Хемосинтез. Поток веществ, энергии и информации из клетки
- 9-11-2021, 20:39
- 556
9 Клас , Биология 9 класс Соболь (новая программа)
§ 21. ХЕМОСИНТЕЗ. ПОТОК ВЕЩЕСТВ, ЭНЕРГИИ И ИНФОРМАЦИИ ИЗ КЛЕТКИ
Основные понятия и ключевые термины: ХЕМОСИНТЕЗ. ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН.
Вспомните! Что такое обмен веществ, энергии и информации?
Знакомьтесь!
Сергей Николаевич Виноградский (1856-1953) - гениальный украинский микробиолог, впервые доказал, что клетки способны образовывать органические вещества не только за счёт световой, но и с помощью химической энергии. Открытое им явление было названо хемосинтезом. 25 мая 2012 г. в г. Городке Хмельницкой области был открыт памятник знаменитому соотечественнику.
СОДЕРЖАНИЕ
Каковы особенности и значение хемосинтеза?
ХЕМОСИНТЕЗ - процесс образования органических веществ из неорганических благодаря энергии, высвобождаемой при преобразовании неорганических веществ. Этот процесс осуществляют хемоавтотрофные бактерии: нитрифицирующие бактерии (окисляют аммиак до азотистой, а затем до азотной кислоты), железобактерии (превращают соединения двухвалентного железа в соединения трёхвалентного железа) и серобактерии (окисляют сероводород до сульфатов) (ил. 50).
Высвобождённая энергия аккумулируется в клетках бактерий в форме АТФ. Хемосинтез происходит аналогично темновой фазе фотосинтеза. Особенностями хемосинтеза, которые отличают его от фотосинтеза, являются то, что этот процесс: а) осуществляется без участия света; б) происходит с использованием кислорода, то есть это аэробный процесс. Источником активного водорода для восстановления НАДФ+, как и у фототрофов, является вода.
Ил. 50. Нитрифицирующая бактерия нитрозомонас (Nitrosomonas europaea)
В планетарном масштабе хемосинтез составляет не более 1 % фотосинтеза, однако он имеет большое значение для биологического круговорота и геохимических преобразований. Значение хемотрофов важно для природы, поскольку они обеспечивают круговорот веществ (нитрифицирующие бактерии), участвуют в образовании горных пород (серобактерии, образующие свободную серу), вызывают коррозию металлов (железобактерии). Хемоавтотрофные организмы могут жить в океанах на больших глубинах, где есть ядовитый сероводород. Они окисляют его и получают органические вещества для жизнедеятельности. Хемосинтезирующие бактерии, окисляющие соединения железа, марганца, распространены и в пресных водоёмах. Вероятно, что именно с их участием в течение миллионов лет на дне болот и озёр образовались залежи железных и марганцевых руд.
Итак, хемосинтез является важным для природы процессом пластического обмена, осуществляется без света с использованием кислорода.
Каковы базовые принципы синтетических процессов в клетках и организмах?
ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН, или анаболизм (от греч. анаболе — подъём), - совокупность процессов синтеза органических веществ, происходящих в живом с использованием энергии. Основными процессами синтеза, с которыми вы ознакомились, являются фотосинтез, хемосинтез, биосинтез белков, биосинтез ДНК и РНК.
Для синтетических процессов пластического обмена нужна энергия, то есть наблюдается его энергозависимость. Автотрофные организмы осуществляют биосинтез из неорганических веществ (воды и СО2), используя энергию света (фотоавтотрофы) или энергию окислительно-восстановительных реакций (хемоавтотрофы). Гетеротрофные организмы осуществляют синтез собственных органических веществ, используя готовые питательные вещества как источник простых органических соединений и энергии. Поэтому пластический обмен взаимосвязан с энергетическим обменом, поскольку для синтеза нужны энергия и простые молекулы, образующиеся в реакциях распада. Но в любом случае энергия, которая используется для процессов пластического обмена, является химической энергией АТФ.
Все живые организмы требуют определённых веществ и энергии АТФ для синтеза собственных органических веществ. Этот принцип является жизненно важным для клетки, поскольку собственные органические молекулы не вызывают иммунных реакций отторжения, имеют определённое значение в жизнедеятельности, взаимосвязаны с другими молекулами. Все это обусловливает генетическую определённость подавляющего большинства реакций биосинтеза.
Для процессов пластического обмена характерна этапность, что объясняется усложнением продуктов и использованием безопасного количества энергии. Так, процессы фотосинтеза проходят в световой и темновой фазах, процессами биосинтеза белков являются транскрипция и трансляция.
В процессах пластического обмена участвуют почти все компоненты клетки, но сложные анаболические процессы происходят при участии специализированных клеточных структур. Так, фотосинтез у растений происходит в хлоропластах, синтез белков - на рибосомах, биосинтез липидов - в цистернах гладкой ЭПС. Процессы биосинтеза могут проходить и в цитоплазме, но только при определённых условиях.
Итак, базовыми принципами анаболизма являются энергозависимость, использование АТФ, направленность на синтез собственных органических веществ и этапность прохождения.
Как происходят выделение и переход веществ из клетки?
Жизнедеятельность клеток сопровождается образованием самых разнообразных веществ. Так, по завершении дыхания образуются конечные продукты окисления СО2, Н2О, Н2О2, NH3, при фотоавторофном питании выделяется молекулярный кислород, для внеклеточного пищеварения секретируются наружу ферменты. Для подавления жизнедеятельности других клеток бактериальные или грибные клетки выделяют антибиотики, при движении клеток усиливается теплоотдача и др. Болезнетворные бактерии Helicobacter pylori использует систему секреции, чтобы впрыснуть специальный белок в эпителиальные клетки желудка.
Разнообразие способов и веществ, выделяемых клетками, объединено в три типа выделения: 1) экскреция веществ; 2) секреция веществ; 3) внутриклеточное выделение.
Экскреция (от лат. excretio - выделение) - совокупность процессов, направленных на вывод неиспользованных продуктов обмена веществ и энергии, а также чужеродных и вредных для клетки веществ. Эти соединения могут выделяться как в неизмененном виде (например, СО2, Н2О), так и после значительных преобразований (например, расщепление пероксида водорода, преобразования аммиака в мочевину). Выведение осуществляют органеллы клеток или органы выделения у многоклеточных организмов.
Секреция (от лат. secretio - отделение) - процессы образования и выделения клеткой веществ-секретов. В частности клетками секретируются различные сигнальные молекулы, антибиотические вещества для защиты от патогенов или конкурентов, экзоферменты для пищеварения, питательные вещества и т. п. Клеточная секреция характерна для всех живых клеток.
Своеобразным способом выделения являются внутриклеточное выделение и изоляция переведённых в труднорастворимую форму продуктов обмена (например, в уратных клетках насекомых откладывается мочевая кислота, в хлорагогенных клетках дождевых червей откладывается гуанин или мочевая кислота). Органические кислоты, которые могут нанести вред клетке, в основном связываются с катионами и откладываются в виде кристаллических включений в цитоплазме.
Переход веществ из клеток осуществляется путём диффузии через клеточные поры, облегчённой диффузии с помощью белков-переносчиков, путём экзоцитоза. Важную роль в выделении выполняют везикулы. Это относительно небольшие клеточные органеллы, отделённые от цитозоля липидной мембраной. Если у везикулы один слой липидов, она называется одноламелярной, если больше - многоламелярной. Везикула служит для хранения, транспортирования и переработки питательных веществ, продуктов и отходов клетки.
Итак, значение выделения заключается в поддержании гомеостаза клетки, защите органелл и важных веществ от вредного воздействия опасных веществ или клеток, коммуникации с другими клетками, обеспечении регуляции функций.
ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
Задание на сопоставление
Сравните хемосинтез и фотосинтез и сформулируйте вывод о сходстве и различии этих процессов пластического обмена.
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ХЕМО- И ФОТОСИНТЕЗА
Биология + Экология
Жители пещеры Мовилэ
Пещера Мовилэ — пещера на территории Румынии, известная своей уникальной экосистемой. Жизнь в пещере развивалось отдельно от внешнего мира на протяжении 5,5 млн лет, и его основой является хемосинтез. Цепи питания основываются на хемосинтезе метано- и серобактерий. Интересно, какие экологические условия пещеры являются благоприятными для хемосинтеза?
ОТНОШЕНИЕ
Биология + Экология
Исследователи из британского Университета Лафборо обнаружили, что росянка круглолистная (Drosera rotundifolia) - хищное растение, которое становится вегетарианцем в результате загрязнения окружающей среды, вызванного деятельностью человека. Дело в том, что увеличение уровня азота в почве в результате сжигания угля означает, что растению больше не нужно ловить насекомых для получения важнейших питательных веществ, необходимых для выживания. А как изменится пластический обмен росянки в связи с изменением её питания?
РЕЗУЛЬТАТ
Коментарі (0)