- Источник энергии для организма: белки, жиры и углеводы, полезные вещества, процессы и виды энергии
- Строение белков
- Функции и расположение в организме
- Свойства и превращение белков в организме
- Обмен белков
- Сахариды
- Отличительные особенности дисахаридов
- Полисахариды
- Обмен углеводов
- Изменение уровня сахара в организме
- О важности глюкозы
- Коротко о жирах
- Экосистема и ее факторы
- Продуценты, консументы и редуценты
- Пищевые цепи
- Экологическая пирамида
- Агроценоз
- Факторы экосистемы
- Закон оптимума
- БИОЭНЕРГЕ́ТИКА
- Историческая справка
- Источники энергии для организмов
- Механизмы усвоения и использования энергии в организмах
- Круговорот веществ в биосфере, геологический и биохимический виды, значение живых организмов
- Виды круговоротов веществ
- Геологический
- Биохимический
- Какую функцию выполняет круговорот веществ в биосфере?
- Функция и значение живых организмов
- Роль редуцентов в круговороте веществ
- Значение бактерий
- Какова роль грибов в круговороте веществ в биосфере?
Источник энергии для организма: белки, жиры и углеводы, полезные вещества, процессы и виды энергии
Основными источниками энергии для организма являются углеводы, белки, минеральные соли, жиры, витамины. Они обеспечивают его нормальную деятельность, позволяют организму функционировать без особых проблем. Питательные вещества – это источники энергии в организме человека.
Кроме того, они выступают в качестве строительного материала, способствуют росту и воспроизводству новых клеток, появляющихся на месте отмирающих. В том виде, в котором они употребляются в пищу, их невозможно всосать и использовать организмом.
Только вода, а также витамины и минеральные соли усваиваются и всасываются в том виде, в котором они поступают.
Основными источниками энергии для организма являются белки, углеводы, жиры. В пищеварительном тракте они подвергаются не только физическим воздействиям (перетираются и измельчаются), но и химическим превращениям, происходящим под воздействием ферментов, которые находятся в соке специальных пищеварительных желез.
Строение белков
В растениях и животных есть определенное вещество, являющееся основой жизни. Этим соединением является протеин. Обнаружены белковые тела были биохимиком Жераром Мюльдером в 1838 году.
Именно им была сформулирована теория протеина. Слово «протеин» с греческого языка означает «занимающий первое место». Примерно половину сухого веса любого организма составляют именно белки.
У вирусов такое содержание колеблется в диапазоне 45-95 процентов.
Рассуждая о том, что является главным источником энергии в организме, нельзя оставить без внимания белковые молекулы. Они занимают особое место по биологическим функциям и значению.
Функции и расположение в организме
Около 30 % белковых соединений располагается в мышцах, порядка 20 % обнаружено в сухожилиях и в костях, а 10 % содержится в коже. Максимально значимыми для организмов являются ферменты, управляющие обменными химическими процессами: перевариванием пищи, активностью желез внутренней секреции, работой мозга, мышечной деятельностью. Даже в небольших бактериях содержатся сотни ферментов.
Протеины – это обязательная часть живых клеток. В них содержится водород, углерод, азот, сера, кислород, а в некоторых есть и фосфор. Обязательным химическим элементом, содержащимся в белковых молекулах, является азот. Именно поэтому эти органические вещества называют азотсодержащими соединениями.
Свойства и превращение белков в организме
Попадая в пищеварительный тракт, они расщепляются на аминокислоты, которые всасываются в кровь и используются для синтеза специфичного для организма пептида, затем окисляются до воды и углекислого газа. При повышении температуры происходит свертывание белковой молекулы. Известны такие молекулы, которые способны растворяться в воде только при нагревании. К примеру, такими свойствами обладает желатин.
После поглощения пища сначала оказывается в ротовой полости, потом она движется по пищеводу, попадает в желудок. В нем находится кислая реакция среды, которая обеспечивается соляной кислотой.
В желудочном соке есть фермент пепсин, который расщепляет белковые молекулы на альбумозы и пептоны. Это вещество активно только в кислой среде. Пища, которая поступила в желудок, способна задерживаться в нем 3-10 часов, в зависимости от ее агрегатного состояния и характера.
Поджелудочный сок обладает щелочной реакцией, в нем есть ферменты, способные расщеплять жиры, углеводы, белки.
Среди его основных ферментов выделяют трипсин, который в соке поджелудочной железы располагается в виде трипсиногена. Он не способен расщеплять белки, но при соприкосновении с кишечным соком превращается в активное вещество – энтерокиназу. Трипсин расщепляет белковые соединения до аминокислот.
Заканчивается переработка пищи в тонкой кишке. Если в двенадцатиперстное кишке и в желудке жиры, углеводы, белки почти полностью распадаются, то в тонкой кишке происходит полное расщепление питательных веществ, всасывание в кровь продуктов реакции.
Осуществляется процесс через капилляры, каждый из которых подходит к ворсинкам, располагающимся на стенке тонкой кишки.
Обмен белков
После того как белок полностью распадется на аминокислоты в пищеварительном тракте, они всасываются в кровь. Также в нее попадает и незначительное количество полипептидов.
Из аминокислотных остатков в организме живого существа синтезируется специфичный белок, в котором нуждается человек или животное.
Процесс образования новых белковых молекул протекает в живом организме непрерывно, поскольку отмирающие клетки кожи, крови, кишечника, слизистой оболочки удаляются, а на их месте образуются молодые клетки.
Для того чтобы осуществлялся синтез белков, необходимо, чтобы они вместе с пищей поступали в пищеварительный тракт.
Если полипептид вводится в кровь, минуя пищеварительный тракт, человеческий организм не имеет возможности его использовать.
Подобный процесс может негативно отражаться на состоянии человеческого организма, вызывать многочисленные осложнения: повышение температуры, паралич дыхания, сбой сердечной деятельности, общие судороги.
Белки нельзя заменить иными пищевыми веществами, поскольку для их синтеза внутри организма необходимы аминокислоты. Недостаточное количество этих веществ приводит к задержке либо приостановлению роста.
Сахариды
Начнем с того, что углеводы – главный источник энергии организма. Они представляют собой одну из главных групп органических соединений, в которых нуждается наш организм.
Этот источник энергии живых организмов является первичным продуктом фотосинтеза.
в живой растительной клетке углеводов может колебаться в диапазоне 1-2 процентов, а в некоторых ситуациях этот показатель достигает 85-90 процентов.
Основными источниками энергии живых организмов являются моносахариды: глюкоза, фруктоза, рибоза.
В составе углеводов есть атомы кислорода, водорода, углерода. К примеру, глюкоза – источник энергии в организме, имеет формулу С6Н12О6. Существует подразделение всех углеводов (по строению) на простые и сложные соединения: моно- и полисахариды. По количеству углеродных атомов моносахариды делят на несколько групп:
- триозы;
- тетрозы;
- пентозы;
- гексозы;
- гептозы.
Моносахариды, которые имеют в составе пять и более углеродных атомов, при растворении в воде могут образовывать кольцевую структуру.
Основным источником энергии в организме является глюкоза. Дезоксирибоза и рибоза являются углеводами, имеющими особое значение для нуклеиновых кислот и АТФ.
Глюкоза – это главный источник энергии в организме. С процессами превращения моносахаридов напрямую связан биосинтез многих органических соединений, а также процесс выведения из него ядовитых соединений, которые попадают извне либо образуются в результате распада белковых молекул.
Отличительные особенности дисахаридов
Моносахарид и дисахарид – это основной источник энергии для организма. При объединении моносахаридов происходит отщепление, а продуктом взаимодействия выступает дисахарид.
Среди типичных представителей данной группы можно отметить сахарозу (тростниковый сахар), мальтозу (солодовый сахар), лактозу (молочный сахар).
Такой источник энергии для организма, как дисахариды, заслуживает детального изучения. Они отлично растворяются в воде, обладают сладким вкусом. Чрезмерное употребление сахарозы приводит к появлению серьезных сбоев в организме, поэтому так важно соблюдать нормы.
Полисахариды
Отличным источником энергии для организма служат такие вещества, как целлюлоза, гликоген, крахмал.
В первую очередь любой из них можно рассматривать как источник энергии для человеческого организма. В случае их ферментативного расщепления и распада происходит выделение большого количества энергии, используемой живой клеткой.
Этот источник энергии для организма выполняет и иные важные функции. Например, хитин, целлюлоза применяются в качестве строительного материала.
Полисахариды отлично подходят организму в качестве запасных соединений, поскольку они не растворяются в воде, не оказывают химического и осмотического действия на клетку. Подобные свойства позволяют им сохраняться длительное время в живой клетке.
В обезвоженном виде полисахариды способны увеличивать массу запасаемых продуктов благодаря экономии объема.
Такой источник энергии для организма способен противостоять болезнетворным бактериям, попадающим в организм вместе с пищей. В случае необходимости при гидролизе происходит превращение запасных полисахаридов в простые сахара.
Обмен углеводов
Как ведет себя главный источник энергии в организме? Углеводы поступают в большей степени в виде полисахаридов, к примеру, в виде крахмала. В результате гидролиза из него образуется глюкоза.
Моносахарид всасывается в кровь, благодаря нескольким промежуточным реакциям он расщепляется на углекислый газ и воду.
После окончательного окисления происходит высвобождение энергии, которую использует организм.
Процесс расщепления солодового сахара и крахмала протекает непосредственно в полости рта, в качестве катализатора реакции выступает фермент птиалин. В тонких кишках углеводы распадаются до моносахаридов. В кровь они всасываются в основном в виде глюкозы.
Процесс протекает в верхних отделах кишечника, а вот в нижних углеводов почти нет. Вместе с кровью сахариды попадают в воротную вену, доходят до печени.
В том случае, когда концентрация сахара в человеческой крови составляет 0,1 %, углеводы проходят через печень, оказываются в общем кровотоке.
Необходимо поддерживать постоянное количество сахара в крови около 0,1 %. При избыточном попадании в кровь сахаридов, излишки накапливаются в печени. Подобный процесс сопровождается резким падением сахара в крови.
Изменение уровня сахара в организме
Если в пище присутствует крахмал, это не приводит к масштабным изменениям сахара в крови, поскольку процесс гидролиза полисахарида протекает достаточно долго.
Если доза сахара оставляет порядка 15-200 граммов, наблюдается резкое повышение его содержания в крови. Этот процесс называют алиментарной или пищевой гипергликемией.
Избыточное количество сахара выводится почками, поэтому в моче содержится глюкоза.
Из организма почки начинают выводить сахар в том случае, если его уровень в крови достигает диапазона 0,15-0,18 %. Подобное явление возникает при единовременном употреблении существенного количества сахара, достаточно быстро проходит, не приводя к серьезным нарушениям обменных процессов в организме.
Если нарушается внутрисекреторная работа поджелудочной железы, возникает такое заболевание, как сахарный диабет. Оно сопровождается существенным увеличением количества сахара в крови, что приводит к потере печенью способности удерживать глюкозу, в итоге сахар выводится с мочой из организма.
Существенное количество гликогена может откладываться в мышцах, здесь он востребован при осуществлении химических реакций, происходящих в ходе сокращений мышц.
О важности глюкозы
Значение глюкозы для живого организма не ограничивается только энергетической функцией. Потребность в глюкозе возрастает при выполнении тяжелой физической работы. Удовлетворяется такая потребность путем расщепления в печени гликогена на глюкозу, которая поступает в кровь.
Данный моносахарид есть и в составе протоплазмы клеток, поэтому требуется для формирования новых клеток, особенно актуальна глюкоза в процессе роста. Особое значение имеет данный моносахарид для полноценной деятельности центральной нервной системы. Как только концентрация сахара в крови понижается до показателя 0,04 %, возникают судороги, человек теряет сознание.
Это является прямым подтверждением того, что понижение сахара в крови вызывает мгновенное нарушение деятельности центральной нервной системы. Если пациенту вводят глюкозу в кровь либо предлагают сладкую пищу, все нарушения пропадают. При длительном понижении сахара в крови развивается гипогликемия.
Она приводит к серьезным нарушениям деятельности организма, которые могу вызвать его смерть.
Коротко о жирах
В качестве еще одного источника энергии для живого организма можно рассматривать жиры. В их составе присутствуют углерод, кислород, водород. Жиры имеют сложное химическое строение, представляют собой соединения многоатомного спирта глицерина и жирных карбоновых кислот.
В ходе пищеварительных процессов происходит расщепление жира на составные части, из которых он был получен. Именно жиры являются составной частью протоплазмы, содержатся в тканях, органах, клетках живого организма.
Они по праву считаются отличным источником энергии. Расщепление этих органических соединений начинается в желудке. В желудочном соке содержится липаза, которая превращает молекулы жира в глицерин и карбоновую кислоту.
Глицерин отлично всасывается, так как имеет хорошую растворимость в воде. Для растворения кислот используется желчь. Под ее влиянием эффективность воздействия на жир липазы возрастает до 15-20 раз. Из желудка пища движется в двенадцатиперстную кишку, где под действием сока происходит ее дальнейшее расщепление до продуктов, которые способны всасываться в лимфу и кровь.
Далее пищевая кашица движется по пищеварительному тракту, попадает в тонкий кишечник. Здесь происходит ее полное расщепление под влиянием кишечного сока, а также всасывание.
В отличие от продуктов расщепления белков и углеводов, вещества, получаемые при гидролизе жиров, всасываются в лимфу.
Глицерин и мыла после прохождения через клетки слизистой оболочки кишечника опять соединяются, формируют жир.
Подводя общий итог, отметим, что основными источниками энергии для организма человека и животных выступают белки, жиры, углеводы.
Именно благодаря углеводному, белковому обмену, сопровождающемуся образованием дополнительной энергии, функционирует живой организм.
Поэтому не стоит долго сидеть на диетах, ограничивая себя в каком-то конкретном микроэлементе или веществе, иначе это может отрицательно сказаться на здоровье и самочувствии.
Источник: https://FB.ru/article/381685/istochnik-energii-dlya-organizma-belki-jiryi-i-uglevodyi-poleznyie-veschestva-protsessyi-i-vidyi-energii
Экосистема и ее факторы
Экосистема (греч. oikos – жилище) – единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом и образующих систему.
Вы можете встретить синоним понятия экосистема – биогеоценоз (греч. bios – жизнь + geo – земля + koinos – общий). Следует разделять биогеоценоз и биоценоз. В понятие биоценоз не входит компонент окружающей среды, биоценоз – совокупность исключительно живых организмов со связями между ними.
Совокупность биогеоценозов образует живую оболочку Земли – биосферу.
Продуценты, консументы и редуценты
Организмы, населяющие биогеоценоз, по своим функциям разделены на:
- Продуцентов
- Консументы
- Редуценты
Растения, преобразующие энергию солнечного света в энергию химических связей. Создают органические вещества, потребляемые животными.
Животные – потребители готового органического вещества. Встречаются консументы I порядка – растительноядные организмы, консументы II, III и т.д. порядка – хищники.
Это сапротрофы (греч. sapros – гнилой + trophos – питание) – грибы и бактерии, а также некоторые растения, которые разлагают останки мертвых организмов. Редуценты обеспечивают круговорот веществ, они преобразуют накопленные организмами органические вещества в неорганические.
Продуценты, консументы и редуценты образуют в экосистеме так называемые трофические уровни (греч. trophos – питание), которые тесно взаимосвязаны между собой переносом питательных веществ и энергии – процессом, который необходим для круговорота веществ, рождения новой жизни.
Пищевые цепи
Взаимоотношения между организмами разных трофических уровней отражаются в пищевых цепочках (трофических цепях), в которых каждое предыдущее звено служит пищей для последующего звена. Поток энергии и веществ идет однонаправленно: продуценты → консументы → редуценты.
Трофические цепи бывают двух типов:
- Пастбищные – начинаются с продуцентов (растений), производителей органического вещества
- Детритные (лат. detritus – истертый) – начинаются с органических веществ отмерших растений и животных
В естественных сообществах пищевые цепи часто переплетаются, в результате чего образуются пищевые сети. Это связано с тем, что один и тот же организм может быть пищей для нескольких разных видов. Например, филины охотятся на полевок, лесных мышей, летучих мышей, некоторых птиц, змей, зайцев.
Экосистемы обладают важным свойством – устойчивостью, которая противостоит колебаниям внешних факторов среды и помогает сохранить экосистему и ее отдельные компоненты.
Устойчивость экосистемы обусловлена:
- Большим разнообразием обитающих видов
- Длинными пищевыми цепочками
- Разветвленностью пищевых цепочек, образующих пищевую сеть
- Наличием форм взаимоотношений между организмами (симбиоз)
Экологическая пирамида
Экологическая пирамида представляет собой графическую модель отражения числа особей (пирамида чисел), количества их биомассы (пирамида биомасс), заключенной в них энергии (пирамида энергии) для каждого уровня и указывающая на снижение всех показателей с повышением трофического уровня.
Существует правило 10%, которое вы можете встретить в задачах по экологии. Оно гласит, что на каждый последующий уровень экологической пирамиды переходит лишь 10% энергии (массы), остальное рассеивается в виде тепла.
Представим следующую пищевую цепочку: фитопланктон → зоопланктон → растительноядные рыбы → рыбы-хищники → дельфин. В соответствии с изученным правилом, чтобы дельфин набрал 1кг массы нужно 10 кг рыб хищников, 100 кг растительноядных рыб, 1000 кг зоопланктона и 10000 кг фитопланктона.
Агроценоз
Агроценоз – искусственно созданный биоценоз. Между агроценозом и биоценозом существует ряд важных отличий.
Агроценоз характеризуется:
- Преобладает искусственный отбор – выживают особи с полезными для человека признаками и свойствами
- Источник энергии – солнце (открытая система)
- Круговорот веществ – незамкнутый, так как часть веществ и энергии изымается человеком (сбор урожая)
- Видовой состав – скудный, преобладают 1-2 вида (поле пшеницы, ржи)
- Устойчивость экосистемы – снижена, так как пищевые цепочки короткие, пищевые сети неразветвленные
- Биомассы на единицу площади – мало
Биоценоз характеризуется:
- Преобладает естественный отбор – выживают наиболее приспособленные особи
- Источник энергии – солнце (открытая система)
- Круговорот веществ – замкнутый
- Видовой состав – разнообразный, тысячи видов
- Устойчивость экосистемы – высокая, так как пищевые цепочки длинные, разветвленные
- Биомассы на единицу площади – много
Факторы экосистемы
Любой организм в экосистеме находится под влиянием определенных факторов, называемых экологическими факторами. Они подразделяются на абиотические, биотические и антропогенные.
- Абиотические (греч. α — отрицание + βίος — жизнь)
- Биотические (греч. βίος — жизнь)
- Антропогенные (греч. anthropos — человек)
К абиотическим факторам относятся факторы неживой природы. Существуют физические – климат, рельеф, химические – состав воды, почвы, воздуха. В понятие климата можно включить такие важные факторы как освещенность, температура, влажность.
К биотическим факторам относятся все живые существа и продукты их жизнедеятельности. Например: хищники регулируют численность своих жертв, животные-опылители влияют на цветковые растения и т.д. Это и самые разнообразные формы взаимоотношений между животными (нейтрализм, комменсализм, симбиоз).
К антропогенным факторам относится влияние человека на окружающую среду в процессе хозяйственной и другой деятельности. Человек “разумный” (Homo “sapiens”) вырубает леса, осушает болота, распахивает земли – уничтожает дом для сотен видов животных.В результате деятельности человека произошли глобальные изменения: над Антарктикой появились “озоновые дыры”, ускорилось глобальное потепление, которое ведет к таянию ледников и повышению уровня мирового океана.
За миллионы лет эволюции растения и животные вырабатывают приспособления к тем условиям среды, где они обитают. Так у алоэ, растения живущего в засушливом климате, имеются толстые мясистые листья с большим запасом воды на случай засухи. У каждого организма вырабатывается своя адаптация.
Формируются привычные биологические ритмы (биоритмы): организм адаптируется к изменениям освещенности, температуры, магнитного поля и т.д. Эти факторы играют важную роль в таких событиях как сезонные перелеты птиц, осенний листопад.
Если адаптация не вырабатывается, или это происходит слишком медленно по сравнению с другими видами, то данный вид подвергается биологическому регрессу: количество особей и ареал их обитания уменьшаются и со временем вид исчезает. Иногда деятельность человека играет решающий фактор в исчезновении видов.
Закон оптимума
Если фактор оказывает на жизнедеятельность организма благоприятное влияние (отлично подходит для животного/растения), то про фактор говорят – оптимальный, значение фактора в зоне оптимума. Зона оптимума – диапазон действия фактора, наиболее благоприятный для жизнедеятельности.
За пределами зоны оптимума начинается зона угнетения (пессимума). Если значение фактора лежит в зоне пессимума, то организм испытывает угнетение, однако процесс жизнедеятельности может продолжаться. Таким образом, зона пессимума лежит в пределах выносливости организма. За переделами выносливости организма происходит его гибель.
Фактор, по своему значению находящийся на переделе выносливости организма, или выходящий за такое значение называется ограничивающим (лимитирующим). Существует закон ограничивающего фактора (закон минимума Либиха), гласящий, что для организма наиболее значим фактор, который более всего отклоняется от своего оптимального значение.
Метафорически представить этот закон можно с помощью “бочки Либиха”. Смысл данной метафоры в том, что вода при заполнении бочки начинает переливаться через наименьшую доску, таким образом, длина остальных досок уже не играет роли. Так и наличие выраженного ограничивающего фактора сводит на нет благоприятность остальных факторов.
Источник: https://studarium.ru/article/137
БИОЭНЕРГЕ́ТИКА
Авторы: В. П. Скулачёв, Ф. О. Каспаринский
БИОЭНЕРГЕ́ТИКА (биологическая энергетика), совокупность процессов преобразования энергии, поступающей извне, в биологически полезную работу живых систем, а также раздел биологии, изучающий эти процессы.
Историческая справка
Истоки Б. как науки можно обнаружить ещё в рассуждениях древних о природе брожения и роли воздуха при использовании пищи живыми организмами. Леонардо да Винчи сравнил питание животных с горением свечи. Эта идея была развита в опытах с растениями Я. Б. Гельмонтом. Первые фундам. исследования в области Б.
были проведены Ю. Р. Майером (1842), который в результате изучения энергетич. процессов в организме человека сформулировал первое начало термодинамики. Исследования процессов превращения энергии в клетке начались в 1930-х гг., когда была обнаружена этерификация неорганич. фосфата в ходе брожения (нем. биохимики Г.
Эмбден и О. Мейергоф, 1933) и дыхания (рос. биохимики В. А. Энгельгардт, 1930, и В. А. Белицер (1939), амер. биохимик Г. Калькар, 1937–41) и выделены биологич. аккумуляторы энергии – аденозинтрифосфат (АТФ) и креатинфосфат. Большой вклад в понимание механизмов клеточной Б. внесли О. Г. Варбург, амер. биохимик А. Ленинджер и П. Митчелл.
Термин «Б.» был предложен А. Сент-Дьёрдьи в 1956 и получил офиц. признание науч. сообщества в 1968. Через 20 лет началось стихийное использование термина экстрасенсами, парапсихологами и целителями. В паранаучной Б. философские понятия энергии (прана, ци и т. п.
) при помощи терминологии физики и биологии трансформируются в фантастические гипотезы биоэнергоинформационного взаимодействия природных процессов, черпающих энергию из физического вакуума. В действительности превращения энергии в живых системах подчиняются законам термодинамики.
Живые организмы – открытые системы, постоянно обменивающиеся с внешней средой веществом, энергией и информацией.
Источники энергии для организмов
Осн. источником энергии для автотрофных организмов является энергия солнечного света, которая усваивается ими в ходе фотосинтеза и запасается гл. обр. в виде восстановленных органич. соединений.
Гетеротрофные организмы извлекают необходимую для них энергию из органич. веществ пищи. И у авто-, и у гетеротрофов органич. вещества вовлекаются в обмен веществ (метаболизм), который складывается из двух взаимосвязанных процессов – катаболизма и анаболизма.
В ходе катаболических превращений происходит гидролиз и окисление органич. соединений с одновременным выделением энергии. Анаболические превращения, напротив, связаны с биосинтезом высокомолекулярных соединений организма (в т. ч.
белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов) из более простых и сопровождаются потреблением энергии.
У многоклеточных гетеротрофов для долговременного хранения в качестве потенциальных источников энергии используются полимерные углеводы (крахмал у растений, гликоген у животных и грибов), липиды (маслá у бактерий, растений и грибов, жиры у животных), белки (вителлин ооцитов и др.
) и полифосфаты (у бактерий и грибов). Углеводы отличает высокая скорость мобилизации, а липиды – наибольшая энергоёмкость. Периоды огранич. доступности внешних ресурсов мн. организмы способны переносить в состоянии анабиоза или спячки, когда обменные процессы резко заторможены.
Направления метаболич. реакций и величина максимально полезной работы определяются изменениями доступной свободной энергии, или энергии Гиббса (СЭ).
В подавляющем большинстве случаев запасание СЭ связано с переходом одного или двух электронов от вещества-донора к веществу-акцептору (с более высоким сродством к электронам); при этом донор окисляется, а акцептор восстанавливается.
Первичными донорами электронов у литотрофов служат неорганич. соединения (сера, двухвалентное железо, аммиак и его соли, нитриты, водород и оксид углерода), а у органотрофов – органич. вещества (белки, углеводы, липиды и продукты их частичного расщепления).
Акцептором электронов у аэробных организмов является кислород, а у анаэробных – нитраты, нитриты, сульфаты, диоксид углерода и некоторые органич. вещества.
Организмы, способные утилизировать энергию света (фототрофы) восстанавливают молекулы акцепторов электронами, полученными от таких слабых восстановителей, как сероводород и вода, за счёт энергии квантов света.
Количественная оценка сродства веществ к электронам определяется стандартными окислительно-восстановительными потенциалами (редокс-потенциалами), исчисляемыми в вольтах. Значения редокс-потенциалов веществ, участвующих в Б., находятся в пределах от –0,7 В (α-кетоглутарат) до 0,8 В (кислород).
Доноры имеют более отрицательный редокс-потенциал, чем акцепторы. Для получения и последующего запасания СЭ используется любая донорно-акцепторная пара, обеспечивающая разницу редокс-потенциалов не менее 0,2 В, что позволяет преобразовать СЭ разнообразных соединений в унифициров. форму осн.
внутриклеточного аккумулятора энергии – АТФ.
Механизмы усвоения и использования энергии в организмах
Наряду с самовоспроизведением энергообеспечение является одним из осн. свойств жизни. Вероятно, эволюция механизмов Б. была направлена на увеличение не столько эффективности, сколько надёжности энергообеспечения. Поэтому живые системы в ходе их историч. развития стали использовать энергию химич.
связей, света и ионных градиентов, а не воспользовались атомными, тепловыми или механич. источниками энергии. В ходе эволюции организмов появляются спец.
молекулярные механизмы, обеспечивающие наиболее безопасное и эффективное преобразование СЭ, при котором посредниками между донорами и акцепторами служат ферменты класса оксидоредуктаз.
Для переноса восстановительных эквивалентов (атомов водорода или электронов) оксидоредуктазы используют небелковые компоненты (кофакторы и простетические группы): никотиновые и флавиновые нуклеотиды, хиноны, металлопорфирины и железосерные кластеры.
Элементы электрон-транспортных цепей располагаются в порядке возрастания сродства к электрону. Перенос восстановит. эквивалентов в растворах осуществляют никотинамидные коферменты, структура которых препятствует их прямому окислению кислородом. В катаболических превращениях в осн. участвует никотинамидадениндинуклеотид (НАД+), а в реакциях анаболизма – его фосфорилированный аналог (НАДФ+).
Живая клетка избегает прямого преобразования внешних источников энергии для совершения полезной работы.
Эта энергия сначала трансформируется в ту или иную взаимно конвертируемую форму: АТФ или трансмембранную разность электрохимических потенциалов либо ионов $\ce{H+}$ (протонный потенциал, $Δμ̅_{\text H+}$), либо ионов $\ce{Na+}$ (натриевый потенциал, $Δμ̅_{\text{Na}+}$), чтобы затем использоваться в энергоёмких процессах. Любая живая клетка располагает по меньшей мере двумя промежуточными носителями энергии – АТФ и протонным (либо натриевым) потенциалом.
В физиологич. условиях структура АТФ обеспечивает сочетание высокого потенциала переноса каждой из двух концевых фосфорильных групп (термодинамич. нестабильность) с кинетич.
устойчивостью (при темп-ре тела и нейтральном $\ce{pH}$ АТФ самопроизвольно не гидролизуется). Расход АТФ происходит при совершении разл. видов работы: химической (биосинтез), электрической (создание разности электрич. потенциалов на биологич.
мембранах), осмотической (образование градиентов концентраций незаряженных веществ) и механической (сокращение актомиозиновых комплексов мышц). СЭ, запасённая в потенциале переноса групп АТФ (фосфорильный потенциал), при помощи спец.
ферментов (нуклеозиддифосфаткиназ и нуклеозидмонофосфаткиназ) может перераспределяться между разл. нуклеозидтрифосфатами и нуклеозиддифосфатами, которые обеспечивают протекание специфич. реакций биосинтеза.
Фосфорильный потенциал у большинства животных стабилизируется посредством обратимого переноса фосфорила на креатин (у некоторых ракообразных – на аргинин, у грибов – на полифосфаты).
Преобразование СЭ в потенциал переноса фосфорильных групп АТФ может происходить путём субстратного или мембранного фосфорилирования. Субстратное фосфорилирование осуществляется в цитозоле в реакциях гликолиза и в матриксе митохондрий в трикарбоновых кислот цикле.
У немногочисл. бактерий и архебактерий, участвующих в процессах брожения, а также у некоторых высокоспециализированных эукариотич. клеток, лишённых органелл (напр., эритроциты человека), использующих гликолиз для получения энергии, субстратное фосфорилирование – единственный способ получения энергии.
Однако у подавляющего большинства бактерий, животных, растений и грибов он служит подсобным механизмом, а главную роль играет др. механизм синтеза АТФ, требующий участия мембранных структур. К нему относятся окислительное фосфорилирование, открытое В. А.
Энгельгардтом (1930), и фотофосфорилирование, обнаруженное амер. биохимиком Д. Арноном (1954). В соответствии с теорией хемиосмотич. сопряжения, предложенной П. Митчеллом (1961), данные процессы происходят во внутр. мембранах бактерий, архебактерий, митохондрий и хлоропластов.
В этих мембранах генераторами $Δμ̅_{\text H+}$ являются дыхательные или фотосинтетич. ферменты – переносчики электронов и водорода, служащие одновременно протонными насосами, способными превращать выделяющуюся при окислении энергию в $Δμ̅_{\text H+}$.
Генераторы $Δμ̅_{\text H+}$ бактерий, архебактерий и митохондрий переносят $\ce{H+}$ сквозь мембрану наружу (у хлоропластов – внутрь). Перенос $\ce{H+}$ через мембрану в обратном направлении может использоваться ферментами-потребителями $Δμ̅_{\text H+}$ для совершения разл.
видов полезной работы: синтез АТФ, вращение жгутика бактерий, создание ионных градиентов и контролируемого термогенеза (разогревание органов животных и некоторых растений). Синтез АТФ за счёт $Δμ̅_{\text H+}$ при дыхательном фосфорилировании и фотофосфорилировании катализирует фермент \ce{H+}// -АТФ-синтаза.
Реакция образования АТФ из АДФ и фосфата происходит без затраты $Δμ̅_{\text H+}$ (она расходуется на вращение субъединицы фермента, обеспечивающее выход АТФ в раствор). СЭ $Δμ̅_{\text H+}$ может трансформироваться в градиенты ионов $\ce{Na+}$ и $\ce{K+}$. На клеточной мембране эукариот и мн.
морских бактерий наряду с (или вместо) $Δμ̅_{\text H+}$ образуется $Δμ̅_{\text {Na}+}$, поддерживаемый градиентами ионов калия и водорода. Генераторами $Δμ̅_{\text {Na}+}$ являются особые дыхательные ферменты у бактерий и $\ce{Na+, K+}$-АТФаза у животных.
Окислит. фосфорилирование – один из самых масштабных процессов, протекающих в организме человека и животных.
Так, взрослый человек в течение дня поглощает до 400 л $\ce{O_2}$. В его организме содержится ок. 50 г АТФ и АДФ. Каждая молекула АТФ совершает ок. 1300 циклич.
превращений (в АДФ и обратно), что в сумме может достигать 40 кг АТФ.
Окислит. фосфорилированию предшествует ряд стадий подготовки «топлива», когда разл.
сахара, жирные кислоты и аминокислоты расщепляются, давая ограниченный набор карбоновых кислот, которые претерпевают превращения в цикле трикарбоновых кислот.
В ходе этих превращений атомы $\ce{H}$ освобождаются и передаются на НАД+ (реже на НАДФ+ или убихинон), а затем на ферменты-генераторы $Δμ̅_{\text H+}$, образующие дыхательную цепь. Таких генераторов в митохондриях эукариотич.
клеток и большинстве аэробных бактерий три: НАДН-убихинон-редуктаза, убихинол-цитохром $c$-редуктаза и цитохром $c$-оксидаза. Последний катализирует завершающий этап клеточного дыхания – присоединение 4 электронов и 4 протонов к $\ce{O_2}$ с образованием $\ce{H_2O}$.
В то же время начальные и средние участки дыхательной цепи, а также некоторые др. окислительно-восстановит. ферменты способны к одно- и двухэлектронному восстановлению $\ce{O_2}$. При этом вместо воды образуются соответственно
супероксид-ион ($\ce{O_2{\underline{•}}}$) и пероксид водорода. Оба эти компонента могут служить предшественниками радикала гидроксила ($\ce{HO{•}}$), сильнейшего окислителя, и потому очень токсичны.
По-видимому, $\ce{HO{•}}$, образуемый внутри митохондрий, играет ключевую роль в процессах запрограммированной гибели клетки (см. Апоптоз) и старения, а также в развитии инфарктов и инсультов.
Поэтому поиск антиоксидантов, специфически адресованных внутрь митохондрий, остаётся одним из самых перспективных направлений фармакологии. О превращениях энергии в экосистемах см. в ст. Трофический уровень. См. также Дыхание.
Источник: https://bigenc.ru/biology/text/1868034
Круговорот веществ в биосфере, геологический и биохимический виды, значение живых организмов
Длительное существование жизни на Земле возможно благодаря постоянному круговороту веществ в биосфере. Все элементы, которые есть на планете, находятся в ограниченном количестве. Использование всех запасов привело бы к исчезновению всего живого. Поэтому в природе существуют механизмы, обеспечивающие перемещение химических соединений из живого к неживой природе и обратно.
Виды круговоротов веществ
Неоднократное использование существующих элементов способствует постоянству жизненных процессов при достаточном количестве энергетических ресурсов. Главный источник энергии, обеспечивающий круговорот веществ в биосфере — Солнце.
Выделяют три круговорота: геологический, биогеохимический и антропогенный (появился после возникновения человечества).
Геологический
Геологический или большой круговорот веществ функционирует благодаря внешним и внутренним геологическим процессам.
Эндогенные (глубинные) процессы происходят под воздействием внутренней энергии планеты. Ее источником служит радиоактивность, а также ряд биохимических реакций при формировании минералов и др. К глубинным процессам относят: перемещение земной коры, землетрясения, возникновение магматических расплавов, преобразования твердых пород.
Экзогенные процессы вызваны влиянием солнечной энергии. Основные из них: разрушение и изменение минеральных и органических пород, перенос этих остатков на другие участки земли, формирование осадочных пород. Экзогенные процессы также включают деятельность живой природы и человека.
Континенты, впадины океанического дна — результат влияния эндогенных факторов, а незначительные изменения существующего рельефа сформировались под действием экзогенных процессов (холмы, овраги, дюны). По сути, деятельность эндогенных и экзогенных факторов направлена друг на друга. Эндогенные отвечают за создание крупных форм рельефа, а экзогенные сглаживают их.
Силикатный расплав земной коры (магма) после выветривания переходит в осадочные породы. Проходя через подвижныеслои земной коры, они опускаются вглубь земного шара, где плавятся и обращаются в магму. Она снова извергается на поверхность и, после застывания, превращается в магматические породы.
Так, большой круговорот обеспечивает постоянный обмен вещества между биосферой и глубинами Земли.
Биохимический
Биогеохимический или малый круговорот осуществляется благодаря взаимодействию всего живого. Отличие от геологического состоит в том, что малый ограничен границами биосферы.
Биохимический круговорот в биосфере
Благодаря солнечной энергии здесь идет важный процесс — фотосинтез. При этом органические вещества продуцируются автотрофами, путем синтеза из неорганических.
Далее они поглощаются гетеротрофами. После, отмершие тела животных и растений минерализуются (превращаются в неорганические продукты).
Полученные неорганические вещества снова используются автотрофными организмами.
Малый круговорот веществ делится на две составляющие:
- Резервный фонд — та доля веществ, что еще не используется живыми особями;
- обменный фонд — небольшая доля вещества, задействованная в обменных процессах.
Резервный фонд делится на 2 вида:
- Газового типа — это резервный фонд воздушной и водной среды (задействованы следующие элементы: C, O, N);
- осадочного типа — резервный фонд, что находится в твердой оболочке земли (задействованы следующие элементы: P, Ca, Fe).
Интенсивные обменные процессы возможны при достаточном поступлении воды и оптимальном температурном режиме. Поэтому в тропических широтах круговорот протекает быстрее, чем в северных.
Какую функцию выполняет круговорот веществ в биосфере?
Единство биосферы поддерживается круговоротом вещества и энергии. Постоянное их взаимодействие поддерживает жизнь на всей планете. Углерод — один из незаменимых элементов живых существ. Круговорот углерода поддерживается за счет деятельности представителей растительного мира.
Углерод вступает в круговорот веществ в биосфере и завершает его в форме углекислого газа. Во время фотосинтеза из атмосферы поглощается диоксид углерода, который превращается фотосинтезирующими организмами в углеводы. Назад возвращается CO2 в процессе дыхания.
Азот — важный элемент, структурная часть ДНК, АТФ, белков. Он в большей мере представлен молекулярным азотом, и в таком виде не усваивается растениями. Круговороту азота способствуют бактерии и цианобактерии.
Они могут переводить молекулы N в соединения, которые доступны для растений. После гибели органика поддается действию сапрогенных бактерий и расщепляется до аммиака.
Часть которого подымается в верхние слои атмосферы и вместе с диоксидом углерода удерживает тепло планеты.
Функция и значение живых организмов
Живые организмы в круговороте веществ
Все живое участвует в круговороте веществ, при этом усваивая одни вещества и выделяя другие. Существует ряд функций, которые выполняют живые организмы.
- Энергетическая
- Газовая
- Концетрационная
- Окислительно-востановительная
- Деструктивная
- Транспортная
- Средообразующая
Роль редуцентов в круговороте веществ
Редуценты в процессе круговорота веществ возвращают минералы и водные ресурсы в почву, при этом они становятся доступными для автотрофных организмов. Таким образом, вся живая природа не может существовать без редуцентов. Типичными представителями редуцентов являются грибы и бактерии.
Значение бактерий
Бактерии в круговороте веществ в биосфере играют огромную роль. Значимость микроорганизмов определяется, главным образом, их широкой распространённостью, быстрыми обменными процессами.
Бактерии разлагают органические соединения отмерших растений и освобождают в биосферу углерод. Также бактерии способны осуществлять химические реакции, недоступные для других живых существ (азотфиксирующие бактерии).
Какова роль грибов в круговороте веществ в биосфере?
Они превращают органические соединения в неорганические, которые становятся источником питания для растений. Также некоторые грибы участвуют в почвообразовании. Накопившаяся органика в теле гриба после его отмирания превращается в перегной.
Оцените, пожалуйста, статью. Мы старались:)
Загрузка…
Источник: https://animals-world.ru/krugovorot-veshhestv-v-biosfere/