Підручник Біологія 9 клас - В. І. Соболь - Абетка 2017

Тема 3. ПРИНЦИПИ ФУНКЦІОНУВАННЯ КЛІТИНИ

§ 21. ХЕМОСИНТЕЗ. ПОТІК РЕЧОВИН, ЕНЕРГІЇ ТА ІНФОРМАЦІЇ З КЛІТИНИ

Клітина - це окремий мікрокосм з чіткими межами, всередині якого відбуваються дивні й неперервні перетворення.

К. Свенсон

Основні поняття й ключові терміни: ХЕМОСИНТЕЗ. ПЛАСТИЧНИЙ ОБМІН.

Пригадайте! Що таке обмін речовин, енергії та інформації?

Знайомтеся!

Сергій Миколайович Виноградський (18561953) - геніальний український мікробіолог, вперше довів, що клітини здатні утворювати органічні речовини не тільки за рахунок світлової енергії, а й за допомогою хімічної енергії окисно-відновних реакцій. Енергія, що утворюється при цьому, використовується для фіксації вуглекислого газу й утворення глюкози. Відкрите ним явище було названо хемосинтезом. 25 травня 2012 р. в м. Городку на Хмельниччині було відкрито пам’ятник знаменитому співвітчизнику.

ЗМІСТ

Які особливості та значення хемосинтезу?

ХЕМОСИНТЕЗ — процес утворення органічних речовин із неорганічних завдяки енергії, яка вивільняється під час перетворення неорганічних речовин. Цей процес здійснюють хемоавтотрофні бактерії: нітрифікуючі бактерії (окиснюють амоніак до нітритної, а потім до нітратної кислоти), залізобактерії (перетворюють сполуки двовалентного Феруму на сполуки тривалентного Феруму) та сіркобактерії (окисню- ють сірководень до сульфатів) (іл. 50). Вивільнена енергія акумулюється в клітинах бактерій у формі АТФ. Хемосинтез відбувається аналогічно темновій фазі фотосинтезу. Особливостями хемосинтезу, які відрізняють його від фотосинтезу, є те, що цей процес: а) здійснюється без участі світла; б) відбувається з використанням кисню, тобто це аеробний процес. Джерелом активного Гідрогену для відновлення НАДФ+, як і у фототрофів, є вода.

У планетарному масштабі хемосинтез становить не більш ніж 1 % фотосинтезу, проте він має велике значення для біологічного коло- обігу та геохімічних перетворень. Значення хемотрофів є важливим в природі, оскільки вони забезпечують колообіг речовин (нітрифікуючі бактерії), беруть участь в утворенні гірських порід (сіркобактерії, які утворюють вільну сірку), спричиняють корозію металів (залізобактерії). Хемоавтотрофні організми можуть жити в океанах на великих глибинах, де є отруйний сірководень. Вони окиснюють його і отримують органічні речовини для життєдіяльності. Хемосинтезуючі бактерії, що окиснюють сполуки Феруму, Мангану, поширені й у прісних водоймах.

Іл. 50. Нітрифікуюча бактерія нітрозомонас (Nitrosomonas europaea)

Імовірно, що саме з їх участю упродовж мільйонів років на дні боліт й озер утворилися поклади залізних та манганових руд.

Отже, хемосинтез є важливим для природи процесом пластичного обміну, що здійснюється без світла з використанням кисню.

Які базові принципи синтетичних процесів у клітинах та організмах?

ПЛАСТИЧНИЙ ОБМІН, або анаболізм (від грец. анаболе - підйом), - сукупність процесів синтезу органічних речовин, що відбуваються в живому з використанням енергії. Основними процесами синтезу, з якими ви ознайомилися, є фотосинтез, хемосинтез, біосинтез білків, біосинтез ДНК і РНК.

Для синтетичних процесів пластичного обміну потрібна енергія, тобто спостерігається його енергозалежність. Автотрофні організми здійснюють біосинтез із неорганічних речовин (води і СО2), використовуючи енергію світла (фотоавтотрофи) або енергію окисно-відновних реакцій (хемоавтотрофи). Гетеротрофні організми здійснюють синтез власних органічних речовин, використовуючи готові поживні речовини як джерело простих органічних сполук та енергії. Тому пластичний обмін взаємопов’язаний із енергетичним обміном, оскільки для синтезу потрібні енергія та прості молекули, що утворюються в реакціях розпаду. Але в будь-якому випадку енергія, що використовується для процесів пластичного обміну, є хімічною енергією АТФ.

Усі живі організми потребують певних речовин та енергії АТФ для синтезу власних органічних речовин. Цей принцип є життєво важливим для клітини, оскільки власні органічні молекули не спричиняють імунних реакцій відторгнення, мають певне значення в життєдіяльності, взаємопов’язані з іншими молекулами. Все це зумовлює генетичну визначеність переважної більшості реакцій біосинтезу.

Для процесів пластичного обміну характерна етапність перебігу, що пояснюється ускладненням продуктів і використанням безпечної кількості енергії. Так, процеси фотосинтезу здійснюються в світловій й темновій фазах, процесами біосинтезу білків є транскрипція і трансляція.

У процесах пластичного обміну беруть участь майже всі компоненти клітини, але складні анаболічні процеси відбуваються за участі спеціалізованих клітинних структур. Так, фотосинтез у рослин відбувається в хлоропластах, синтез білків - на рибосомах, біосинтез ліпідів - у цистернах гладкої ЕПС. Процеси біосинтезу можуть відбуватися і в цитоплазмі, але лише за певних умов, що забезпечують незалежність перебігу.

Отже, базовими принципами анаболізму є енергозалежність, використання АТФ, спрямованість на синтез власних органічних речовин та етапність проходження.

Як відбувається виділення та перехід речовин з клітини?

Життєдіяльність клітин супроводжується утворенням найрізноманітніших речовин. Так, по завершенні дихання утворюються кінцеві продукти окиснення СО2, Н2О, Н2О2, NН3, під час фотоавторофного живлення виділяється молекулярний кисень, для позаклітинного травлення секретуються назовні ферменти. Для пригнічення життєдіяльності інших клітин бактеріальні чи грибні клітини виділяють антибіотики, під час руху клітин посилюється тепловіддача та ін. Хвороботворна бактерія Helicobacter pylori використовує систему секреції, щоб уприснути спеціальний білок в епітеліальні клітини шлунка.

Різноманітність способів і речовин, що виділяються клітинами, поєднано у три типи виділення: 1) екскреція речовин; 2) секреція речовин; 3) внутрішньоклітинне виділення.

Екскреція (від лат. excretio - виділення) - сукупність процесів, спрямованих на виведення невикористаних продуктів обміну речовин й енергії, а також чужорідних і шкідливих для клітини речовин. Ці сполуки можуть виділятися як у незміненому вигляді (наприклад, СО2, Н2О), так і після значних перетворень (наприклад, розщеплення гідроген пероксиду, перетворення амоніаку на сечовину). Екскрецію здійснюють органели клітин або органи виділення у багатоклітинних організмів.

Секреція (від лат. secretio - відокремлення) — процеси утворення та виділення клітиною речовин-секретів. Зокрема клітинами секретуються різноманітні сигнальні молекули, антибіотичні речовини для захисту від патогенів або конкурентів, екзоферменти для травлення, поживні речовини тощо. Клітинна секреція характерна для всіх живих клітин.

Своєрідним способом виділення є внутрішньоклітинне виділення та ізоляція переведених у важкорозчинну форму продуктів обміну (наприклад, в уратних клітинах комах відкладається сечова кислота, в хлорагогенних клітинах дощових черв’яків відкладається гуанін чи сечова кислота). Органічні кислоти, які можуть завдати шкоди клітині, здебільшого зв’язуються з катіонами і відкладаються у вигляді кристалічних включень у цитоплазмі.

Перехід речовин з клітин здійснюється шляхом дифузії через клітинні пори, полегшеної дифузії за допомогою білків-переносників, шляхом екзоцитозу. Важливу роль у виділенні відіграють везикули. Це відносно невеликі клітинні органели, відокремлені від цитозоля ліпідною мембраною. Якщо везикула має один шар ліпідів, вона називається одноламелярною, якщо більше - багатоламелярною. Везикула слугує для збереження, транспортування та переробки поживних речовин, продуктів та відходів клітини.

Отже, значення виділення полягає у підтриманні гомеостазу клітини, захисті органел та важливих речовин від шкідливого впливу небезпечних речовин чи клітин, комунікації з іншими клітинами, забезпеченні регуляції функцій.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Завдання на порівняння

Порівняйте хемосинтез і фотосинтез та сформулюйте висновок про подібність та відмінності цих процесів пластичного обміну.

ПОРІВНЯЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ХЕМО- І ФОТОСИНТЕЗУ

Ознака

Фотосинтез

Хемосинтез

Місце в клітині

Тип живлення

Джерело енергії

Вихідні речовини

Кінцеві речовини

Наявність хлорофілу

Джерело Гідрогену

Джерело Карбону

Біологія + Екологія

Печера Мовіле - печера на території Румунії, що відома своєю унікальною екосистемою. Життя в печері розвивалось окремо від зовнішнього світу впродовж 5,5 млн років, і його основою є хемосинтез. Ланцюги живлення ґрунтуються на хемосинтезі метано- і сіркобактерій. Цікаво, які екологічні умови печери є сприятливими для хемосинтезу?

Мешканці печери Мовіле

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Екологія

Дослідники з британського Університету Лафборо виявили, що росичка круглолиста (Drosera rotundifolia) - хижа рослина, яка стає вегетаріанкою внаслідок забруднення навколишнього середовища, спричиненого діяльністю людини. Справа в тому, що збільшення рівня Нітрогену в ґрунті в результаті спалювання вугілля означає, що рослині більше не потрібно ловити комах для отримання найважливіших поживних речовин, необхідних для виживання. А як зміниться пластичний обмін росички в зв’язку із зміною її живлення?

РЕЗУЛЬТАТ

Оцінка

Завдання для самоконтролю

1 - 6

1. Що таке хемосинтез? 2. Наведіть приклади хемоавтотрофних організмів. 3. Що таке пластичний обмін? 4. Назвіть основні синтетичні процеси клітин й організмів. 5. Що таке екскреція клітин? 6. Що таке секреція клітин?

7 - 9

7. Які особливості хемосинтезу? 8. Які базові принципи синтетичних процесів у клітинах й організмах? 9. Як відбувається потік речовин з клітини?

10 - 12

10. Порівняйте процеси фотосинтезу й хемоситнезу. Що є спільного й відмінного між фото-і хемосинтезом?






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити