГУ 2008-09
2. БИОЭНЕРГЕТИКА – наука о превращениях энергии внешней среды в живых организмах
3. Второе начало термодинамики:
Откуда живые организмы берутэнергию?
Как?
И зачем?
Второе начало термодинамики:
Без притока энергии извне любая
система переходит от порядка к хаосу
4.
Изменение системы со временемСоздание порядка требует затрат энергии
5.
Откуда? → тип питанияПоддержание
внутреннего
порядка
(сложности)
жизнь
Рост и
размножение
Обмен веществ
6.
Типы питанияC
Неорганический
СО2
Органический
Автотрофы
Гетеротрофы
Продуценты в экосистемах
Консументы или редуценты
7.
Типы питанияC
Свет
Неорг.
Орг.
ФОТОавтотрофы
ФОТОгетеротрофы
ХЕМОавтотрофы
ХЕМОгетеротрофы
Е
Химические
связи
Оставьте место в каждой клеточке
8.
Типы питанияC
Неорг.
Свет
Орг.
ФОТОавтотрофы
ФОТОгетеротрофы
Растения
Цианобактерии
Часть бактерий
ХЕМОавтотрофы
ХЕМОгетеротрофы
Е
Химические
связи
Часть бактерий
Животные
Грибы
Простейшие
Большинство бактерий
9.
Классификация организмов по источнику энергии ивосстанавливающих эквивалентов
Тип организмов
Источник
энергии
Окисляемое соединение
(поставщик восстанавливающих
эквивалентов)
Примеры
Фотолитотрофы
Свет
Зелёные клетки высших
Неорганические соединения (Н2O, растений,
H2S, S)
фотосинтезирующие
бактерии
Фотоорганотрофы
Свет
Органические соединения
Хемолитотрофы
Реакции
окисления
Водородные, серные,
Неорганические соединения (Н2, S,
денитрифицирующие
H2S, NH3, Fe2+)
бактерии, железобактерии
Хемоорганотрофы
Реакции
окисления
Органические соединения
Несерные пурпурные
бактерии
Животные, большинство
микроорганизмов,
нефотосинтезирующие
клетки растений
10.
Поддержаниесложности
жизнь
Рост и размножение
Поступает энергия не в той форме, в какой
расходуется на строительство
свет
или
? АТФ
химическая
Это превращение мы и будем изучать
11.
Поддержаниесложности
жизнь
Рост и размножение
Обмен веществ =
Метаболизм – все химические реакции в организме
Энергетический обмен
Пластический обмен
Катаболизм – реакции
расщепления
макромолекул на
АТФ
простые
Анаболизм –
реакции синтеза
макромолекул из
простых
12.
ЕдаМолекулы организма
Энергия
потребляется
Энергия
выделяется
Катаболические
реакции
АТФ
Анаболические
реакции
Часть
энергии
теряется
на тепло
Строительные блоки для биосинтеза
13.
Метаболические путималярийного
плазмодия
Зеленым выделен
энергетический обмен
14.
АТФ – универсальный источник энергии в клеткеАденин
Три фосфата
Макроэргические связи
Рибоза
15. Как извлекается энергия из АТФ
гидролизАТФ
+ H2O
→
Ф + AДФ + энергия
7.3 ккал ⁄ моль
1 ккал = 4.3 кДж
Обратная реакция – синтез АТФ,
фосфорилирование – идет с затратой энергии
AДФ + Ф + E →
АТФ
Откуда ее
взять?
16. АТФ – не единственная молекула, способная запасать и переносить энергию
Существуют и другие молекулыпереносчики энергииВ отличие от АТФ они не универсальны
и используются только на промежуточных
этапах энергетического пути
17. Молекулы-переносчики энергии
НАД٠ННАДФ٠Н
ФАД٠Н2
По химической природе –
динуклеотиды Предшественники –
витамины
Этих молекул в клетке мало, но
без них не будут работать
ферменты основных
энергетических путей
18.
Восстановленная формаОкисленная форма
Никотинамид
Аденин
Витамин В5
РР, никотиновая к-та
НАД+
+ энергия
НАД٠Н
19. Гетеротрофный тип питания
20. Источник всего для гетеротрофов –
органические веществаЭнергия
N, P, S
Углерод
и все
остальные
элементы
21. Энергетический путь у гетеротрофов
Органические вещества (еда)Е
Тепловая Е
Подготовительный этап.
Энергия НЕ запасается
ГЛЮКОЗА
Тепловая Е
Е
Клеточное дыхание.
Энергия переводится в АТФ
АТФ
Конечная Е, которая используется на все остальное
22.
Клеточное дыхание – окислениеорганических веществ с целью
синтеза АТФ
Происходит только внутри клеток
Энергия выделяется во всех
реакциях катаболизма, но
запасается – только в этих!
23. 1. Подготовительный этап
Пищеварительная системакровь
Лизосомы в клетках
2. Клеточное дыхание
Цитоплазма
Митохондрии
24. Глюкоза – центральная молекула клеточного дыхания
CH 2 OHo
OH
o
OH
OH
OH
OH
OH
С нее начинается путь к АТФ
25. Суммарное уравнение аэробного дыхания
(СН2О)6 + 6 O2 → 6 СО2 + 6 H2O+ энергия
Цель – запасти в АТФ !
26.
Все в теплогорение
дыхание
часть в тепло
АТФ
АТФ
АТФ
АТФ
27. Этапы клеточного дыхания (окисления глюкозы)
1. Бескислородныйэтап
ГЛЮКОЗА
2 АТФ
В цитоплазме
ПВК
2. Кислородный этап
36 АТФ
В митохондриях
• Цикл Кребса – матрикс
• Окислительное
фосфорилирование –
внутренняя мембрана МХ
СО2
38 АТФ
28. Зачем нужен кислород?
Все реакции – окислительновосстановительныеЭлектроны отбираются у менее
электроотрицательных атомов и групп и
передаются на более электроотрицательные
Нужен конечный акцептор – самый
электроотрицательный из всех
КИСЛОРОД!
29.
Гликолиз – бескислородный этапПолисахариды
Глюкоза
9 реакций
гликолиз
2 ПВК
(пируват)
клетка
30.
HC O
Гликолиз
H C OH
HO C H
H C OH
COOH
2 АТФ
2 НАД·Н
C
H C OH
CH3
CH2OH
9 реакций
D-Glucose
Глюкоза
гликолиз
2 ПВК
(пируват)
клетка
O
31. Ключевые реакции гликолиза
На первых этапах молекула глюкозы распадается на два «осколка» –глицеральдегид 3-фосфаты
2х
2х
32. Завершающая реакция
Окончательным акцептором электронов является ПВК,пируват (ПВК),
промежуточный метаболит гликолиза, восстанавливается до
молочной кислоты.
2х
Гликолиз функционирует во всех живых клетках. Все
ферменты локализованы в цитозоле, формируя
полиферментный комплекс.
33.
34. Что происходит в митохондрии?
35.
О2Аэробный этап
Глюкоза
клетка
гликолиз
Митохондрия
2 ПВК
36.
Аэробный этапПВК
Ацетил-КоА
Цикл
Кребса
перенос
чики Е
АТФ
Митохондрия
О2
37. Ганс Адольф Кребс
В 1937 г, изучая промежуточныестадии обмена углеводов, Кребс
сделал важнейшее открытие в
биохимии.
Он описал цикл лимонной
кислоты, или цикл
трикарбоновых кислот, который в
настоящее время называется
циклом Кребса.
Нобелевская премия по
физиологии и медицине – 1953
38. В цикле Кребса ВСЕ АТОМЫ УГЛЕРОДА, оставшиеся от глюкозы, окисляются до СО2
Но основная масса АТФ ещене образовалась!
И кислород еще в реакции не
вступал!
39.
ацетил-КоАНАД Н
лимонная
ЩУК
кислота
НАД
яблочная
кислота
Цикл
Кребса
фумаровая
КоА
кислота
изолимонная
кислота
НАД
НАД Н
a-кето-
глутаровая
кислота
ФАД Н2
янтарная
сукци-
кислота
нил-
ФАД
ГТФ
АДФ
НАД
НАД Н
КоА
ГДФ
АТФ
8 реакций
40.
Синтез АТФСубстратный
в гликолизе,
цикле Кребса
Разные ферменты
Трансмембранный
На внутренней
мембране
митохондрий
Фермент
АТФ-синтаза
41.
Можно запастив АТФ !
РАБОТА
ЭНЕРГИЯ
42.
H+H+
H+
H+
H+
АДФ
АТФ
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Но сначала надо
накачать →
H+
затратить энергию!
H+
43.
АТФ-синтаза44.
Последний шаг к АТФ – цепь переносаэлектронов на внутренней мембране МХ
Цикл
Кребса
О2
e
e
НАД·Н
ФАД·Н2
45.
1. Цепь переноса электронов2. Окислительное фосфорилирование
АТФ-синтаза
синтезирует
АТФ
Цикл
Энергия
этих электронов
Кребса
позволяет
накачивать
протоны против градиента
+
+
АТФ
e
+
+
+
+
НАД·Н
ФАД·Н2
О2
+
e
+
+
46. Электроннотранспортная цепь в митохондриях
Взаимное расположение компонентов дыхательной цепи суказанием мест фосфорилирования и специфических
ингибиторов.
47.
Электронтранспортная цепь митохондрий48. Электронтранспортная цепь митохондрий
Но ведь с едой мы получаемне только углеводы!
49. Но ведь с едой мы получаем не только углеводы!
Углеводы – «быстрый» источник энергииЖиры – идут в дело, если не хватает
углеводов. Иначе – запасаются
Белки – важнее, как источник
аминокислот. «Сжигаются» в последнюю
очередь
Избыток углеводов переводится в жиры
через цикл Кребса
50.
В одном граммекалорий
углеводов
4
белков
4
жиров
9
51.
ЖирыГлицери
н
Жирны
е
кислот
ы
Углеводы
Белки
Сахара
Ацетил-Ко
А
АТФ
Аминокислоты
52.
АТФ в цифрахВремя жизни – несколько секунд
Человек затрачивает ~ 2 300 ккал энергии в
сутки.
Для этого надо расщепить 166 кг АТФ
На самом деле в организме содержится
только ~ 50 г АТФ
Поэтому каждая молекула АТФ должна вновь
синтезироваться 166 кг : 50 г ≈ 3320 раз в
сутки.
АТФ → АДФ → АТФ
Макеев Основы биологии
53. АТФ в цифрах
Как добывали энергию в древниевремена, когда на Земле не было
кислорода?
54. Как добывали энергию в древние времена, когда на Земле не было кислорода?
Анаэробное дыханиеСамый древний путь получения энергии
Сохранился у всех – и у аэробных тоже
Анаэробы
Строгие
Кислород – яд
Только бактерии
(часть)
Факультативные
Выносят кислород,
но не используют
Часть бактерий,
Простейшие без митохондрий
55. Анаэробное дыхание
Анаэробы идут другим путемТочка развилки –
ПВК
Что надо?
Вернуть кофермент НАД·Н в НАД+
(его мало, а без него не идет гликолиз)
Куда-то деть ПВК
56. Анаэробы идут другим путем
Есть О2? Или нет?http://caricatura.ru/parad/maslov/pic/5016.jpg
57.
Брожение – анаэробное дыханиеГЛЮКОЗА
2 АТФ
ГЛИКОЛИЗ
ПВК
БРОЖЕНИЕ
Молочная кислота
молочнокислое
Животные, бактерии
Если мало кислорода
или организм –
принципиальный
анаэроб
Этиловый спирт
спиртовое
Растения, винные
дрожжи
58. Брожение – анаэробное дыхание
БрожениеCOOH
COOH
C Н OH
C
CH3
COOH
CH3
O
молочная к-та
C H OH
ПВК
CH3
этиловый спирт
59.
Смысл брожения – вернуть НАД+гликолиз
ПВК
глюкоза
НАД+
этанол
НАД·Н
брожение
Акцептор
электронов
от НАД·Н
60.
Брожение – расточительный процессВысокоэнергетические электроны НАД٠Н
отдаются ПВК (акцептор электронов)
Молочная кислота и спирт для клетки
бесполезны
Аэробные бактерии – предки митохондрий
нашли другой акцептор для электронов НАД٠Н –
кислород
Так появился эффективный путь кислородного
дыхания.