Разложение органических веществ. Обмен веществ и энергии Распад сложных органических веществ происходит в процессе
1 вариант
1. К биополимерам относятся:
А) белки; б) жиры; в) нуклеиновые кислоты; г) минеральные соли
2. Мономерами белков являются: а) нуклеотиды; б) глюкоза; в) аминокислоты
3. Форма двойной спирали характерна для молекулы:
А) белка; б) ДНК; в) РНК; г) крахмала
4. Ферментативная функция характерна для: а) белка; б) ДНК; в) РНК; г) АТФ
5. Синтез сложных органических веществ происходит в процессе:
А) анаболизма; б) катаболизма; в) пищеварения
6. Освобождение энергии происходит в процессе:
А) анаболизма; б) катаболизма; в) трансляции
7. Процесс транскрипции при биосинтезе белка происходит:
8. Создание полимерной цепочки из аминокислот называется:
9. Фотосинтез осуществляется:
А) в рибосомах; б) в хлоропластах; в) в митохондриях
10. Темповая фаза фотосинтеза происходит:
11. Бескислородная стадия энергетического обмена называется:
12. Кислородное окисление происходит:
А) в митохондриях; б) в цитоплазме; в) в рибосомах
13. Образование глюкозы из углекислого газа и воды происходит при:
А) гликолизе; б) дыхании; в) фотосинтезе
14. При фотосинтезе используется энергия:
15. Процесс репликации характерен для: а) РНК; б) ДНК; в) белка
2 вариант
1. В клетку входят органические вещества:
А) белки; б) жиры; в) нуклеиновые кислоты; г) вода
2. Мономерами нуклеиновых кислот являются:
А) нуклеотиды; б) глюкоза; в) аминокислоты
3. Последовательность аминокислот в белке определяет его:
А) первичную структуру; б) вторичную структуру; в) третичную структуру
4. Универсальный источник энергии в клетке: а) белок; б) ДНК; в) РНК; г) АТФ
5. Распад сложных органических веществ происходит в процессе:
А) анаболизма; б) катаболизма; в) фотосинтеза
6. Расходование энергии происходит в процессе:
А) анаболизма; б) катаболизма; в) гликолиза
7. Процесс трансляции при биосинтезе белка происходит:
А) в рибосомах; б) в митохондриях; в) в ядре
8. Образование и - РНК путем «списывания» генетической информации называется:
А) транскрипцией; б) трансляцией; в) редупликацией
9. Для осуществления фотосинтеза необходимо присутствие:
А) ДНК; б) РНК; в) хлорофилла
10. Световая фаза фотосинтеза происходит:
А) только на свету; б) только в темноте; в) на свету и в темноте
11. Кислородная стадия энергетического обмена называется:
А) дыхание; б) транскрипция; в) гликолиз
12. Гликолиз происходит: а) в митохондриях; б) в цитоплазме; в) в рибосомах
13. При фотосинтезе выделяется побочный продукт:
А) глюкоза; б) вода; в) кислород
14. При энергетическом обмене используется энергия:
А) солнечная; б) химическая; в) тепловая
15. Процесс транскрипции происходит при:
А) фотосинтезе; б) катаболизме; в) анаболизме
И. А. Никитина, МБОУ лицей №6, г. Химки, Московская область
Второй ветвью биологического круговорота является деструкционный цикл, состоящий из процессов разрушения органических соединений и перехода химических элементов из сложных органических соединений в простые минеральные, сопровождающихся выделением энергии.
Процессы разложения начинаются в самых живых организмах и идут параллельно фотосинтезу. Это процессы дыхания, в результате которых часть синтезированного органического вещества разлагается на первичные продукты - диоксид углерода и воду. Но в растениях синтез органических веществ намного превышает их разложение, и в целом, растения накапливают эти вещества. Оставшаяся часть синтезированного вещества - первичная продукция - окисляется постепенно, переходя от одного трофического уровня к другому. Животные, для которых растения являются единственным первоисточником химической энергии, разлагают органические вещества очень интенсивно. Конечными продуктами этого окисления служат также углекислый газ и вода.
Но основные процессы разложения связаны с преобразованием отмерших растительных и животных остатков. В их разложении принимают участие специфическая группа организмов - редуценты - грибы, актиномицеты, бактерии. На последнем этапе мертвые органические остатки разлагаются микроорганизмами (в меньшей степени это происходит путем абиотического окисления). Используя химическую энергию, заключенную в органических соединениях, микроорганизмы превращают белки, жиры и углеводы в простые минеральные соединения, которые возвращаются в атмосферу (углекислый газ, вода и аммиак) и в почву (зольные элементы). Хотя при этом разложении происходит образование новых форм живого вещества в виде тел микроорганизмов, общее количество органического вещества уменьшается, так как основная часть его минерализуется.
Совокупность процессов разложения органических веществ, в ходе которых химические элементы высвобождаются из состава сложных, богатых энергией органических соединений и снова образуют более простые и более бедные энергией минеральные соединения носит название минерализацией органических веществ.
Скорость разрушения органических соединений подчиняется законам географической зональности и растет с увеличением притока солнечной энергии. При недостатке тепла и избытке влаги ежегодный растительный опад не успевает разрушаться и в ландшафте происходит накопление избыточной морт-массы, формируется мощная подстилка и торфяные залежи. В аридных условиях с их высоким энергетическим потенциалом скорость деструкции намного превышает продуцирование и накопление мертвого органического вещества не происходит. Продукционные и деструкционные процессы наиболее сбалансированы в условиях оптимума тепла и влаги.
В зависимости от климатических условий скорость разложения органических соединений существенно различна. Неразложившаяся и полуразложенная часть растительных и животных остатков накапливается. Этот процесс М.А.Глазовская назвала детритогенезом. Его количественные характеристики имеют важное геохимическое значение и характеризуются следующими показателями:
О1- ежегодным растительным опад, О2-зеленой частью опада, О3- лесной подстилкой или войлоком, соотношением О3 и О2 (опадо-подстилочный индекс ОПИ), предложенный Л.Е Родиным и Н.И. Базилевич.
ОПИ =О3/О2 *100%
Эти показатели существенно меняются в зависимости от природной зоны. Например, О1 составляет на такырах – 1 ц/га, в арктической тундре 10 ц/га, во влажных тропических лесах 250 ц/га, а О3 – в сухих степях 15 ц/га, во влажных тропических лесах –20ц/га, в кустарничковой тундре – 835 ц/га. Опадо-подстилочный индекс характеризует интенсивность процессов разложения и составляет в кустарничковой тундре 2000 –5000%, сухих степях –100%, влажных тропических лесах – 10%.
При разложении часть органических остатков переходит в почвенный гумус, особенно велика его доля в условиях достатка тепла и небольшого дефицита влаги, т.е. в условиях степей, где запасы гумуса достигают 600-1000т/га. В почвах широколиственных лесов запасы гумуса составляют 300 т/га, таежных лесов - 100 т/га, тундр - 70 т/га. Значения же неразложившихся растительных остатков обратные - в степях 4-10т/га, тайге - 40-50т/га, широколиственных лесах -10-15 т/га. Запасы мертвого органического вещества и запас биомассы в органах растений являются важным резервом питательных веществ, обеспечивающий устойчивость биоты к колебаниям внешней среды в условиях интенсивного абиогенного выноса элементов зольного и азотного питания.
В лесных ландшафтах (в условиях избыточного увлажнения и интенсивного стока и потерь элементов питания) запас зольных элементов в живом веществе и подстилке прочно удерживающей необходимые элементы обеспечивает определенную автономность (высокую степень замкнутости) биологического круговорота. В степях, где растительность не способна аккумулировать запасы живой фитомассы и опад быстро разрушается, резервом минерального питания являются запасы гумуса. Для этих ландшафтов определенную автономность и устойчивость обеспечивают запасы гумуса. Гарантией стабильности для ландшафтов влажных экваториальных лесов, не имеющих ни мощной подстилки, ни запасов гумуса является большая замкнутость биологического круговорота и высокая скорость разложения органических соединений.
Таким образом, процесс минерализации обогащает ландшафт свободной энергией, носителем которой являются природные воды. Они приобретают большую активность и выполняют огромную химическую работу. Наличие свободной энергии делает ландшафт неравновесной системой, но, несмотря на это, она сохраняет длительное время свой облик. Это объясняется не термодинамическим равновесием, а стационарностью процессов, протекающих в ландшафте. Устойчивость ландшафта связана с тем, что расходуемый избыток энергии непрерывно восполняется из среды в количестве, компенсирующем ее снижение в ландшафте. Таким образом, биогенный ландшафт - саморазвивающаяся саморегулирующаяся неравновесная стационарная (устойчивая) система (А.И.Перельман, Н.С.Касимов,1999).
Деструкционный цикл имеет ряд специфических особенностей:
1. Минерализация направлена на уменьшение сложности и разнообразия системы, уменьшение количества сложной биологической информации за счет увеличения неорганической.
2. Разложение органических соединений характеризуется, в отличие от процессов их образования, повторяемостью во времени и пространстве. Например, болотные воды с большим содержанием растворенных органических соединений и интенсивной миграцией железа и марганца характерны для влажных тропических условиях современности и предшествующих эпох (палеозоя и мезозоя). Живое же вещество этих эпох различно. В то же время в одну эпоху в разных природных зонах химизм природных вод, определяемый процессами разложения органических соединений одинаков (слабоминерализованные и богатые растворенным органическим веществом воды гумидных ландшафтов, и слабощелочной кислородный класс вод семиаридных ландшафтов). Таким образом процессы разложения и связанные с ними водная миграция однообразнее процессов образования живого вещества. Как бы ни были разнообразны живые организмы, после смерти их остатки превращаются в одни и те же простые минеральные соединения –диоксид углерода и воду, а также вещества гумусового типа.
Процессы минерализации играют существенную роль в формировании геохимических характеристик ландшафта. В результате минерализации происходит биогенное перераспределение химических элементов, формирование специфических биогенных минералов, изменение химического состава вод ландшафта.
Основная масса живого вещества сосредоточена над почвой или в верхнем гумусовом горизонте, здесь же происходит минерализация отмерших остатков. Поэтому после минерализации в верхней части почвенного профиля накапливаются биофильные элементы, коэффициент биологического поглощения которых больше 1. Поглощение элементов корнями растений происходит из всей почвы. Таким образом, растения играют роль насоса, перераспределяющего химические элементы путем извлечения биофильных элементов из всей почвенной толщи и аккумуляции их в верхнем горизонте. Этот механизм является отрицательной обратной биокосной связью в ландшафте, способствующей стабилизации как почвы, так и всего ландшафта в целом.
Минерализация сопровождается формированием двух групп биогенных минералов. Минералы первой группы входят в состав клеточных выделений, скелета, панциря, раковин и т.д. Эти минералы имеют органоморфную структуру, т.е. сохраняют форму тех клеток, в которых они возникли. Эти минералы носят название «биолитов». После смерти живого организма, биолиты поступают в илы, почвы, где теряют свою органоморфную структуру и приобретают землистый облик. Например, в верхних слоях аллювиальных отложений сохраняются раковины пресноводных моллюсков, в нижних – они превращаются в скопления порошкообразной углекислой извести, частично сохраняющей форму раковин. В тканях многих растений содержатся кристаллики кальцита (древесина, землистые выделения на поверхности листьев, известковистый материал в клеточной ткани), которые при разложении обогащают почвы кальцием. Для растений и диатомовых водорослей степей, горных лугов характерно накопление опаловых (Si2 nH2O) телец –фитолитариев. После разложения растительных остатков опал теряет воду, органоморфную структуру, превращается в халцедон, переосаждается и обогащает почву двуокисью кремния (вторичным кварцем).
Другая группа биогенных минералов возникает вне тел организмов из продуктов их жизнедеятельности. Многочисленные исследования (Полынов Б.Б., М.А.Глазовская) как примитивных почв высокогорий, так и хорошо развитых почвенных профилей доказывают, что тонкодисперсная (глинистая) часть почв в значительной части образовалась за счет разложения остатков организмов, т.е. глинистые минералы почв имеют биогенное происхождение. Вероятно, этим объясняется единство глинистых минералов в почвах, сформированных на различных горных породах.
Таким образом, в процессе разложения и дальнейшей минерализации происходит синтез специфических органических соединений – гумуса, специфических минеральных соединений –глинистых минералов, а также выделение простейших неогранических соединений. Эти процессы приводят к перераспределению химических элементов в литогенной основе ландшафта. Поглощение химических элементов из почв происходит из всего почвенного профиля. Разложение же органических соединений – в основном в верхнем горизонте.Здесь после минерализации аккумулируются те химические элементы, которые
Разложение органического вещества в значительной степени определяет формирование химического состава грунтовых вод. В грунтовые воды поступают диоксид углерода, выделяющийся при дыхании подземных частей растений и подземной фауны, органические кислоты и их соли, а также органоминеральные комплексы и минеральные соединения азота, фосфора и серы, образующиеся из продуктов разложения. Состав катионов в грунтовых водах отражает их биофильность. Например, в большинстве ландшафтов (в их водах) кальций преобладает над магнием, так как коэффициент биологического поглощения кальция больше, чем магния, и в продуктах минерализации его больше, следовательно его больше поступает в грунтовые воды. В целом, в ландшафтах с мощным накоплением органического вещества состав речных вод слабо зависит от вмещающих пород. Происходит как бы усреднение химического состава вод, они становятся более однообразными, например. Во всех ландшафтах влажного климата они пресные гидрокарбонатно-кальциевые. Наоборот, в ландшафтах, бедных жизнью (пустыни, сухие степи) - состав вод зависит от состава вмещающих пород и их растворимости. Здесь могут быть сульфатные, местами и хлоридные воды, а среди катионов возрастает роль магния и натрия.
Таким образом, в разных ландшафтах в формировании химического состава вод принимают участие как биохимические, так и физико-химические процессы, протекающие одновременно. Эти процессы взаимосвязаны и взаимообусловлены. В первом случае, химический элемент, прежде чем попасть в ландшафтные воды проходит через тело организма и поступает в воду из живого или мертвого органического вещества, а во втором случае имеет место растворение минералов, ионный обмен и другие реакции, в которых организмы выступают лишь как фактор, влияющий на растворяющую способность воды. Обе категории процессов развиты во всех ландшафтах. Но в одних ведущее значение имеет первая, в других - вторая.
Показатели интенсивности процессов разложения.
Об интенсивности разложения органических веществ хорошее представление дает отношение подстилки (О3) к зеленой части опада (О2)
Процесс разрушения сложных органических соединений происходит в определенной последовательности и в присутствии катализаторов этих реакций - ферментов, которые выделяются клетками бактерий. Ферменты - сложные белковые соединения (молекулярная масса достигает сотен тысяч н миллионов), ускоряющие биохимические реакции. Ферменты бывают одно- и двухкомпонентные. Двухкомпонентные ферменты состоят из белковой (апофермент) и небелковой (кофермент) части. Каталитической активностью обладает кофермент, а белковый носитель увеличивает его активность.
Различают ферменты, вырабатываемые бактериями для внеклеточного расщепления веществ - экзоферменты и внутренние пищеварительные ферменты - эндоферменты.
143
Особенность ферментов состоит в том, что каждый из них катализирует только одно из многих превращений. Существуют шесть основных ферментных классов: оксиредуктазы; трансферазы; гидралазы; лиозы; изомеразы; лигазы.
Для разрушений сложной смеси органических веществ необходимо 80-100 различных ферментов, каждый из них имеет свою оптимальную температуру, выше которой скорость реакции падает.
Процесс биологического окисления состоит из множества ступеней и начинается с расщепления органического вещества с выделением активного водорода. В этом процессе особую роль играют ферменты класса оксиредуктазы: дегидрогеназы (отнимающие водород от субстрата), каталазы (расщепляющие перекись водорода) и пероксидазы (использующие активированную перекись для окисления других органических соединений).
Существуют вещества, которые повышают активность ферментов - активаторы (витамины, катионы Са, Mg , Mn), и ингибиторы, оказывающие противоположное действие (например, соли тяжелых металлов, антибиотики).
Ферменты, которые постоянно присутствуют в клетках, независимо от субстрата, называются конститутивными. Ферменты, которые синтезируются клетками в ответ на изменение внешней среды, называются адаптивными. Срок адаптации составляет от нескольких часов до сотен дней.
Суммарные реакции биохимического окисления в аэробных условиях можно схематично представить в следующем виде:
где CxHyOzN - все органические вещества сточных вод; АН - энергия; C5H7N02 - условная формула клеточного вещества бактерий.
Реакция (I) показывает характер окисления вещества для удовлетворения энергетических потребностей клетки (катаболический процесс), реакция (II) - для синтеза клеточного вещества (анаболический процесс). Затраты кислорода на эти реакции составляют БПКполн сточной во-
ды. Реакции (III) и (IV) характеризуют превращение клеточного вещества в условиях недостатка питательных веществ. Общий расход кислорода на все 4 реакции приблизительно вдвое больше, чем на (I) и (II).
Большое количество биохимических реакций происходит с помощью кофермента А (или КоА, КоА-SH кофермент ацилирования). Ко- фермент А является производным ^-меркаптоэтиламида пантотеновой кислоты и нуклеотида - аденозин-3,5-дифосфата (C21H36Ol67P3S) с молекулярной массой 767,56. КоА активирует карбоновые кислоты, образуя с ними ацилпроизводные КоА.
Легко окисляются бензойная кислота, этиловый и амиловый спирты, гликоли, глицерин, анилин, сложные эфиры и др. Плохо окисляются нитросоединения, «жесткие» ПАВ, трехатомные спирты и др. Наличие функциональных групп увеличивает способность к биологическому разрушению соединений в такой последовательности:
Диссимиляция - это комплекс химических реакций, в которых происходит постепенный распад сложных органических веществ до более простых. Этот процесс сопровождается высвобождением энергии, значительная часть которой используется в синтезе АТФ.
Диссимиляция в биологии
Диссимиляция является процессом, противоположным ассимиляции. В качестве исходных веществ, подлежащих распаду, выступают нуклеиновые кислоты, белки, жиры и углеводы. А конечные продукты - это вода, углекислый газ и аммиак. В организме животных продукты распада по мере постепенного накопления выводятся наружу. А у растений углекислый газ выделяется частично, а аммиак в полном объеме применяется в процессе ассимиляции, служа исходным материалом для биосинтеза органических соединений.
Взаимосвязь диссимиляции и ассимиляции позволяет тканям организма постоянно обновляться. Например, в течение 10 дней в человеческой крови обновляется половина клеток альбумина, а за 4 месяца перерождаются все эритроциты. Соотношение интенсивности двух противоположных процессов обмена веществ зависит от многих факторов. Это и стадия развития организма, и возраст, и физиологическое состояние. В ходе роста и развития в организме преобладает ассимиляция, в результате образовываются новые клетки, ткани и органы, происходит их дифференциация, то есть масса тела увеличивается. В случае наличия патологий и при голодании процесс диссимиляции преобладает над ассимиляцией, и тело уменьшается в весе.
Классификация организмов по характеру диссимиляции
Все организмы можно поделить на две группы, в зависимости от условий, в которых протекает диссимиляция. Это аэробы и анаэробы. Первым для жизнедеятельности требуется свободный кислород, вторые не испытывают необходимости в нем. У анаэробов диссимиляция протекает путем брожения, которое представляет собой бескислородное ферментативное расщепление органических веществ до более простых. Например, молочнокислое или спиртовое брожение.
Этапы диссимиляции у аэробных организмов: подготовительный этап
Расщепление органических веществ у аэробов осуществляется в три шага. При этом на каждом из них происходит несколько определенных ферментативных реакций.
Первый этап - подготовительный. Основная роль на этой стадии принадлежит у многоклеточных организмов пищеварительным ферментам, находящимся в желудочно-кишечном тракте. У одноклеточных - ферментам лизосом. В ходе первого этапа белки распадаются на аминокислоты, жиры образуют глицерин и жирные кислоты, полисахариды расщепляются на моносахариды, нуклеиновые кислоты на нуклеотиды.
Гликолиз
Второй этап диссимиляции - гликолиз. Он протекает без кислорода. Биологическая сущность гликолиза состоит в том, что он представляет собой начало расщепления и окисления глюкозы, в результате чего накапливается свободная энергия в виде 2 молекул АТФ. Это происходит в ходе нескольких последовательно идущих реакций, конечным итогом которых становится образование из одной молекулы глюкозы двух молекул пирувата и такого же количества АТФ. Именно в виде аденозинтрифосфорной кислоты запасается часть энергии, которая выделилась в результате гликолиза, Остальная часть подлежит рассеиванию в виде тепла. Химическая реакция гликолиза: С6Н12O6 + 2АДФ + 2Ф → 2С3Н4O3 + 2АТФ.
В условиях недостатка кислорода в растительных клетках и в клетках дрожжей пирувират расщепляется на два вещества: этиловый спирт и углекислый газ. Это и есть спиртовое брожение.
Количество энергии, высвобождаемой при гликолизе, недостаточно для тех организмов, которые дышат кислородом. Именно поэтому в организме животных и человека при больших физических нагрузках в мышцах синтезируется служащая резервным источником энергии и накапливающаяся в виде лактата. Характерным признаком данного процесса является появление боли в мышцах.
Кислородный этап
Диссимиляция - это очень сложный процесс, и третий кислородный этап также представляет собой две последовательно идущих реакции. Речь идет о цикле Кребса и окислительном фосфорилировании.
В ходе кислородного дыхания происходит окисление пирувирата до окончательных продуктов, которыми являются СО2 и Н2О. При этом выделяется энергия, запасаемая в виде 36 молекул АТФ. Затем эта же энергия обеспечивает синтез органических веществ в пластическом объеме. Эволюционно возникновение данного этапа связано с накоплением в атмосфере молекулярного кислорода и появлением аэробных организмов.
Местом осуществления (клеточного дыхания) являются внутренние мембраны митохондрий, внутри которых имеются молекулы-переносчики, осуществляющие транспорт электронов к молекулярному кислороду. Энергия, образуемая на этой стадии, частично расссеивается в виде тепла, остальная же идет на образование АТФ.
Диссимиляция в биологии - это реакция которого выглядит так: С6Н12O6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2O + 38АТФ.
Таким образом, диссимиляция - это совокупность реакций, происходящих за счет органических веществ, которые были ранее синтезированы клеткой, и свободного кислорода, который поступил из внешней среды в процессе дыхания.
Статьи по теме
