экзамен биолог. 1 Качественные особенности живой материи
 Скачать 238.25 Kb.
|
|
Броже́ние — метаболический процесс, при котором регенерируется АТФ, а продукты расщепления органического субстрата могут служить одновременно и донорами, и акцепторами водород. Брожение — это анаэробный (происходящий без участия кислорода) метаболический распад молекул питательных веществ, например глюкозы. По выражению Луи Пастера, «брожение — это жизнь без кислорода». Большинство типов брожения осуществляют микроорганизмы — облигатные или факультативные анаэробы. Броже́ние — процесс анаэробного расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, происходящий под влиянием микроорганизмов или выделенных из них ферментов. Биохимический процесс, вызываемый микроорганизмами и приводящий к распадению органических веществ. Спиртовое брожения уравнение C6H12O6+2H3PO4+2AДФ=2C2H5OH+2CO2+2АТФ+2H2O 16)Механизмы переноса веществ через мембраны митохондрий Одна из главных функций мембран – регуляция переноса веществ в клетку и из клетки, сохранение веществ, которые нужны клетке, и освобождение от ненужных. Прохождение веществ через мембраны может проходить по градиенту концентрации – пассивный транспорт и против градиента концентрации – активный транспорт. Любая молекула может пройти через липидный бислой, однако скорость пассивной диффузии веществ, т.е. перехода вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей, может сильно отличаться. Для некоторых молекул это занимает столь длительное время, что можно говорить об их практической непроницаемости для липидного бислоя мембраны. Скорость диффузии веществ через мембрану зависит главным образом от размера молекул и их относительной растворимости в жирах. Легче всего проходят простой диффузией через липидную мембрану малые неполярные молекулы, такие как О2, стероиды, а также жирные кислоты. Малые полярные незаряженные молекулы - СО2, NH3, Н2О, этанол, мочевина - также диффундируют с достаточно большой скоростью. Диффузия глицерола идёт значительно медленнее, а глюкоза практически не способна самостоятельно пройти через мембрану. Для всех заряженных молекул, независимо от размера, липидная мембрана непроницаема. Транспорт таких молекул возможен благодаря наличию в мембранах либо белков, формирующих в липидном слое каналы (поры), заполненные водой, через которые могут проходить вещества определённого размера простой диффузией, либо специфических белков-переносчиков, которые избирательно взаимодействуя с определёнными лигандами, облегчают их перенос через мембрану (облегчённая диффузия). Облегчённая диффузия веществ В мембранах клеток существуют белки-транслоказы. Взаимодействуя со специфическим лигандом, они обеспечивают его диффузию (транспорт из области большей концентрации в область меньшей) через мембрану. В отличие от белковых каналов, транслоказы в процессе взаимодействия с лигандом и переноса его через мембрану претерпевают конформационные изменения. Кинетически перенос веществ облегчённой диффузией напоминает ферментативную реакцию. Для транслоказ существует насыщающая концентрация лиганда, при которой все центры связывания белка с лигандом заняты, и белки работают с максимальной скоростью Vmax. Поэтому скорость транспорта веществ облегчённой диффузией зависит не только от градиента концентраций переносимого лиганда, но и от количества белков-переносчиков в мембране. Существуют транслоказы, переносящие только одно растворимое в воде вещество с одной стороны мембраны на другую. Такой простой транспорт называют "пассивный унипорт". Примером унипорта может служить функционирование ГЛЮТ-1 - транслоказы, переносящей глюкозу через мембрану эритроцита Облегчённая диффузия (унипорт) глюкозы в эритроциты с помощью ГЛЮТ-1 (S - молекула глюкозы). Молекула глюкозы связывается переносчиком на наружной поверхности плазматической мембраны. Происходит конформационное изменение, и центр переносчика, занятый глюкозой, оказывается открытым внутрь клетки. Вследствие конформационных изменений переносчик теряет сродство к глюкозе, и молекула высвобождается в цитозоль клетки. Отделение глюкозы от переносчика вызывает конформационные изменения белка, и он возвращается к исходной "информации. Некоторые транслоказы могут переносить два разных вещества по градиенту концентраций в одном направлении - пассивный симпорт, или в противоположных направлениях - пассивный антипорт. Типы (виды) облегчённой диффузии с участием переносчиков (транслоказ). S1, S2- разные молекулы. Примером транслоказы, работающей по механизму пассивного антипорта, может служить анионный переносчик мембраны эритроцитов. Пассивный антипорт анионов НСО3- и Сl- через мембрану эритроцитов. А - когда эритроцит находится в венозных капиллярах, анион НСО3-, образованный при диссоциации угольной кислоты, по градиенту концентрации выходит в кровь. В обмен на каждый транспортируемый из клетки ион НСО3- транслоказа переносит в эритроцит ион Cl-; Б - когда кровь достигает лёгких транслоказа производит обмен ионами в противоположных направлениях. Такая "челночная" система работает очень быстро и обеспечивает удаление СО2 из организма и в то же время сохранение оптимального значения рН в клетке. Внутренняя митохондриальная мембрана содержит много транслоказ, осуществляющих пассивный антипорт. 17)Цикл кребса, его значение Ци́кл трикарбо́новых кисло́т (цикл Кре́бса, цитра́тный цикл) — центральная часть общего пути катаболизма, циклический биохимический аэробный процесс, в ходе которого происходит превращение двух- и трёхуглеродных соединений, образующихся как промежуточные продукты в живых организмах при распаде углеводов, жиров и белков, до CO2. При этом освобождённый водород направляется в цепь тканевого дыхания, где в дальнейшем окисляется до воды, принимая непосредственное участие в синтезе универсального источника энергии — АТФ. Цикл Кребса — это ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме. Кроме значительной энергетической роли циклу отводится также и существенная пластическая функция, то есть это важный источник молекул-предшественников, из которых в ходе других биохимических превращений синтезируются такие важные для жизнедеятельности клетки соединения как аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др. 18)Понятие об ЭТЦ и дыхательной цепи митохондрий Дыхательная цепь переноса электронов (ЭТЦ)— система структурно и функционально связанных трансмембранных белков и переносчиков электронов. ЭТЦ запасает энергию, выделяющуюся в ходе окисления НАД∙Н и ФАДН2 молекулярным кислородом (в случае аэробного дыхания) или иными веществами (в случае анаэробного) в форме трансмембранного протонного потенциала за счёт последовательного переноса электрона по цепи, сопряжённого с перекачкой протонов через мембрану. Дыхательная цепь– это совокупностьred-oxреакций в результате которых Н2 и электроны переносятся на О2 с выделением Н2О и энергии. В результате окислительных реакций в цикле Кребса, катализируемых дегидрогеназами, протоны и электроны переходят от органических субстратов на кофакторы НАД и ФАД, восстанавливая их в НАДН иФАДН2. Эти вещества обладают высоким энергетическим потенциалом. Электроны от них передаются на О2 ч/з ряд red-ox реакций. Окисление органических веществ в клетках сопровождающееся потреблением О2 и образованием Н2О называется тканевым дыханием, а цепь переноса электронов – дыхательной цепью. Молекулы НАДН и ФАДН2, образуемые в реакциях окисления углеводов, жирных кислот, спиртов и АК, далее поступают в митохондрии, где ферментами дыхательной цепи осуществляется процесс окислительного фосфорилирования. Дыхательная цепь является частью процесса окислительного фосфорилирования. Компоненты дыхательной цепи катализируют перенос электронов от НАДН + Н+ или восстановленного убихинона (QH2) на молекулярный кислород. Из-за большой разности окислительно-восстановительных потенциалов донора (НАДН + Н+ и, соответственно, (QH2) и акцептора (О2) реакция является высокоэкзергонической. Большая часть выделяющейся при этом энергии используется для создания градиента протонов и, наконец, для образования АТФ с помощью АТФ-синтазы 19)Акцепторы водорода( в митохондриях) Формулы акцепторов водорода: НАД, ФАД, КоQ. Роль кислорода в цепи переноса электронов. Дыхательная цепь – последовательная цепь ферментов, осуществляющая перенос ионов водорода и электронов от окисляемых субстратов к молекулярному кислороду – конечному акцептору водорода. В ходе этих реакций выделение энергии происходит постепенно, небольшими порциями, и она может быть аккумулирована в форме АТФ. Локализация ферментов дыхательной цепи – внутренняя митохондриальная мембрана. I. НАДН-KoQ-редуктаза (содержит промежуточные акцепторы водорода: флавинмононуклеотид и железосерные белки). II. Сукцинат-KoQ-редуктаза (содержит промежуточные акцепторы водорода: ФАД и железосерные белки). III. KoQН2-цитохром с-редуктаза (содержит акцепторы электронов: цитохромы b и с1, железосерные белки). IV. Цитохром с-оксидаза (содержит акцепторы электронов: цитохромы а и а3, ионы меди Cu2+). 20) Понятие об окислительном фосфорилировании. Окисление на уровне ЭТЦ Окислительное фосфорилирование –метаболический путь,при котором энергия, образовавшаяся при окислении питательных веществ, запасается в митохондриях в виде АТФ. Этц-служит для передачи электронов от восстановителя субстратов на кислород,что сопровождается трансмембранным переносом ионов Н+ .Таким образом , ЭТЦ митохондрий выполняет функцию ок-вос.Н-помпы (ЭТЦ локализированная во внутренней мембране митохондрий) 21)Регуляция синтеза АТФ
Дыхательный контроль – это прямое влияние электрохимического градиента на скорость движения электронов по дыхательной цепи (т.е. на величину дыхания). В свою очередь, величина градиента напрямую зависит от соотношения АТФ и АДФ, количественная сумма которых в клетке практически постоянна ([АТФ] + [АДФ] = const). Реакции катаболизма направлены на поддержание постоянно высокого уровня АТФ и низкого АДФ. Возрастание протонного градиента возникает при снижении количества АДФ и накоплении АТФ (состояние покоя), т.е. когда АТФ-синтаза лишена своего субстрата и ионы Н+ не проникают в матрикс митохондрии. При этом ингибирующее влияние градиента усиливается и продвижение электронов по цепи замедляется. Ферментные комплексы остаются в восстановленном состоянии. Следствием является уменьшение окисления НАДН и ФАДН2 на I и II комплексах и замедление катаболизма в клетке. Снижение протонного градиента возникает при исчерпании резервов АТФ и избытке АДФ , т.е. при работе клетки. В этом случае активно работает АТФ-синтаза и через канал Fо проходят в матрикс ионы Н+. При этом градиент, естественно, снижается, поток электронов возрастает, в результате повышается выкачивание ионов Н+ в межмембранное пространство и снова их быстрое "проваливание" через АТФ-синтазу внутрь митохондрий с синтезом АТФ. Ферментные комплексы I и II усиливают окисление НАДН и ФАДН2 (как источников электронов) и снимается ингибирующее влияние НАДН на цикл лимонной кислоты и пируватдегидрогеназный комплекс. Как итог – активируются реакции катаболизма углеводов и жиров. 22)Фотосинтез как процесс планетарного значения Фотосинтез является основным источником биологической энергии, фотосинтезирующие автотрофы используют её для синтеза органических веществ из неорганических, гетеротрофы существуют за счёт энергии, запасённой автотрофами в виде химических связей, высвобождая её в процессах дыхания и брожения. Энергия, получаемая человечеством при сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ, торф) , также является запасённой в процессе фотосинтеза. Фотосинтез является главным входом неорганического углерода в биологический цикл. Весь свободный кислород атмосферы — биогенного происхождения и является побочным продуктом фотосинтеза. Формирование окислительной атмосферы (кислородная катастрофа) полностью изменило состояние земной поверхности, сделало возможным появление дыхания, а в дальнейшем, после образования озонового слоя, позволило жизни выйти на сушу. 23)Энергетическая фаза фотосинтеза Световая фаза фотосинтеза осуществляется в хлоропластах, где на мембранах расположены молекулы хлорофилла. Хлорофилл поглощает энергию солнечного света. Эта энергия используется на синтез молекул АТФ из АДФ и фосфорной кислоты и способствуют расщеплению молекул воды: 2H20=4H++4+O2. Образующийся при этом кислород выделяется в окружающую среду. Под влиянием энергии солнечного света молекула хлорофилла возбуждается, и один из ее электронов переходит на более высокий энергетический урввень. Богатый энергией электрон участвует в окислительно-восстановительных реакциях и отдает избыточную энергию, проходя по цепи переносчиков электронов. Эта цепь образована различными белками, встроенными во внутреннюю мембрану хлоропласта. Отдаваемая электроном энергия используется на синтез молекул АТФ. Таким образом, энергия солнечного света необходима для перемещения электронов по цепи переносчиков электронов. При этом световая энергия преобразуется в химическую и запасается в молекулах АТФ. Молекулы хлорофилла, потерявшие электроны, присоединяют электроны, образующиеся при расщеплении молекулы воды. Процесс расщепления молекул воды под влиянием солнечной энергии называют фотолизом (от греч. fotos - свет и lisis - растворение). В результате фотолиза образуются: Электроны, заполняющие "дырки" в молекулах хлорофилла. Протоны H+, которые соединяются с веществом НАДФ+ - переносчиком ионов водорода и электронов и восстанавливают его до НАДФ•Н. Молекулярный кислород, который выделяется в окружающую среду. Таким образом, в результате световой фазы фотосинтеза восстанавливается НАДФ+ и образуется НАДФ•Н, синтезируется АТФ из АДФ и фосфорной кислоты, выделяется молекулярный кислород. АТФ и НАДФ•H используются в реакциях темновой фазы фотосинтеза. 24)Фотолиз воды: образующиеся продукты ФОТОЛИЗ ВОДЫ — расщепление молекулы воды, в частности в процессе фотосинтеза. Вследствие фотолиза воды образуются протоны (Н+), электроны (е) и свободный кислород, выделяющийся зелеными растениями на свету. Уравнение фотолиза воды 2Н2О (свет) => 4H(+) + 4e(-) + O2 Электроны, образующиеся при фотолизе, восполняют потери их хлорофиллом (как говорят, заполняют «дырку» , возникшую в хлорофилле) . Часть электронов при участии протонов восстанавливает НАДФ+ до НАДФ*Н. Кислород - побочный продукт этой реакции 25)Хлорофилл, особенности строения и расположения в хлоропластах Хлорофилл—зеленый пигмент листьев—состоит нз двух близких по строению веществ хлорофилла а—сине-зеленого и хлорофилла Ь—желто-зеленого цвета. Хлорофилл можно назвать "зеленой кровью" мира растений. В растительном мире он выполняет роль протеина. Если сравнить его с молекулой гемоглобина, выполняющей роль переносчика кислорода в крови человека, то можно сказать, что хлорофилл почти идентичен гемоглобину. Единственное отличие заключается в том, что в центре хелатного комплекса в хлорофилле находится атом магния, а в гемоглобине -железо. Поэтому хлорофилл способен оказывать на кровь воздействие сходное с действием гемоглобина: повышать уровень кислорода, ускорять азотистый обмен. Хлорофилл расположен в мембранах тилакоидов гран между слоями молекул белков и липидов.(Хлоропласт- имеет двухмембранное строение,наружная мембрана-гладкая,внутренняя образует систему двухслойных пластин-тилакоидов стромы и тилакоидов гран) 26)Биохимическая фаза фотосинтеза. Цикл Кальвина-Бенсона Осуществляется в строме хлоропласта,куда поступают АТФ, НАДФ*Н2 от тилакоидов гран и СО2 из воздуха. Кроме того, там постоянно находятся пятиуглеродные соединения-пентозы С5, которые обазуются в цикле Кальвина(цикле фиксации СО2) Упрощенно этот процесс: 1)К пентозе С5 присоединяется СО2, в результате чего появляется нестойкое шестиуглеродное соединение С6,которое расщепляется на две трехуглеродные группы 2С3-триозы 2)Каждая из триоз 2С3 принимает по одной фосфатной группе от двух АТФ, что обогащает молекулы энергией. 3)Каждая из триоз 2С3 присоединяет по одному атому водорода от двух НАДФ*Н2 4)После чего одни триозы обЬединяются , образуя углеводы 2С3С6С6Н12О6 5)Другие триозы обЬединяются , образуя пентозы 5С33С5, и вновь включаются в цикл фиксации СО2. Суммарная реакция фотосинтеза: 6СО2+6Н2О(энергия светта,хлорофилл) С6Н12О6+6О2 27)Регуляция реакций фотосинтеза
Эндогенные механизмы регуляции фотосинтеза. Реализация фотосинтетической функции растения в целом определяется с одной стороны значительной автономностью хлоропластов, а с другой – сложной системой связей фотосинтеза со всеми функциями растения. В ходе онтогенеза в растительном организме всегда присутствуют аттрагирующие зоны (зоны, притягивающие питательные вещества). В аттрагирующих центрах происходит либо новообразование и рост структур, либо интенсивный однонаправленный синтез запасных веществ (клубни, плоды и др.). В обоих случаях состояние аттрагирующих центров определяет величину «запроса» на фотосинтез. Если внешние условия не лимитируют фотосинтез, то ведущая роль принадлежит аттрагирующим центрам. Чем мощнее центры, аттрагирующие ассимиляты, тем интенсивнее фотосинтез. Второй. важный механизм регуляции фотосинтеза связан с фитогормонами и эндогенными ингибиторами роста и метаболизма. Фитогормоны образуются в разных частях растении, в том числе и хлоропластах, и действуют на процессы фотосинтеза как дистанционно, так и непосредственно на уровне хлоропластов. Дистанционное воздействие осуществляется благодаря регулирующему влиянию фитогормонов на процессы роста и развития, на отложение веществ в запас, на транспорт ассимилятов и т.д., т.е. на формирование и активность аттрагирующих центров. С другой стороны фитогормоны оказывают прямое действие на функциональную активность хлоропластов через изменение состояния мембран, активность ферментов, генерацию трансмембранного потенциала. Доказана также роль фитогормонов, в частности цитокинина, в биогенезе хлоропластов, синтезе хлорофиллов, ферментов ц.Кальвина. На интенсивность фотосинтеза влияют такие факторы внешней среды, как: интенсивность и качество света, концентрация углекислого газа, температура, водный режим тканей растения, минеральное питание и др. 28)Хемосинтез(общие положения) способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ служат процессы окисления различных неорганических веществ: аммиака, серы, водорода и соединений железа.Источником водорода д ля восстановления углекислого газа в ходе хемосинтеза являетсяя вода. Хемосинтез был открыт русским ученым Виноградским в 1887 . 29)Хемосинтез: реакции,связанные с железо- и серобактерияими Имеются также бактерии, способные окислять двухвалентное железо до трехвалентного. Общее уравнение хемосинтеза в этом случае выглядит так: 4FeCO3+O2+6H2O=4Fe(OH)3+4CO2+324кДж Такие бактерии, живущие в болотах, образуют болотные месторождения железа В результате деятельности железобактерий образуется Fe(OH)3, скопления которого образуют болотную железную руду. 2H2S + 02 =2H20 + 2S + 272 кДж Бесцветные серобактерии окисляют сероводород и накапливают в своих кллетках сперуу. Выделяющаяся в результате свободная сера накапливается в их клетках в виде множества крупинок. При недостатке сероводорода бесцветные серобактерии производят дальнейшее окисление находящейся в них свободной серы до серной кислоты. При недостатке сероводорода бактерии производят дальнейшее окисление серы до серной кислоты 2S+302+2H20 =2H2S04 + 636 к Дж Образовавшаяся в результате энергия также используется на синтез органического вещества из углекислого газа. Энергетический эффект окисления сероводорода до серной кислоты равен 666 кДж на каждую окисленную грамм-молекулу сероводорода. Колоссальное количество серобактерий имеется в Черном море , в котором глубже 200 м (а в некоторых местах почти от поверхности) вода насыщена сероводородом. Серобактерии,образуя серную кислоту,способствуют постепенному разрушению и выветриванию горных пород, разрушению каменных и металлических сооружений, окисляющие серу до сульфатов,участвуют в очищении промышленных сточных вод. 30)Продуктивность гликолиза(по образованию молекул АТФ) 2 этап –гликолиз(бескислородный): осуществляется в гиалоплазме, с мембранами не связан,в нем участвуют ферменты,расщеплению подвергается глюкоза: --->60% теплота C6H12O6--->2C3H4O3+2H+E (пировиноград.ки-та) --->40% на синтез 2АДФ+2Ф=2АТФ+2НАД*Н 31)Митохондрии как энергетические органеллы |