Вказати правильну послідовність процесів фотосинтезу. Послідовність процесів фотосинтезу зелених рослин (у хронологічному порядку)

Кожна жива істота на планеті потребує їжі або енергії, щоб вижити. Деякі організми живляться іншими істотами, тоді як інші можуть виробляти власні живильні елементи. самі виробляють продукти харчування, глюкозу, у процесі, що називається фотосинтезом.

Фотосинтез та дихання взаємопов'язані. Результатом фотосинтезу є глюкоза, яка зберігається як хімічна енергія в . Ця накопичена хімічна енергія утворюється внаслідок перетворення неорганічного вуглецю (вуглекислого газу) в органічний вуглець. Процес дихання звільняє накопичену хімічну енергію.

Крім продуктів, які вони виробляють, рослинам також потрібні вуглець, водень і кисень, щоб вижити. Вода, поглинена з ґрунту, забезпечує водень та кисень. Під час фотосинтезу, вуглець та вода використовуються для синтезу їжі. Рослини також потребують нітратів, щоб виробляти амінокислоти (амінокислота - інгредієнт для вироблення білка). Крім цього, вони потребують магнію для виробництва хлорофілу.

Нотатка:Живі істоти, які залежать від інших продуктів, називаються . Травоїдні, такі як корови, а також рослини, що харчуються комахами, є прикладами гетеротрофів. Живі істоти, які виробляють власну їжу, називаються . Зелені рослини та водорості – приклади автотрофів.

У цій статті ви дізнаєтеся більше про те, як відбувається фотосинтез у рослин і про необхідні для цього процесу умови.

Визначення фотосинтезу

Фотосинтез - це хімічний процес, за допомогою якого рослини, деякі водорості виробляють глюкозу і кисень з вуглекислого газу і води, використовуючи тільки світло як джерело енергії.

Цей процес є надзвичайно важливим для життя на Землі, оскільки завдяки йому виділяється кисень, від якого залежить все життя.

Навіщо рослинам потрібна глюкоза (їжа)?

Подібно до людей та інших живих істот, рослини також потребують харчування для підтримки життєдіяльності. Значення глюкози для рослин полягає в наступному:

• Глюкоза, отримана в результаті фотосинтезу, використовується під час дихання для вивільнення енергії, яка потрібна рослині для інших життєво важливих процесів.
• Рослинні клітини також перетворюють частину глюкози на крохмаль, який використовують при необхідності. З цієї причини мертві рослини використовуються як біомаса, адже в них зберігається хімічна енергія.
• Глюкоза також необхідна, щоб виробляти інші хімічні речовини, такі як білки, жири та рослинні цукри, необхідні для забезпечення росту та інших важливих процесів.

Фази фотосинтезу

Процес фотосинтезу поділено на дві фази: світлову та темнову.

Світлова фаза фотосинтезу

Як випливає з назви, світлові фази потребують сонячного світла. У світлозалежних реакціях енергія сонячного світла поглинається хлорофілом і перетворюється на запасену хімічну енергію у вигляді молекули електронного носія НАДФН (нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат) та молекули енергії АТФ (аденозинтрифосфат). Світлові фази протікають у тилакоїдних мембранах у межах хлоропласту.

Темнова фаза фотосинтезу чи цикл Кальвіна

У темновій фазі або циклі Кальвіна збуджені електрони із світлової фази забезпечують енергію для утворення вуглеводів із молекул вуглекислого газу. Не залежні від світла фази іноді називають циклом Кальвіна через циклічність процесу.

Хоча темнові фази не використовують світло як реагент (і, як результат, можуть відбуватися вдень або вночі), їм необхідно, щоб продукти світлозалежних реакцій функціонували. Незалежні від світла молекули залежить від молекул енергоносіїв - АТФ і НАДФН - до створення нових молекул вуглеводів. Після передачі енергії молекули енергоносії повертаються до світлових фаз для отримання енергійніших електронів. З іншого боку, кілька ферментів темнової фази активуються з допомогою світла.

Схема фаз фотосинтезу

Нотатка:Це означає, що темнові фази не будуть продовжуватися, якщо рослини будуть позбавлені світла занадто довго, оскільки вони використовують продукти світлових фаз.

Будова листя рослин

Ми не можемо повністю вивчити фотосинтез, не знаючи більше про будову листа. Аркуш адаптований для того, щоб відігравати життєво важливу роль у процесі фотосинтезу.

Зовнішня будова листя

• Площа

Однією з найголовніших особливостей рослин є велика площа поверхні листя. Більшість зелених рослин мають широке, плоске і відкрите листя, яке здатне захоплювати стільки сонячної енергії (сонячного світла), скільки необхідно для фотосинтезу.

• Центральна жилка та черешок

Центральна жилка та черешок з'єднуються разом і є основою листа. Черешок має лист таким чином, щоб він отримував якомога більше світла.

• Листова платівка

Просте листя має одну листову пластину, а складне - кілька. Листова платівка - одна з найголовніших складових аркуша, яка бере участь безпосередньо в процесі фотосинтезу.

• Жили

Мережа жилок у листі переносить воду від стебел до листя. Глюкоза, що виділяється, також направляється в інші частини рослини з листя через жилки. Крім того, ці частини листа підтримують та утримують листову пластину плоскою для більшого захоплення сонячного світла. Розташування жилок (жилкування) залежить від виду рослини.

• Основа листа

Підставою листа виступає найнижча його частина, яка зчленована зі стеблом. Найчастіше, біля основи листа розташовується парна кількість прилистків.

• Край листа

Залежно від виду рослини, край листа може мати різну форму, включаючи: цілокраї, зубчасті, пильчасті, виїмчасті, городчасті і т.п.

• Верхівка листа

Як і край листа, верхівка буває різної форми, включаючи: гостру, округлу, тупу, витягнуту, відтягнуту і т.д.

Внутрішня будова листя

Нижче представлена ​​близька схема внутрішньої будови тканин листя:

• Кутикула

Кутикула є головним, захисним шаром на поверхні рослини. Як правило, вона товща на верхній частині листа. Кутикула покрита речовиною, подібною до віску, завдяки якому захищає рослину від води.

• Епідерміс

Епідерміс – шар клітин, який є покривною тканиною листка. Його головна функція – захист внутрішніх тканин листа від зневоднення, механічних пошкоджень та інфекцій. Він також регулює процес газообміну та транспірації.

• Мезофіл

Мезофіл - це основна тканина рослини. Тут відбувається процес фотосинтезу. У більшості рослин мезофіл розділений на два шари: верхній - палісадний і нижній - губчастий.

• Захисні клітини

Захисні клітини - спеціалізовані клітини в епідермісі листя, що використовується для контролю газообміну. Вони виконують захисну функцію для продиху. Устьичні пори стають більшими, коли вода є у вільному доступі, інакше, захисні клітини стають млявими.

• Устьиці

Фотосинтез залежить від проникнення вуглекислого газу (CO2) з повітря через продихи в тканини мезофілу. Кисень (O2), отриманий як побічний продукт фотосинтезу, виходить із рослини через продихи. Коли продихи відкриті, вода втрачається в результаті випаровування і повинна бути заповнена через потік транспірації, водою, поглиненою корінням. Рослини змушені врівноважувати кількість поглиненого СО2 з повітря та втрату води через устьичні пори.

Умови, необхідні для фотосинтезу

Нижче наведено умови, які необхідні рослинам для здійснення процесу фотосинтезу:

• Вуглекислий газ.Безбарвний природний газ без запаху, виявлений у повітрі та має наукове позначення CO2. Він утворюється при горінні вуглецю та органічних сполук, а також виникає у процесі дихання.
• Вода. Прозора рідка хімічна речовина без запаху та смаку (в нормальних умовах).
• Світло.Хоча штучне світло також підходить для рослин, природне сонячне світло, як правило, створює кращі умови для фотосинтезу, тому що в ньому є природне ультрафіолетове випромінювання, яке позитивно впливає на рослини.
• Хлорофіл.Це зелений пігмент, знайдений у листі рослин.
• Поживні речовини та мінерали.Хімічні речовини та органічні сполуки, які корені рослин поглинають із ґрунту.

Що утворюється внаслідок фотосинтезу?

• Глюкоза;
• Кисень.

(Світлова енергія показана у дужках, оскільки вона не є речовиною)

Нотатка:Рослини отримують CO2 з повітря через їх листя, і воду з ґрунту через коріння. Світлова енергія походить від Сонця. Отриманий кисень виділяється у повітря з листя. Отримувану глюкозу можна перетворити на інші речовини, такі як крохмаль, який використовується як запас енергії.

Якщо фактори, що сприяють фотосинтезу, відсутні або відсутні в недостатній кількості, це може негативно вплинути на рослину. Наприклад, менша кількість світла створює сприятливі умови для комах, які їдять листя рослини, а нестача води уповільнює.

Де відбувається фотосинтез?

Фотосинтез відбувається усередині рослинних клітин, у дрібних пластидах, званих хлоропластами. Хлоропласти (переважно які у шарі мезофілу) містять зелене речовина, зване хлорофілом. Нижче наведені інші частини клітини, які працюють із хлоропластом, щоб здійснити фотосинтез.

Будова рослинної клітини

Функції частин рослинної клітини

• : забезпечує структурну та механічну підтримку, захищає клітини від , фіксує та визначає форму клітини, контролює швидкість та напрямок росту, а також надає форму рослинам.
• : забезпечує платформу більшість хімічних процесів, контрольованих ферментами.
• : діє як бар'єр, контролюючи рух речовин у клітину та з неї.
• : як було описано вище, вони містять хлорофіл, зелену речовину, яка поглинає світлову енергію у процесі фотосинтезу.
• : порожнина всередині клітинної цитоплазми, що накопичує воду.
• : містить генетичну марку (ДНК), що контролює діяльність клітини.

Хлорофіл поглинає світлову енергію, необхідну для фотосинтезу. Важливо, що поглинаються в повному обсязі колірні довжини хвилі світла. Рослини в основному поглинають червону та синю хвилі – вони не поглинають світло у зеленому діапазоні.

Вуглекислий газ у процесі фотосинтезу

Рослини отримують вуглекислий газ з повітря через їх листя. Вуглекислий газ просочується через маленький отвір у нижній частині листа - продиху.

Нижня частина листа має вільно розташовані клітини, щоб вуглекислий газ досяг інших клітин у листі. Це також дозволяє кисню, що утворюється під час фотосинтезу, легко залишати лист.

Вуглекислий газ присутній у повітрі, яким ми дихаємо, у дуже низьких концентраціях і є необхідним фактором темнової фази фотосинтезу.

Світло в процесі фотосинтезу

Лист зазвичай має велику площу поверхні, тому він може поглинати багато світла. Його верхня поверхня захищена від втрати води, хвороб та впливу погоди восковим шаром (кутикулою). Верх аркуша знаходиться там, де падає світло. Цей шар мезофілу називається палісадним. Він пристосований для поглинання великої кількості світла, адже в ньому є багато хлоропластів.

У світлових фазах процес фотосинтезу збільшується з великою кількістю світла. Більше молекул хлорофілу іонізується і більше генерується АТФ та НАДФН, якщо світлові фотони зосереджені на зеленому листі. Хоча світло надзвичайно важливе у світлових фазах, слід зазначити, що надмірна його кількість може пошкодити хлорофіл, і зменшити процес фотосинтезу.

Світлові фази не дуже залежать від температури, води або вуглекислого газу, хоча всі вони потрібні для завершення процесу фотосинтезу.

Вода у процесі фотосинтезу

Рослини отримують воду, необхідну для фотосинтезу через своє коріння. Вони мають кореневі волоски, які розростаються у ґрунті. Коріння характеризується великою площею поверхні та тонкими стінками, що дозволяє воді легко проходити крізь них.

На зображенні представлені рослини та їх клітини з достатньою кількістю води (ліворуч) та її нестачею (праворуч).

Нотатка:Кореневі клітини не містять хлоропластів, оскільки вони зазвичай знаходяться в темряві і не можуть фотосинтезувати.

Якщо рослина не вбирає достатню кількість води, вона в'яне. Без води рослина буде не здатна фотосинтезувати досить швидко, і може навіть загинути.

Яке значення має вода для рослин?

• Забезпечує розчиненими мінералами, що підтримують здоров'я рослин;
• Є середовищем для транспортування;
• Підтримує стійкість та прямостояння;
• Охолоджує та насичує вологою;
• Дає можливість проводити різні хімічні реакції у рослинних клітинах.

Значення фотосинтезу у природі

Біохімічний процес фотосинтезу використовує енергію сонячного світла для перетворення води та вуглекислого газу на кисень та глюкозу. Глюкоза використовується як будівельні блоки в рослинах для росту тканин. Таким чином, фотосинтез - це спосіб, завдяки якому формуються коріння, стебла, листя, квіти та плоди. Без процесу фотосинтезу рослини не зможуть рости чи розмножуватися.

• Продуценти

Через фотосинтетичну здатність, рослини відомі як продуценти і служать основою майже кожного харчового ланцюга на Землі. (Ворості є еквівалентом рослин у ). Вся їжа, яку ми їмо, походить від організмів, які є фотосинтетиками. Ми харчуємося цими рослинами безпосередньо або їмо тварин, таких як корови чи свині, які споживають рослинну їжу.

• Основа харчового ланцюга

Усередині водних систем, рослини та водорості також становлять основу харчового ланцюга. Водорості служать їжею для , які, у свою чергу, виступають джерелом харчування для більших організмів. Без фотосинтезу у водному середовищі життя було б неможливим.

• Видалення вуглекислого газу

Фотосинтез перетворює вуглекислий газ на кисень. Під час фотосинтезу вуглекислий газ з атмосфери надходить у рослину, а потім виділяється у вигляді кисню. У сьогоднішньому світі, де рівні двоокису вуглецю ростуть жахливими темпами, будь-який процес, який усуває вуглекислий газ з атмосфери, є екологічно важливим.

• Кругообіг поживних речовин

Рослини та інші фотосинтезують організми відіграють життєво важливу роль у кругообігу поживних речовин. Азот у повітрі фіксується у рослинних тканинах і стає доступним для створення білків. Мікроелементи, що знаходяться в грунті, також можуть бути включені до рослинної тканини і стати доступними для травоїдних тварин, далі по харчовому ланцюгу.

• Фотосинтетична залежність

Фотосинтез залежить від інтенсивності та якості світла. На екваторі, де сонячне світло рясніє весь рік і вода не є обмежуючим фактором, рослини мають високі темпи зростання і можуть стати досить великими. І навпаки, фотосинтез у глибших частинах океану зустрічається рідше, оскільки світло не проникає в ці верстви, і в результаті ця екосистема виявляється безплідною.

Тренувальне завдання №2. Встановіть послідовність етапів фотосинтезу: А) Синтез глюкози; Б) Синтез АТФ; В) Відкриття каналів АТФ-синтетази, вбудованої в мембрану тилакоїдів; Г) Зростання різниці потенціалів у гранах хлоропластів; Д) Утворення молекулярного кисню; Е) Порушення хлорофілу квантом світла. ЄДГВБА.

Біологія 11 клас

"Захворювання видільної системи" - Ниркова колька. Мочекам'яна хвороба. Простатить. Гострі захворювання органів видільної системи. Полікістоз нирок. Пієлонефрит. Діабетична ніфропатія. Нефрогенна анемія. Гідронефроз. Цистит. Амілоїдоз нирок. Уретрит.

«Гормони мозку» - Будова та функція гіпофіза. Гармонія діяльності епіфіза, гіпофіза та гіпоталамуса. Гігантизм та карликовість. Цікаві факти про мелатонін. Гормони мозку. Гіпоталамус та гіпофіз. Епіфіз. Функції епіфізу. Сонячна хвороба. Секреторна активність мелатоніну. Вплив факторів середовища на вироблення мелатоніну. Дія мелатоніну. Знайомство із центральними органами ендокринної системи. Гормони нейрогіпофіза.

«ЄДІ з біології 2011» - Частини роботи. Транскрибований ланцюг ДНК. Пітекантроп. Квіти. Кімнатна муха. Мікседема. Редуплікація ДНК. Ротовий апарат. Будова. Гібридологічний метод. Тварина. Дія. Цитоплазматична мембрана. Плоский форма тіла. Нічні метелики. Орган брюхоногого молюска. Кількість нуклеотидів. Товсті стіни. Кількість учасників. Склад шлункового соку. Маса тіла. Статеві клітини людини. Коала.

«Питання ЄДІ з біології» - Особливості ЄДІ 2012. Вид тканини. Проблеми, які потребують вирішення. Вода та мінеральні речовини надходять із кореня до листя. Капіляри малого кола. Карпеченко застосував метод поліплоїдизації. Наявність у болотяних птахів довгих кінцівок. Освіта плаценти. Розщеплення клітковини. Група крові та резус-фактор. Структура ока. Трав'яні жаби, що мешкають у лісах. Яка ймовірність народження дитини без ластовиння.

«Біологія «Мезозойська ера»» - Поява голонасінних. Одноклітинні найпростіші. Мезозойський світ. Земноводні. Перші птахи. Кінець мезозойської ери. Крейдяний період. Перші ссавці. Мезозойська ера. Плазуни. Безхребетні тварини. Розквіт хребетних. Тваринний світ мезозою.

«Вплив людини на світ» – За два останні десятиліття 20 ст. площа лісів планети скоротилася. Міжнародна конвенція про біологічну різноманітність. Людина розумна. Види, які поки що не зникли. Вплив людини на рослинний та тваринний світ. Розвиваючи цивілізацію, людина зводить ліси, розорює степи. Потужна сучасна техніка. Людина одомашнила приблизно 25 (менше 0,1%) видів тварин та птахів. Що станеться, якщо ці види зникнуть?

1. синтез АТФ
2. дія світла на хлорофіл
3. витрачання АТФ на реакції синтезу глюкози із СО 2 та Н 2 Про
4. перенесення електронів пластохінонами на зовнішню поверхню тилакоїдів
5. фотоліз води
6. накопичення протонів Н+ на внутрішній поверхні тилакоїдів
7. проскакування протонів через канал АТФ-синтетази
8. відновлення Мn ферментів фотолізу до ступеня окиснення +7

Порядок стадій репродукції вірусів (хронологічно).

1. стадія адсорбції
2. стадія збирання (самоорганізації) вірусних частинок
3. стадія ін'єкції
4. реплікація вірусних молекул нуклеїнової кислоти
5. стадія лізису
6. синтез вірусоспецифічних білків та ферментів

Послідовність хімічних елементів відповідно до їх концентрації в клітині (за спаданням).

1. золото
2. вуглець
3. калій
4. залізо
5. срібло

Послідовність хімічних елементів відповідно до їх концентрації у клітині (за зростанням).

1. вуглець
2. магній

Послідовність, що відображає будову цитолеми клітини від зовнішнього шару до внутрішнього (хронологічно).

1. гідрофобна зона ліпідів
2. білкові молекули
3. полісахариди глікокаліксу
4. гідрофільна зона ліпідних молекул

Послідовність, що відбиває будову мітохондрії від зовнішнього шару до внутрішнього (у хронологічному порядку).

1. матрикс
2. зовнішня мембрана
3. грибоподібні тільця
4. міжмембранний простір
5. внутрішня мембрана
6. складка внутрішньої мембрани

Послідовність процесів при піноцитозі (у хронологічному порядку).

1. відщеплення піноцитозної бульбашки від цитолеми
2. надходження зовнішніх молекул до рецепторів глікокаліксу
3. транспортування приєднаних ззовні молекул до ділянок цитоплазми
4. вп'ячування цитолеми з приєднаними молекулами
5. зближення країв вп'ячування та їх замикання

Послідовність ланок ланцюга потоку енергії у клітині гетеротрофів (за зростанням).

1. енергія сонця
2. різні форми роботи
3. гетеротрофи
4. автотрофи
5. органічні речовини

12. Послідовність реакцій світлової фази фотосинтезу (у хронологічному порядку).

1. відрив електрона від молекули хлорофілу та перенесення його молекулою-переносником на зовнішню мембрану хлоропластів

2. освітлення хлоропластів сонячним світлом

3. збудження молекули хлорофілу під впливом фотона

4. виникнення різниці потенціалів між двома поверхнями мембрани хлоропластів за рахунок концентрації на них електронів та протонів

5. розпад молекул води на кисень і позитивно заряджений протон

13. Послідовність етапів енергетичного обміну.

1. окислення піровиноградної кислоти до вуглекислого газу та води
2. синтез 36 молекул АТФ
3. надходження органічних речовин у клітину
4. розщеплення глюкози до піровиноградної кислоти
5. розщеплення біополімерів до мономерів
6. синтез двох молекул АТФ

14. Послідовність явищ та процесів, що відбуваються у процесі синтезу білка (у хронологічному порядку).

1. приєднання двох молекул тРНК з амінокислотами до іРНК
2. приєднання амінокислоти до тРНК
3. синтез іРНК на матриці ДНК
4. переміщення іРНК з ядра до рибосоми
5. взаємодія амінокислот, приєднаних до іРНК, утворення пептидного зв'язку
6. нанизування рибосом на іРНК
7. доставка амінокислоти до рибосоми

15. Послідовність реплікації ДНК (у хронологічному порядку).

1. зв'язування дестабілізуючих білків з нитками ДНК
2. видалення РНК-затравки
3. руйнування водневих зв'язків між азотистими основами
4. добудовування 3`-кінців лінійних молекул ДНК
5. формування РНК-затравки
6. утворення дочірніх ланцюгів ДНК

Послідовність етапів життєвого циклу клітини (у хронологічному порядку).

1. синтетичний період (S)
2. мітоз
3. пресинтетичний період(G 1)
4. премітотичний період (G2)

17. Послідовність явищ та процесів, що відбуваються при підготовці до мітозу та під час нього (у хронологічному порядку).

1. деспіралізація хромосом
2. приєднання хромосом до ниток веретена поділу
3. подвоєння клітинної ДНК
4. формування інтерфазних ядер дочірніх клітин
5. спіралізація хромосом
6. розходження дочірніх хроматид до полюсів клітини

Послідовність процесів у метафазі мітозу (у хронологічному порядку).

1. завершення руху хромосом до веретену поділу
2. завершення процесу відокремлення один від одного сестринських хроматидів
3. вибудовування хромосом в екваторіальній площині веретена.
4. прикріплення кінетохорів центріолей до ниток мітотичного апарату
5. утворення метафазної пластинки хромосом (т.зв. материнська зірка)

Всі живі організми, що мешкають на Землі, є відкритими системами, що залежать від надходження речовини та енергії ззовні. Процес споживання речовини та енергії називається харчуванням . Хімічні речовини необхідні побудови тіла, енергія - реалізації процесів життєдіяльності. Існує два типи живлення живих організмів: автотрофне та гетеротрофне, і три групи організмів за типом харчування: автотрофи, гетеротрофи та міксотрофи.

Класифікація живих організмів за типами харчування

Залежно від джерела енергії автотрофи поділяються на фотоавтотрофи та хемоавтотрофи.

Класифікація автотрофів в залежності від джерела енергії

За способом одержання їжі гетеротрофи поділяються на фаготрофів (голозоїв) та осмотрофів.

Класифікація гетеротрофів за способом отримання їжі

За станом джерела їжі гетеротрофи поділяються на біотрофи та сапротрофи.

Метаболізм- Сукупність всіх хімічних реакцій, що протікають в живому організмі. Значення метаболізму полягає у створенні необхідних організму речовин та забезпеченні його енергією.

Складові частини метаболізму

Процеси пластичного та енергетичного обміну нерозривно пов'язані між собою. Всі синтетичні (анаболічні) процеси потребують енергії, що постачається під час реакцій дисиміляції. Самі реакції розщеплення (катаболізму) протікають лише з участю ферментів, синтезованих у процесі асиміляції.

Роль АТФ у метаболізмі

Енергія, що вивільняється під час розпаду органічних речовин, не відразу використовується клітиною, а запасається у формі високоенергетичних сполук, як правило, у формі аденозинтрифосфату (АТФ). За своєю хімічною природою АТФ відноситься до мононуклеотидів.

АТФ (аденозинтрифосфорна кислота)- мононуклеотид, що складається з аденіну, рибози та трьох залишків фосфорної кислоти, що з'єднуються між собою макроергічними зв'язками.

У цих зв'язках запасена енергія, що вивільняється при їх розриві:
АТФ + H 2 O → АДФ + H 3 PO 4 + Q 1
АДФ + H 2 O → АМФ + H 3 PO 4 + Q 2
АМФ + H 2 O → аденін + рибоза + H 3 PO 4 + Q 3
де АТФ – аденозинтрифосфорна кислота; АДФ - аденозиндифосфорна кислота; АМФ – аденозинмонофосфорна кислота; Q 1 = Q 2 = 30,6 кДж; Q 3 = 13,8 кДж.
Запас АТФ у клітині обмежений та поповнюється завдяки процесу фосфорилювання. Фосфорилювання- Приєднання залишку фосфорної кислоти до АДФ (АДФ + Ф → АТФ). Він відбувається з різною інтенсивністю при диханні, бродінні та фотосинтезі. АТФ оновлюється дуже швидко (у людини тривалість життя однієї молекули АТФ менше 1 хв).
Енергія, накопичена у молекулах АТФ, використовується організмом у анаболічних реакціях (реакціях біосинтезу). Молекула АТФ є універсальним зберігачем та переносником енергії для всіх живих істот.

Енергетичний обмін

Енергію, необхідну життєдіяльності, більшість організмів отримують у результаті процесів окислення органічних речовин, тобто у результаті катаболічних реакцій. Найважливішим з'єднанням, що виступає у ролі палива, є глюкоза.
По відношенню до вільного кисню організми поділяються на три групи.

Класифікація організмів по відношенню до вільного кисню

У облігатних аеробів та факультативних анаеробів у присутності кисню катаболізм протікає у три етапи: підготовчий, безкисневий та кисневий. В результаті органічні речовини розпадаються до неорганічних сполук. У облігатних анаеробів та факультативних анаеробів при нестачі кисню катаболізм протікає у два перші етапи: підготовчий та безкисневий. В результаті утворюються проміжні органічні сполуки, ще багаті на енергію.

Етапи катаболізму

1. Перший етап - підготовчий- полягає у ферментативному розщепленні складних органічних сполук більш прості. Білки розщеплюються до амінокислот, жири – до гліцерину та жирних кислот, полісахариди – до моносахаридів, нуклеїнові кислоти – до нуклеотидів. У багатоклітинних організмів це відбувається у шлунково-кишковому тракті, у одноклітинних – у лізосомах під дією гідролітичних ферментів. Енергія, що вивільняється при цьому, розсіюється у вигляді теплоти. Органічні сполуки, що утворилися, або піддаються подальшому окисленню, або використовуються клітиною для синтезу власних органічних сполук.
2. Другий етап – неповне окислення (безкисневий)- полягає у подальшому розщепленні органічних речовин, що здійснюється в цитоплазмі клітини без участі кисню. Головним джерелом енергії у клітині є глюкоза. Безкисневе, неповне окислення глюкози називається гліколізом. В результаті гліколізу однієї молекули глюкози утворюється по дві молекули піровиноградної кислоти (ПВК, піруват) CH 3 COCOOH, АТФ та води, а також атоми водню, які зв'язуються молекулою-переносником НАД + та запасаються у вигляді НАД·Н.
Сумарна формула гліколізу має такий вигляд:
C 6 H 12 O 6 + 2H 3 PO 4 + 2АДФ + 2НАД+ → 2C 3 Н 4 O 3 + 2H 2 O + 2АТФ + 2НАД·Н.
Далі за відсутності у середовищі киснюпродукти гліколізу (ПВК та НАД·Н) переробляються або в етиловий спирт - спиртове бродіння(у клітинах дріжджів та рослин при нестачі кисню)
CH 3 COCOOH → СО 2 + СН 3 СОН
СН 3 СОН + 2НАД · Н → С 2 Н 5 ВІН + 2НАД + ,
або в молочну кислоту - молочнокисле бродіння (у клітинах тварин при нестачі кисню)
CH 3 COCOOH + 2НАД·Н → C 3 Н 6 O 3 + 2НАД + .
За наявності у середовищі киснюпродукти гліколізу зазнають подальшого розщеплення до кінцевих продуктів.
3. Третій етап – повне окислення (дихання)- полягає в окисленні ПВК до вуглекислого газу та води, що здійснюється в мітохондріях за обов'язкової участі кисню.
Він складається із трьох стадій:
А) утворення ацетилкоензиму А;
Б) окислення ацетилкоензиму А циклі Кребса;
В) окисне фосфорилювання в електронотранспортному ланцюзі.

А. На першій стадії ПВК переноситься з цитоплазми в мітохондрії, де взаємодіє з ферментами матриксу і утворює 1) діоксид вуглецю, який виводиться із клітини; 2) атоми водню, які молекулами-переносниками доставляються до внутрішньої мембрани мітохондрії; 3) ацетилкофермент А (ацетил-КоА).
Б. На другій стадії відбувається окислення ацетилкоензиму А в циклі Кребса. Цикл Кребса (цикл трикарбонових кислот, цикл лимонної кислоти) - це ланцюг послідовних реакцій, в ході яких з однієї молекули ацетил-КоА утворюються 1) дві молекули діоксиду вуглецю, 2) молекула АТФ і 3) чотири пари атомів водню, що передаються на молекули- переносники - НАД та ФАД. Таким чином, в результаті гліколізу і циклу Кребса молекула глюкози розщеплюється до СО 2 , а енергія, що вивільнилася при цьому, витрачається на синтез 4 АТФ і накопичується в 10 НАД·Н і 4 ФАД·Н 2 .
В. На третій стадії атоми водню з НАД Н і ФАД Н 2 окислюються молекулярним киснем Про 2 з утворенням води. Один НАД Н здатний утворювати 3 АТФ, а один ФАД Н 2 -2 АТФ. Таким чином, енергія, що виділяється при цьому, запасається у вигляді ще 34 АТФ.
Цей процес протікає в такий спосіб. Атоми водню концентруються у зовнішньої сторони внутрішньої мембрани мітохондрії. Вони втрачають електрони, які по ланцюгу молекул-переносників (цитохромів) електронотранспортного ланцюга (ЕТЦ) переносяться на внутрішній бік внутрішньої мембрани, де з'єднуються з молекулами кисню:
О 2 + е - → О 2 - .
В результаті діяльності ферментів ланцюга перенесення електронів внутрішня мембрана мітохондрій зсередини заряджається негативно (за рахунок О 2 -), а зовні - позитивно (за рахунок Н+), тому між її поверхнями створюється різниця потенціалів. У внутрішню мембрану мітохондрій вбудовані молекули ферменту АТФ-синтетази, що мають іонний канал. Коли різниця потенціалів на мембрані досягає критичного рівня, позитивно заряджені частинки H + силою електричного поля починають проштовхуватися через канал АТФази і, опинившись на внутрішній поверхні мембрани, взаємодіють із киснем, утворюючи воду:
1/2О 2 - +2H + → Н2О.
Енергія іонів водню H+, що транспортуються через іонний канал внутрішньої мембрани мітохондрії, використовується для фосфорилювання АДФ в АТФ:
АДФ+Ф → АТФ.
Таке утворення АТФ у мітохондріях за участю кисню називається окислювальним фосфорилуванням.
Сумарне рівняння розщеплення глюкози у процесі клітинного дихання:
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 38H 3 PO 4 + 38АДФ → 6CO 2 + 44H 2 O + 38АТФ.
Таким чином, у ході гліколізу утворюються 2 молекули АТФ, у ході клітинного дихання – ще 36 молекул АТФ, загалом при повному окисленні глюкози – 38 молекул АТФ.

Пластичний обмін

Пластичний обмін, або асиміляція, є сукупністю реакцій, що забезпечують синтез складних органічних сполук з більш простих (фотосинтез, хемосинтез, біосинтез білка та ін).
Гетеротрофні організми будують власні органічні речовини із органічних компонентів їжі. Гетеротрофна асиміляція зводиться по суті до перебудови молекул:
органічні речовини їжі (білки, жири, вуглеводи) → прості органічні молекули (амінокислоти, жирні кислоти, моносахариди) → макромолекули тіла (білки, жири, вуглеводи).
Автотрофні організми здатні повністю самостійно синтезувати органічні речовини з неорганічних молекул, що споживаються із зовнішнього середовища. У процесі фото- та хемосинтезу відбувається утворення простих органічних сполук, з яких надалі синтезуються макромолекули:
неорганічні речовини (СО2, Н2О) → прості органічні молекули (амінокислоти, жирні кислоти, моносахариди) → макромолекули тіла (білки, жири, вуглеводи).

Фотосинтез

Фотосинтез- синтез органічних сполук із неорганічних за рахунок енергії світла.

Сумарне рівняння фотосинтезу:

Фотосинтез протікає за участю фотосинтезуючих пігментів, Що мають унікальну властивість перетворення енергії сонячного світла в енергію хімічного зв'язку у вигляді АТФ. Фотосинтезуючі пігменти є білковоподібними речовинами. Найбільш важливим є пігмент хлорофіл. У еукаріотів фотосинтезуючі пігменти вбудовані у внутрішню мембрану пластид, у прокаріотів - у вп'ячування цитоплазматичної мембрани.
Будова хлоропласту дуже схожа на будову мітохондрії. У внутрішній мембрані тилакоїдів гран містяться фотосинтетичні пігменти, а також білки ланцюга перенесення електронів та молекули ферменту АТФ-синтетази.
Процес фотосинтезу складається з двох фаз: світлової та темнової.
1. Світлова фаза фотосинтезупротікає тільки на світлі в мембрані тилакоїдів грани.
До неї відносяться поглинання хлорофілом квантів світла, утворення молекули АТФ та фотоліз води.
Під дією кванта світла (hv) хлорофіл втрачає електрони, переходячи у збуджений стан:

Ці електрони передаються переносниками на зовнішню, тобто звернену до матрикса поверхню мембрани тилакоїдів, де накопичуються.
Одночасно всередині тилакоїдів відбувається фотоліз води, тобто її розкладання під впливом світла:

Електрони, що утворюються, передаються переносниками до молекул хлорофілу і відновлюють їх. Молекули хлорофілу повертаються у стабільний стан.
Протони водню, що утворилися при фотолізі води, накопичуються всередині тилакоїда, створюючи Н+резервуар. В результаті внутрішня поверхня мембрани тилакоїда заряджається позитивно (за рахунок Н+), а зовнішня – негативно (за рахунок е-). У міру накопичення з обох боків мембрани протилежно заряджених частинок наростає різниця потенціалів. При досягненні критичної величини різниці потенціалів сила електричного поля починає проштовхувати протони через АТФ-синтетази канал. Енергія, що виділяється при цьому, використовується для фосфорилювання молекул АДФ:
АДФ+Ф → АТФ.

Утворення АТФ у процесі фотосинтезу під впливом енергії світла називається фотофосфорилуванням.
Іони водню, опинившись на зовнішній поверхні мембрани тилакоїда, зустрічаються там з електронами і утворюють атомарний водень, який зв'язується з молекулою-переносником водню НАДФ (нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат):
2Н + + 4е - + НАДФ + → НАДФ · Н 2 .
Таким чином, під час світлової фази фотосинтезу відбуваються три процеси: утворення кисню внаслідок розкладання води, синтез АТФ та утворення атомів водню у формі НАДФ·Н2. Кисень дифундує в атмосферу, а АТФ і НАДФ Н 2 беруть участь у процесах темнової фази.
2. Темнова фаза фотосинтезупротікає в матриксі хлоропласту як на світлі, так і в темряві і є рядом послідовних перетворень СО 2 , що надходить з повітря, в циклі Кальвіна. Здійснюються реакції темнової фази рахунок енергії АТФ. У циклі Кальвіна 2 зв'язується з воднем з НАДФ·Н 2 з утворенням глюкози.
У процесі фотосинтезу крім моносахаридів (глюкоза та ін.) синтезуються мономери інших органічних сполук – амінокислоти, гліцерин та жирні кислоти. Таким чином, завдяки фотосинтезу рослини забезпечують себе та все живе на Землі необхідними органічними речовинами та киснем.

Порівняльна характеристика фотосинтезу та дихання еукаріотів

Генетична інформація у всіх організмів зберігається у вигляді певної послідовності нуклеотидів ДНК (або РНК у РНК-вірусів). Прокаріоти містять генетичну інформацію як однієї молекули ДНК. В еукаріотичних клітинах генетичний матеріал розподілений у кількох молекулах ДНК, організованих у хромосоми.
ДНК складається з ділянок, що кодують і некодують. Кодуючі ділянки кодують РНК. Некодуючі ділянки ДНК виконують структурнуфункцію, дозволяючи ділянкам генетичного матеріалу упаковуватися певним чином, або регуляторнуфункцію, беручи участь у включенні генів, що спрямовують синтез білка.
Кодуючими ділянками ДНК є гени. Ген - Ділянка молекули ДНК, що кодує синтез однієї мРНК (і відповідно поліпептиду), рРНК або тРНК.
Ділянка хромосоми, де розташований ген називається локусом . Сукупність генів клітинного ядра є генотип , сукупність генів гаплоїдного набору хромосом - геном , сукупність генів позаядерних ДНК (мітохондрій, пластид, цитоплазми) - плазмон .
Реалізація інформації, записаної в генах, через синтез білків називається експресією (Проявом) генів. Генетична інформація зберігається як певної послідовності нуклеотидів ДНК, а реалізується як послідовності амінокислот в білку. Посередниками, переносниками інформації є РНК. Тобто реалізація генетичної інформації відбувається так:
ДНК → РНК → білок.
Цей процес здійснюється у два етапи:
1) транскрипція;
2) трансляція.

Транскрипція(Від лат. transcriptio- переписування) - синтез РНК з використанням ДНК як матриця. В результаті утворюються мРНК, тРНК та рРНК. Процес транскрипції вимагає великих витрат енергії як АТФ і здійснюється ферментом РНК-полимеразой.

Одночасно транскрибується не вся молекула ДНК, лише окремі її відрізки. Такий відрізок ( транскриптон) починається промотором- ділянкою ДНК, куди приєднується РНК-полімераза та звідки починається транскрипція, а закінчується термінатором- Ділянкою ДНК, що містить сигнал закінчення транскрипції. Транскриптон – це ген з погляду молекулярної біології.
Транскрипція, як і реплікація, ґрунтується на здатності азотистих основ нуклеотидів до комплементарного зв'язування. На час транскрипції подвійний ланцюг ДНК розривається, і синтез РНК здійснюється за одним ланцюгом ДНК.

У процесі транскрипції послідовність нуклеотидів ДНК переписується на синтезується молекулу мРНК, яка виступає як матриця в процесі біосинтезу білка.
Гени прокаріотів складаються тільки з кодуючих нуклеотидних послідовностей.

Гени еукаріот складаються з кодуючих, що чергуються ( екзонів) та некодуючих ( інтронів) ділянок.

Після транскрипції ділянки мРНК, що відповідають інтронам, видаляються в ході сплайсингу, що є складовою процесингу.

Процесинг- процес формування зрілої мРНК із її попередника пре-мРНК. Він включає дві основні події. 1.Приєднання до кінців мРНК коротких послідовностей нуклеотидів, що позначають місце початку та місце кінця трансляції. 2. Сплайсинг- Видалення неінформативних послідовностей мРНК, що відповідають інтронам ДНК. В результаті сплайсингу молекулярна маса мРНК зменшується в 10 разів.
Трансляція(Від лат. translatio- Переклад) - синтез поліпептидного ланцюга з використанням мРНК у ролі матриці.

У трансляції беруть участь усі три типи РНК: мРНК є інформаційною матрицею; тРНК доставляють амінокислоти та дізнаються кодони; рРНК разом з білками утворюють рибосоми, які утримують мРНК, тРНК та білок та здійснюють синтез поліпептидного ланцюга.

Етапи трансляції

Реакції матричного синтезу

• самоподвоєння ДНК (реплікація);
• утворення мРНК, тРНК та рРНК на молекулі ДНК (транскрипція);
• біосинтез білка на мРНК (трансляція).

Всі ці реакції поєднує те, що молекула ДНК в одному випадку або молекула мРНК в іншому виступають у ролі матриці, де відбувається утворення однакових молекул. Реакції матричного синтезу є основою здатності живих організмів до відтворення подібних до себе.
Регуляція експресії генів. Тіло багатоклітинного організму побудоване з різноманітних клітинних типів. Вони відрізняються структурою та функціями, тобто диференційовані. Відмінності виявляються в тому, що крім білків, необхідних будь-якій клітині організму, клітини кожного типу синтезують ще й спеціалізовані білки: в епідермісі утворюється кератин, в еритроцитах - гемоглобін і т. д. Клітинна диференціювання обумовлена ​​зміною набору генів, що експресуються, і не супроводжується якими- незворотними змінами у структурі самих послідовностей ДНК.

Розподіл клітин

Хромосомний набір

Хромосомний набір - Сукупність хромосом, що містяться в ядрі. Залежно від хромосомного набору клітини бувають соматичними та статевими.

Соматичні та статеві клітини

Клітинний цикл

Клітинний цикл (життєвий цикл клітини) - існування клітини від її виникнення внаслідок розподілу материнської клітини до її власного поділу чи смерті. Тривалість клітинного циклу залежить від типу клітини, її функціонального стану та умов середовища. Клітинний цикл включає мітотичний цикл та період спокою.

У період спокою (G0) клітина виконує властиві їй функції і обирає подальшу долю - гине або повертається в мітотичний цикл. У клітинах, що безперервно розмножуються, клітинний цикл збігається з мітотичним циклом, а період спокою відсутній.
Мітотичний цикл складається з чотирьох періодів: пресинтетичного (постмітотичного) - G 1 , синтетичного - S, постсинтетичного (премітотичного) - G 2 , мітозу - М. Перші три періоди - це підготовка клітини до поділу ( інтерфаза), четвертий період - сам поділ (мітоз).

Інтерфаза - Підготовка клітини до поділу.

Періоди інтерфази

Розподіл еукаріотичних клітин

Основою розмноження та індивідуального розвитку організмів є поділ клітини.
Еукаріотичні клітини мають три способи поділу:

• амітоз (прямий поділ),
• мітоз (непрямий поділ),
• мейоз (редукційний поділ).

Амітоз- Рідкісний спосіб поділу клітини, характерний для старіючих або пухлинних клітин. При амітозі ядро ​​ділиться шляхом перетяжки та рівномірний розподіл спадкового матеріалу не забезпечується. Після амітозу клітина не здатна вступати в мітотичний поділ.

Мітоз- тип клітинного поділу, у результаті якого дочірні клітини отримують генетичний матеріал, ідентичний тому, що у материнській клітині. В результаті мітозу з однієї диплоїдної клітини утворюється дві диплоїдні, генетично ідентичні материнській.

Фази мітозу

Біологічне значення мітозу:

• досягається генетична стабільність;
• збільшується кількість клітин в організмі;
• відбувається зростання організму;
• можливі явища регенерації та безстатевого розмноження у деяких організмів.

Мейоз

Мейоз- Тип клітинного поділу, що супроводжується редукцією числа хромосом. В результаті мейозу з однієї диплоїдної клітини утворюється чотири гаплоїдні, генетично відрізняються від материнської. У ході мейозу відбувається два клітинних поділу (перше і друге мейотичні поділки), причому подвоєння числа хромосом відбувається лише перед першим поділом.

Фази мейозу

Біологічне значення мейозу:

• основа статевого розмноження;
• основа комбінативної мінливості.

Розподіл прокаріотичних клітин

У прокаріотів мітозу і мейозу немає. Бактерії розмножуються безстатевим шляхом. розподілом клітиниза допомогою перетяжок або перегородок, рідше брунькуванням. Цим процесам передує подвоєння кільцевої молекули ДНК.
Крім того, для бактерій характерний статевий процес. кон'югація. При кон'югації спеціальним каналом, що утворюється між двома клітинами, фрагмент ДНК однієї клітини передається іншій клітині, тобто змінюється спадкова інформація, що міститься в ДНК обох клітин. Оскільки кількість бактерій при цьому не збільшується, для коректності використовують поняття «статевий процес», але не «статеве розмноження».