Вещество и энергия для жизни на Земле - КЛЕТКА КАК СТРУКТУРНАЯ ЕДИНИЦА ОРГАНИЗМА

Постановка проблемы урока

Ученик:В природе происходит круговорот веществ. Наверное, бывает и круговорот энергии?

Учитель:С энергией сложнее: передавать её без потерь невозможно. Зато у нас есть неисчерпаемый источник энергии - солнце. Правда, не все организмы умеют использовать его.

•На какой вопрос мы будем искать ответ? Предложите свой и сравните с вариантом авторов на с. 396.

Необходимые базовые знания

• Приведите примеры автотрофных и гетеротрофных организмов. (5-7, 9 классы)

• Почему большинство растений - зелёного цвета? (9 класс)

• Что такое фотосинтез? Какова его роль в природе? (9 класс)

• Как растение приспособлено к фотосинтезу? (5-6, 9 класс)

Решение проблемы

Клеточный метаболизм

• Какие два противоположных процесса составляют обмен веществ? Чем различаются их источники, назначение и результаты?

Живую клетку можно сравнить со сложнейшим химическим комбинатом. В ней непрерывно идут тысячи химических реакций. Некоторые из них направлены на синтез, другие — на расщепление сложных молекул. Удивительно, что большинство этих реакций протекает у всех организмов сходным образом либо просто одинаково. Безусловно, есть и реакции, специфические для какой-либо отдельной группы, но огромное количество химических процессов и управляющих ими ферментов присуще всем живым организмам — от бактерии до человека.

Во всех случаях для работы клетки необходим приток веществ и энергии, так как вещества расходуются и выводятся наружу, а без притока энергии никакую работу выполнить невозможно. Из поступающих в клетку компонентов создаются новые молекулы для замены израсходованных веществ, для построения и “починки” органелл. Совокупность реакций биологического синтеза веществ в клетке называютпластическим обменом, или ассимиляцией.

Наряду с реакциями синтеза, в клетке происходит постоянный распад сложных органических веществ до более простых соединений. При этом высвобождается энергия, которая используется для транспорта веществ, мышечного сокращения, деления клетки и других процессов,

в том числе и для реакций биосинтеза. Совокупность реакций разложения сложных органических веществ на простые молекулярные блоки с выделением энергии называетсяэнергетическим обменом, или диссимиляцией.

Противоположные процессы пластического и энергетического обмена тесно взаимосвязаны и невозможны друг без друга. Это две стороны одного процесса - обмена веществ, или метаболизма. В организме они находятся в состоянии динамического равновесия. Преобладание пластических, “созидательных”, процессов приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание энергетических, “разрушительных” — ведёт к разрушению тканей.

По способу питания все организмы можно подразделить на две основные группы:автотрофы и гетеротрофы.Автотрофы поглощают энергию солнца (реже — энергию окисления неорганических соединений) и запасают её в форме органических веществ, а затем потребляют их по мере необходимости. Гетеротрофы поедают первых и таким образом становятся потребителями этих органических веществ и связанной в них энергии, направляя их на свои нужды.

При использовании энергии только часть её выполняет полезную работу в организме, а другая часть неизбежно рассеивается в виде тепла. Этот вид энергии трудно уловить, поэтому необходим постоянный приток доступной энергии в виде органических веществ. Связывание космической световой энергии — основной источник жизни, и единственный способ её усвоения —фотосинтез.

Наряду с энергетической ценностью пищи, очень важен и её состав. Это связано с потребностью организма в огромном количестве и разнообразии веществ, обеспечивающих все его структуры и функции. Минеральная основа этих веществ, как и энергия, вводится в оборот в основном автотрофами, которые встраивают неорганические вещества в органические молекулы и делают их доступными для усвоения другими организмами.

Как заряжаются биологические аккумуляторы?

• В чём проявляется единство фотосинтеза и дыхания?

Пополнение запаса энергии в живых клетках происходит в результате окислительно-восстановительных реакций. В процессе потери электрона (окисления) одним органическим веществом (донором) и передачи его другому (акцептору, который при этом восстанавливается) выделяется энергия. Она частично рассеивается в виде тепла, но значительная часть её запасается в виде макроэргических (высокоэнергетических) связей АТФ или других молекул-аккумуляторов энергии. При фотосинтезе и дыхании несколько таких реакций объединены в цепочки-

каскады органических молекул (переносчиков), по которым, как по лестнице, “скачет” электрон с последовательным понижением своего энергетического уровня. Так, постепенно теряя свою энергию и заряжая “по пути” молекулярные аккумуляторы, электрон попадает к своему последнему акцептору. Фотосинтез — это процесс, в котором происходит кругооборот электронов, вновь и вновь получающих энергию от солнца и отдающих её макроэргическим связям молекул АТФ. Затем последние используются для синтеза углеводов из углекислого газа.

Хлоропласт - лаборатория фотосинтеза

• Какие структуры растений обеспечивают протекание фотосинтеза?

Реакции фотосинтеза идут в хлоропластах. Они могут присутствовать в клетках различных органов растений — плодов, стеблей, но главным органом, анатомически приспособленным к улавливанию света, безусловно, является лист. Особенно богаты хлоропластами клетки паренхимы листа. Хлоропласт окружён двойной мембраной и заполнен полужидким содержимым — стромой. Внутренняя мембрана образует множество плоских мешочков — тилакоидов, собранных в стопки — граны. В мембране тилакоидов содержится пигмент хлорофилл, способный поглощать энергию света, и молекулы — переносчики электронов.

13.1. Лист — орган фотосинтеза

•Почему листья считают основными фотосинтезирующими органами растений? Как это отражено в их строении на разных уровнях организации?

Общий результат фотосинтеза можно записать в виде суммарного уравнения таким образом:

углекислый газ + вода + свет —> глюкоза + кислород

или

6СO₂+ 6Н₂O+ Е —> С6Н₁₂O₆+ 6O₂.

Фотосинтез зелёных растений проходит в два этапа. Первый объединяет реакции, идущие только на свету, и поэтому называется световой фазой. Второй этап называют темповой фазой, потому что его реакции не зависят от света и могут проходить как на свету, так и в темноте.

Хлорофилл и ферменты, необходимые для световой фазы, расположены в тилакоидах, а ферменты, участвующие в реакциях темновой фазы, расположены в строме.

Световая фаза фотосинтеза

• Как происходит улавливание световой энергии? Что является результатом светозависимой фазы фотосинтеза?

Для тогочтобы синтезировать молекулу углевода из СO₂и Н_2O, необходима энергия, которую клетка получает в виде света и запасает в виде АТФ в световой фазе фотосинтеза. В мембранах тилакоидов молекулы хлорофилла в сочетании с другими пигментами и ферментами образуют компактно организованные фотоловушки двух типов (фотосистема II и фотосистема I), которые активируются попаданием в них элементарных частиц света — фотонов. Только синяя и красная части спектра используются в фотосинтезе, а зелёный свет проходит насквозь (поэтому растения зелёные).

Энергия фотона передаётся электрону в молекуле хлорофилла. В результате возбуждённый электрон переходит на более высокий энергетический уровень и передаётся по цепочке молекул-переносчи- ков при помощи ферментов. Вследствие этого при возвращении электрона к более низкому энергетическому уровню освобождается энергия, которая запасается путём синтеза нескольких молекул-аккумуляторов энергии АТФ и НАДФ • Н (читается надэф-аш). НАДФ • Н способен отдавать электрон и протон, т.е. окисляться, превращаясь в НАДФ+ и восстанавливая другие химические соединения.

Молекулы хлорофилла в фотоловушках теряют электроны, эта потеря восполняется за счёт расщепления молекулы воды. На это также расходуется энергия света. В результате образуется молекулярный кислород, который выделяется в атмосферу, а протоны поступают в строму. Таким образом, в результате световой фазы фотосинтеза солнечная энергия запасается в форме биохимических аккумуляторов - молекул АТФ и НАДФ • Н. При этом в качестве побочного продукта реакции выделяется кислород.

13.2. Световая и темповая фазы фотосинтеза

Темновая фаза фотосинтеза

• Что является результатом фазы фотосинтеза, независимой от света?

Заряженные на мембране тилакоидов “аккумуляторы” АТФ и НАДФ • Н используются в строме хлоропласта для химических реакций, в которых из углекислого газа воздуха образуются молекулы шестиуглеродного сахара - глюкозы. Для протекания этих реакций солнечный свет уже не нужен. В строме растворено достаточно углекислого газа, попавшего в клетки из воздуха через устьица. Углекислый газ соединяется с водородом, используя энергию, принесённую молекулами НАДФ • Н и АТФ, в результате чего образуется глюкоза.

На самом деле этот процесс далеко не так прост. Он состоит из 15 реакций и выполняется сложным ферментативным комплексом при участии воды, ионов водорода, фосфатных групп и простых сахаров. Атомы углерода сначала встраиваются в готовую цепочку пятиуглеродного сахара, в результате чего получается неустойчивое вещество, которое распадается на две трехуглеродные молекулы. Они вступают в цикл реакций, из которого выходят молекулы глюкозы и исходных веществ. Эта сложная циклическая система реакций, создающая первичные органические вещества, названа циклом Кальвина по имени американского учёного, описавшего весь процесс. Энергию для них доставляют молекулы АТФ и НАДФ • Н, синтезированные в световой фазе. Сделав своё дело и превратившись, соответственно, в АДФ и НАДФ⁺, они вновь готовы принять от фотоловушек новую порцию энергии.

В дальнейшем молекулы глюкозы используются в двух направлениях: в качестве топлива и строительного материала. Особую ценность имеет углеродный “скелет” глюкозы. На нём могут прикрепляться различные функциональные группы атомов, которые определяют химические свойства создаваемых органических соединений. Простые углеводы могут полимеризоваться в макромолекулы. Так запасают сахара впрок растения в виде крахмала, а животные — в виде гликогена. Таким образом, с глюкозы, полученной в результате фотосинтеза, начинается всё разнообразие структур и функций в органическом мире.

Заметим, что подавляющее большинство гетеротрофных организмов по двум причинам зависят от фотосинтезирующих автотрофов: они питаются созданными ими органическими веществами и потребляют при дыхании выделенный автотрофами кислород. Кислород им необходим как окислитель для получения энергии из пищи. Реакции фотосинтеза — главный источник свободного кислорода на Земле. Древние фотосинтезирующие бактерии, подобные современным цианобактери

ям, были среди первых обитателей Земли более трёх миллиардов лет назад. Считается, что именно они насытили атмосферу Земли кислородом — побочным продуктом фотосинтеза. Фотосинтезирующие бактерии, водоросли и растения постоянно пополняют запасы кислорода в атмосфере Земли.

Обобщение новых знаний

Живым клеткам необходим постоянный приток органических веществ и энергии. Главным источником энергии для живых существ является солнце. Фотосинтезирующие организмы используют энергию света для синтеза органических молекул. При этом в качестве побочного продукта выделяется кислород. Гетеротрофы используют энергию и органические вещества, синтезированные автотрофами.

Пластический обмен. Энергетический обмен. Автотрофы. Гетеротрофы. Фотосинтез. Световая фаза. Темновая фаза

Применение знаний

1. Объясните взаимосвязь пластического и энергетического обмена.

2. Какую роль в фотосинтезе играет цепь переносчиков электронов?

3. Как при фотосинтезе образуется кислород?

4. Используя суммарное уравнение фотосинтеза, скажите, какие факторы могут влиять на интенсивность этого процесса.

5. Почему скорость фотосинтеза зависит от температуры? При какой температуре она может повыситься? понизиться? Почему?