«Биология. Общие закономерности. 9 класс». С.Г. Мамонтова и др. (гдз)

Энергетический обмен. Автотрофы. Гетеротрофы

Вопрос 1.
Энергетическим обменом или диссимиляцией, или катаболизмом, называется совокупность реакций ферментативного расщепления органических соединений (белков, жиров, углеводов) и образования соединений, богатых энергией (аденозинтрифосфат и др.). АТФ и подобные ему соединения (они называются макроэргическими) обеспечивают разнообразные процессы жизнедеятельности: биологический синтез, поддержание различий концентрации веществ (градиентов) и перенос веществ через мембраны, проведение электрических импульсов, мышечную работу, выделение различных секретов и т.д.
Выделяют три этапа энергетического обмена.
1. Подготовительный этап. Осуществляется он главным образом вне клеток под действием ферментов, секретируемых в полость пищеварительного тракта. На этом этапе молекулы полисахаридов, белков, жиров и нуклеиновых кислот распадаются на более мелкие молекулы — глюкозу, аминокислоты, жирные кислоты, глицерин, нуклеотиды. При этом выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде теплоты.
2. Бескислородный — этап неполного окисления (брожения), также называется анаэробным дыханием (гликолизом). В результате ряда последовательных ферментативных реакций одна молекула глюкозы, содержащая шесть атомов углерода, превращается в две молекулы пировиноградной кислоты (С₃H₄О₃), включающие по три атома углерода каждая. В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ. Пировиногадная кислота восстанавливается затем до молочной кислоты (в мышцах), и суммарное уравнение выглядит так:

С6Н₁₂О₆ + 2H₃Р0₄ + 2АДФ  →  2С₃Н₆О₃ + 2АТФ + 2Н₂О. 

Таким образом, распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ. В АТФ запасается 40% энергии, остальное рассеивается в виде тепла.
Анаэробное расщепление глюкозы (гликолиз) может быть основным источником АТФ в клетке у организмов, не использующих молекулярного кислорода или живущих в его отсутствие, а также в тканях многоклеточных организмов, способных работать в анаэробных условиях (например, в мышцах) во время сильных нагрузок. В этих условиях молекулы пировиноградной кислоты превращаются либо в молочную кислоту, как было описано выше, либо в другие соединения (в этанол и СО₂ в клетках дрожжевых грибов, в ацетон, масляную и янтарную кислоты у разных микроорганизмов и т. д.).
3. Кислородное расщепление — аэробное дыхание. Этот этап катаболизма нуждается в присутствии молекулярного кислорода и называется дыханием.
При этом органические соединения (молочная кислота) окисляются до конечных продуктов СО₂ и Н₂О. Кислородное расщепление сопровождается выделением большого количества энергии и запасанием 90% ее в 36 молекулах АТФ. Суммарное уравнение аэробного дыхания выглядит так:

2С₃Н₆О₃ + 60₂ + 36H₃Р0₄ + 36АДФ  →  6CO₂ + 6Н₂О + 36АТФ + 36Н₂О

Таким образом, при окислении двух молекул молочной кислоты образуются 36 молекул АТФ. Всего в ходе второго и третьего этапов энергетического обмена при расщеплении одной молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клетки энергией играет аэробное дыхание.

Вопрос 2.
В молекулах АТФ запасается больше половины той энергии, которую можно извлечь из органических молекул при окислении их до Н₂О и СО₂. Благодаря образованию АТФ энергия преобразуется в более удобную концентрированную форму, из которой она может легко высвобождаться. В клетке в среднем находится около 1 млрд молекул АТФ, распад которых (гидролиз) до АДФ и фосфата обеспечивает энергией множество биологических и химических процессов, протекающих с поглощением энергии. Отщепление концевого фосфата от молекулы АТФ сопровождается выделением 40 кДж энергии вместо 12 кДж, освобождаемых при разрыве обычных химических связей. Благодаря богатым энергией связям в молекуле АТФ клетка может накапливать большое количество энергии в маленьком пространстве и расходовать ее по мере надобности.

Вопрос 3.
Молекула АТФ состоит из азотистого основания аденина, сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Аденин, рибоза и первый фосфат образуют аденозинмонофосфат (АМФ). Если к первому фосфиту присоединяется второй, получается аденозиндифосфат (АДФ). Молекула с тремя остатками фосфорной кислоты (АТФ) наиболее энергоемка.
Синтез АТФ происходит на внутренней поверхности внутренней мембраны митохондрий.

Вопрос 4.
По типу питания, т.е. по способу извлечения энергии и по источникам энергии, живые организмы делятся на две группы — гетеротрофные и автотрофные. Гетеротрофными (от греч. «гетерос» — другой и «трофе» — пища) называются организмы, неспособные синтезировать органические соединения из неорганических, использующие в виде пищи (источника энергии) готовые органические соединения из окружающей среды. Первые живые организмы на Земле были гетеротрофами. Они использовали в виде пищи органические соединения «первичного бульона». В настоящее время к гетеротрофам относятся болышинство бактерий, грибы и животные.
Автотрофными (от греч. «аутос» — сам и «трофе» — пища) называются организмы, питающиеся (извлекающие энергию) неорганическими веществами почвы, воды, воздуха и создающие из них органические вещества, используемые для построения их тела. К автотрофам относятся некоторые бактерии и все зеленые растения.

Вопрос 5.
Автотрофы — организмы, живущие за счет неорганического источника углерода — углекислого газа и использующие для осуществления процессов синтеза энергию солнечного света — фототрофы (например, зеленые растения) или химических связей — хемотрофы (например, нитрифицирующие бактерии).

Вопрос 6.
Фотосинтез — это процесс трансформации поглощенной организмом энергии света в химическую энергию органических (и неорганических) соединений. Главную роль в этом процессе играет использование энергии света для восстановления СО₂ до уровня углеводов. Фотосинтез — единственный процесс, с помощью которого космическая солнечная энергия улавливается и остается на Земле, трансформируясь в другие формы энергии. Выделяют световую и темновую фазы фотосинтеза.
1. В ходе световых реакций фотосинтеза образуются молекулы АТФ, необходимые для синтеза глюкозы из углекислого газа, и свободный кислород, который является побочным продуктом фотосинтеза.
В световую фазу кванты света взаимодействуют с молекулами хлорофилла, в результате чего эти молекулы (точнее, их электроны) переходят в более богатое энергией «возбужденное» состояние. Избыточная энергия части возбужденных молекул преобразуется в теплоту или испускается в виде света. Другая ее часть передается ионам водорода, Н⁺ всегда находящимся в водном растворе вследствие диссоциации воды. Образовавшиеся атомы водорода непрочно соединяются с молекулами — переносчиками водорода. Ионы гидроксила ОН— отдают свои электроны другим молекулам и превращаются в свободные радикалы ОН. Радикалы ОН взаимодействуют друг с другом, в результате чего образуются вода и молекулярный кислород в соответствии с уравнением:

40Н  → 2H₂O + О₂↑

Следовательно, источником свободного кислорода, выделяющегося в атмосферу, служит вода. Совокупность реакций, приводящих к разложению воды под действием света, носит название фотолиза. Кроме фотолиза воды энергия возбужденных светом электронов хлорофилла используется для синтеза АТФ из АДФ и фосфата без участия кислорода. Это очень эффективный процесс: в хлоропластах образуется в 30 раз больше молекул АТФ, чем в митохондриях тех же растений в результате окислительных процессов с участием кислорода.
Таким образом, совокупность описанных выше реакций может происходить только на свету и называется I световой или светозависимой фазой фотосинтеза.
2. В темновую фазу фотосинтеза происходит образование глюкозы из углекислого газа с затратой энергии. Накопленная в результате светозависимых реакций энергия и атомы водорода, образованные при фотолизе воды, используются для синтеза углеводов из СО₂:

6СО₂ + 24H → C₆H₁₂O₆ + 6H₂O

При связывании неорганического углерода (СО₂) и синтезе органических углеродсодержащих соединений не требуется прямого участия света. Эти реакции называются темновыми, а их совокупность — темновой фазой фотосинтеза.
Суммарная формула фотосинтеза:

6СО₂ + H₂O  C₆H₁₂O6 + 6О₂↑

В зеленых растениях донором водорода, участвующего в фотосинтетических реакциях, служит вода. Именно поэтому образуется свободный кислород, поступающий в атмосферу. Вода — основной источник кислорода на планете Земля!

Вопрос 7.
Многие виды бактерий, способные синтезировать необходимые им органические соединения из неорганических за счет энергии химических реакций окисления, происходящих в клетке, относятся к хемотрофам. Захватываемые бактерией вещества окисляются, а образующаяся энергия используется на синтез сложных органических молекул из СО₂ и Н₂О. Этот процесс носит название хемосинтеза.
Важнейшую группу хемосинтезирующих организмов представляют собой нитрифицирующие бактерии. Исследуя их, С.Н. Виноградский в 1887 г. открыл процесс хемосинтеза. Для биосинтеза они используют энергию химических реакций неорганических соединений. Такие бактерии способны окислять ионы аммония, нитрита, сульфида, сульфита двухвалентного железа, элементарную серу, молекулярный водород и СО. Так, разные группы нитри- фицирующих бактерий последовательно окисляют аммиак до нитрита, а затем из нитрита образуют нитрат.
Деятельность всех этих бактерий — нитрифицирующих, окисляющих железо и серу и переводящих тем самым нерастворимые минералы в легко растворимые сульфаты тяжелых металлов, и многих других играет важную роль в круговороте веществ в природе.
Нитрифицирующие бактерии, обитая в почве, окисляют аммиак, образующийся при гниении органических остатков, до азотистой кислоты:

2NH₃ + 3О₂ = 2NHО₂ + 2H₂O + 635 кДж.

Затем бактерии других видов этой группы окисляют азотистую кислоту до азотной:

2NHО₂ + О₂ = 2NHО₃ + 151,1 кДж.

Взаимодействуя с минеральными веществами почвы, азотистая и азотная кислоты образуют соли, которые являются важнейшими компонентами минерального питания высших растений.
Под действием других видов бактерий в почве происходит образование фосфатов, также используемых высшими растениями.

Вопрос 8.
Гетеротпрофы — организмы, использующие органические источники углерода. Например, все животные, грибы, большинство бактерий. Эти организмы получают все необходимые им питательные вещества с пищей. Последняя расщепляется в пищеварительной системе до мономеров. Некоторые вещества, например углеводы и жиры, подвергаются дальнейшему расщеплению внутри клеток, за счет чего запасается энергия в виде АТФ. Из других мономеров гетеротрофы «строят» свое тело, используя, по сути, энергию химических связей органических молекул (пошедших на синтез АТФ).