Вопросы для самоконтроля
1. Дайте характеристику следующим понятиям: «метаболизм», «анаболизм», «катаболизм».
2. Механизм гликолиза.
3. Аэробное дыхание. В чем заключается биологическое значение Цикла трикарбоновых кислот?
4. Процесс брожения
5. Составьте общую схему превращения пировиноградной кислоты в процессах дыхания и брожения.
6. Дайте характеристику молочнокислому, спиртовому и маслянокислому брожению.
7. Охарактеризуйте основные способы расщепления аминокислот в клетке.
8. Какова роль липидов в клетке.
9. Составьте схему глиоксилатного пути, каково его значение?
10. Дайте характеристику метилотрофным организмам.
6. Ассимиляция у автотрофных и гетеротрофных организмов
Ассимиляция (анаболизм) - процесс синтеза органических веществ из исходных неорганических веществ (СО2, Н2О, NН3) –автотрофная ассимиляциязеленых растений, цианобактерий и некоторых бактерий) или органических соединений – чужеродных углеводов, жиров и белков (гетеротрофная ассимиляция). При этом универсальную роль в обеспечении клетки химической энергией играет АТФ, который образуется при реакциях катаболизма.
Биосинтез углеводов
Ассимиляция углеводов – процессы восстановления, направленные от максимально окисленного исходного вещества – СО2– к менее окисленным продуктам – углеводам [(СН2О)n].
У зеленых растений и цианобактерий источником необходимых для восстановления электронов служит вода, которая при отщеплении электронов окисляется. У зеленых и пурпурных бактерий донорами электронов служат соединения серы. При этом энергетические затраты удовлетворяются либо за счет световой энергии в процессе фотосинтеза, либо за счет окисления неорганических веществ (Н2S, NН3) в процессе хемосинтеза.
Фотосинтез – процесс преобразования энергии света в химическую энергию, которая накапливается в форме АТФ и водорода, связанного с коферментом (НАДФ·Н) и образование органических веществ. Исходным сырьем для синтеза углеводов является СО2.
Таким образом, фотосинтез состоит из двух процессов:
1) преобразование энергии фотонов (световой процесс);
2) образование углеводов (темновой процесс).
Общий вид процесса фотосинтеза:
Восстановитель [Н2] образуется при расщеплении воды за счет энергии света (фотолиз), при котором выделяется О2. АТФ синтезируется при прохождении электронов по цепи транспорта электронов. Переносчиком водорода служит НАДФ: НАДФ·Н; НАДФ·Н + Н+ и АТФ направляются в темновой процесс, где они используются для синтеза углеводов из СО2, а затем НАДФ+ и АТФ снова используются в световом процессе.
Поглощение света и возбуждение пигментов.
Хлорофилл содержится в хлоропластах и хроматофорах клеток зеленых растений и циано- и пурпурных бактерий. При попадании света на молекулу хлорофилла, один из ее электронов оказывается в возбужденном состоянии, т.е. переходит на более высокий энергетический уровень. Возбужденные электроны передаются затем другим молекулам, в результате чего повышается свободная энергия молекулы-акцептора, а «брешь» в молекуле хлорофилла заполняется электроном, поступающим из воды. Молекула воды при этом окисляется, в результате выделяется молекулярный кислород (рис. 40).
Рис. 40. Схема процесса фотосинтеза
Таким образом, в молекулах хлорофилла световая энергия переводит электроны на более высокий энергетический уровень. Хлорофилл является промежуточным соединением на пути электронов с низкоэнергетического уровня в молекулах воды к высокоэнергетическому уровню в конечном акцепторе электронов.
Цикл Кальвина.Большинство фото- и хемотрофных организмов усваивают СО2через восстановительный пентозофосфатный цикл. Однако хемосинтезирующие бактерии синтезируют углеводы, используя химическую энергию АТФ, запасенную в результате окисления неорганических веществ. Цикл Кальвина имеет универсальное значение как для эукариотных, так и для прокариотных микроорганизмов, использующих СО2как основной источник углерода. В цикле Кальвина в результате ряда реакций синтезируется гексоза (фруктозо-6-фосфат).
Процесс можно разделить на три фазы:
1). Фаза карбоксилирования:
Реакция катализируется ферментом рибулозобисфосфаткарбоксилаза (ключевой фермент всего цикла).
2). Фаза восстановления: фосфоглицерат при участии НАДФ·Н (восстановитель) и АТФ (донор энергии) восстанавливается до 3-фосфоглицеральдегида.
3). Фаза регенерации: каждая шестая молекула фосфоглицеральдегида выходит из цикла и через промежуточные реакции синтезируются глюкоза, сахароза, крахмал и др. Из остальных молекул фосфоглицеральдегида при участии новых АТФ регенерируется рибулозо-1,5-бисфосфат. С окончанием этой фазы цикл замыкается.
Следовательно, химическая энергия, генерированная световыми реакциями, стабилизируется в молекулах глюкозы в процессе темновых реакций.
Подсчитано, что в листьях зеленых растений Земли и в фитопланктоне водоемов ежегодно синтезируется около 150 млрд. тонн органического вещества и выделяется в атмосферу около 200 млрд. тонн кислорода.
У гетеротрофных организмов известны другие пути фиксации СО2:
- карбоксилирование пирувата с образованием яблочной или щавелевоуксусной кислоты:
- карбоксилирование ацетил-КоА с образованием пирувата:
- синтез углеводов из пирувата и углерода С2- и С3-соединений.