Занятие 3

Все живые организмы представляют собой открытые системы, зависящие от поступления вещества и энергии. Процесс потребления вещества и энергии называется питанием. Химические вещества необходимы для построения тела, а энергия ­ для осуществления процессов жизнедеятельности.

По источнику энергии живые организмы делятся на фототрофов (используют световую энергию  ­ энергию солнечного излучения), и хемотрофов (используют химическую ­энергию химических связей), которая выделяется при окислении химических соединений. По источнику углерода живые организмы делятся на автотрофов (используют неорганический источник углерода ­ диоксид углерода) и гетеротрофов (используют органические источники углерода). По типу окисляемого субстрата живые организмы делятся на литотрофов (окисляют неорганические соединения (Н2О, Н2S, S, Н2 и др.) и органотрофов (окисляют органические соединения).

Комбинации этих типов формируют разные группы живых организмов (табл. 3,4).

Таблица 3. Классификация организмов по источникам

 энергии и углерода

Источник энергии	Источник  углерода	Тип организмов	Примеры
Свет	диоксид углерода	фотоавтотрофы	растения, зеленые бактерии, циано- бактерии
	органические соединения	фотогетеротрофы	некоторые пурпурные бактерии
Реакции окисления	диоксид углерода	хемоавтотрофы	хемосинтезирующие бактерии
	органические соединения	хемогетеротрофы	животные, грибы, большинство бактерий

Таблица 4. Классификация организмов по источнику энергии и типу окисляемого субстрата

Источник энергии	Тип окисляемого субстрата	Тип организмов	Примеры
Свет	неорганические соединения (Н2О, Н2S, S)	фотолитотрофы	растения, зеленые бактерии, цианобактерии
	органические соединения	фотоорганотрофы	некоторые пурпурные бактерии
Реакции окисления	неорганические соединения (Н2, S, Н2S, NH3, Fe2+)	хемолитотрофы	хемосинтезирующие бактерии
	органические соединения	хемоорганотрофы	животные, грибы, большинство бактерий

По способу получения пищи гетеротрофы делятся на фаготрофов (голозоев) и осмотрофов. Фаготрофы заглатывают твердые куски пищи (животные), осмотрофы поглощают органические вещества из растворов непосредственно через клеточные стенки (грибы, большинство бактерий). По состоянию источника пищи гетеротрофы делятся на биотрофов (фитофагов и зоофагов) и сапротрофов. Некоторые живые организмы в зависимости от условий обитания способны к смешанному, и к автотрофному, и к гетеротрофному питанию (миксотрофы ­ насекомоядные растения, эвгленовые водоросли и др.).

Метаболизм ­ совокупность всех химических реакций, протекающих в живом организме. Значение метаболизма состоит в создании необходимых организму веществ и обеспечении его энергией, поставке «строительных блоков» для новых синтезов и обезвреживании токсических веществ. Выделяют две составные части метаболизма – катаболизм и анаболизм.

Катаболизм (энергетический обмен, диссимиляция) – совокупность реакций, приводящих к образованию простых веществ из более сложных (гидролиз полимеров до мономеров и расщепление последних до низкомолекулярных соединений углекислого газа, воды, аммиака и др. веществ) и сопровождающихся высвобождением энергии. Анаболизм (пластический обмен, ассимиляция) – совокупность реакций синтеза сложных веществ из более простых (образование углеводов из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза, реакции матричного синтеза), сопровождающихся затратой энергии. Процессы пластического и энергетического обмена неразрывно связаны между собой. Все синтетические (анаболические) процессы нуждаются в энергии, поставляемой в ходе реакций диссимиляции. Сами же реакции расщепления (катаболизма) протекают лишь при участии ферментов, синтезируемых в процессе ассимиляции.

Дыхание – это окислительный распад органических веществ, сопровождающийся выделением энергии. Процессы дыхания в клетках обеспечиваются активностью ферментов оксидоредуктаз, катализирующих реакции переноса электронов от окисляемого субстрата – донора электронов к акцептору электронов. Во многих реакциях электрон переносится вместе с протоном, т.е. путем переноса атомов водорода от донора к акцептору. Оксидоредуктазы. катализирующие перенос водорода, называют дегидрогеназами. Акцептором электронов может служить кислород или различные соединения, так называемые промежуточные акцепторы. Оксидоредуктазы, которые катализируют перенос электронов на молекулярный кислород или на кислород пероксида водорода и органических перекисей, называют оксидазами. Конечной оксидазой дыхательной цепи митохондрий является цитохромоксидаза. Есть оксидазы, которые катализируют реакции окисления, не связанные с дыхательной цепью митохондрий – они завершают многочисленные окислительные процессы в клетке вне митохондрий. Так, такие оксидазы, как каталаза и пероксидаза, защищают клетки от сильных окислителей – оксидов водорода, возникающих в процессе метаболизма.

По отношению к свободному кислороду организмы делятся на три группы: аэробы, анаэробы и факультативные формы. Аэробы (облигатные) ­ организмы, способные жить только в кислородной среде (животные, растения, некоторые бактерии и грибы). Анаэробы (облигатные) ­ организмы, неспособные жить в кислородной среде (некоторые бактерии). Факультативные анаэробы ­ организмы, способные жить как в присутствии кислорода, так и без него (некоторые бактерии и грибы).

У облигатных аэробов и факультативных анаэробов в присутствии кислорода катаболизм протекает в три этапа: подготовительный, бескислородный (гликолиз) и кислородный. В результате органические вещества распадаются до неорганических соединений (углекислого газа, воды, мочевины и др.). У облигатных анаэробов и факультативных анаэробов при недостатке кислорода катаболизм протекает в два этапа: подготовительный и бескислородный. При этом образуются промежуточные органические соединения, еще богатые энергией (этиловый спирт, молочная кислота и др.).

Фотосинтез (фотоавтотрофия) ­ синтез органических соединений из неорганических за счет энергии света. Суммарное уравнение фотосинтеза:

6 СО2 + 6 Н2О = 6H12O6 + 6 O2.

Фотосинтез протекает при участии фотосинтезирующих пигментов, обладающих уникальным свойством преобразования энергии солнечного света в энергию химической связи в виде АТФ.

Благодаря фотосинтезу растения обеспечивают себя и все живое на Земле необходимыми органическими веществами и кислородом. Фотосинтез протекает в специализированных органоидах ­ хлоропластах. У фотосинтезирующих бактерий этот процесс осуществляется на внешней мембране или в хроматофорах. Внутри тилакоидов хлоропластов находятся пигменты, улавливающие свет. Процесс фотосинтеза можно разделить на две фазы: световую и темповую.

Хемосинтез (хемоавтотрофия) ­ процесс синтеза органических соединений из неорганических (СО2 и др.) за счет химической энергии окисления неорганических веществ (серы, водорода, сероводорода, железа, аммиака, нитрита и др.). К хемосинтезу способны только хемосинтезирующие бактерии: нитрифицирующие, водородные, железобактерии, серобактерии и др. Они окисляют соединения азота, железа, серы и других элементов. Все хемосинтетики  ­ облигатные аэробы, так как используют кислород воздуха. Хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в биосфере: участвуют в очистке сточных вод, способствуют накоплению в почве минеральных веществ, повышают плодородие почвы.

Работа 1. Пигменты фотосинтеза и их свойства

Оборудование и реактивы: ступка с пестиком, воронка, фильтр, штатив с пробирками, спиртовка, стеклянные палочки, колбы, баня, электроплитка, NaOH или КОН в кристаллах, этанол, Zn(CH3COO)2, бензин, зеленые листья любых растений.

Пигменты фотосинтеза находятся в мембранах тилакоидов. У высших растений это хлорофиллы а и b, каротин, ксантофилл, феофитин. Хлорофилл а ­ главный пигмент растений ­ способен, поглотив квант света, передавать его энергию на компоненты электронно-транспортной цепи. С их участием совершается преобразование энергии электронного возбуждения хлорофилла в химическую энергию АТФ и НАДФН2. Хлорофиллы по своей химической природе являются сложными эфирами дикарбоновой кислоты хлорофиллина и двух одноатомных спиртов ­ высокомолекулярного фитола С20Н39ОН и метилового спирта СН3ОН. Каротиноиды подразделяются на каротины и ксантофиллы, отличающиеся от каротиноидов присутствием кислорода.

Обычно пигменты из растительной ткани извлекают полярными растворителями (этанолом, этиловым эфиром, ацетоном), которые нарушают связь хлорофиллов и каротиноидов с липопротеидами пластид и обеспечивают их полное экстрагирование из живых листьев. Из сухого растительного материала экстракцию ведут с добавлением воды, чтобы нарушить связи с молекулами белка. Неполярные растворители (гексан, петролейный эфир и др.) не нарушают связи этих пигментов с белками и потому не могут их извлечь из свежих листьев.

1. Получение спиртовой вытяжки из листьев

Навеску листьев в 0,5-2 г размельчают и тщательно растирают в ступке с небольшим количеством спирта, добавляя его несколькими порциями до общего объема 3-10 мл. Осадок пропускают через складчатый бумажный фильтр для получения экстракта пигментов. Отфильтрованный раствор используют в последующих опытах. Хранить растворы пигментов следует в темноте в холодильнике.

2   Разделение смеси фотосинтетических пигментов методом Крауса

Один из первых методов разделения пигментов был предложен немецким ученым Краусом в 1860 г. Он основан на разной растворимости пигментов в спирте и бензине. Эти растворители не смешиваются при сливании и образуют два слоя: верхний – бензиновый, где растворены хлорофиллы и каротин, и нижний – спиртовой, где растворен ксантофилл. Этот метод не позволяет разделить хлорофиллы а и b, однако его целесообразно использовать для получения желтых пигментов каротина и ксантофилла в больших количествах.

Для разделения пигментов методом Крауса в пробирку с 3-5 мл спиртового раствора пигментов добавляют такое же количество бензина и одну каплю воды (для лучшего отделения спирта от бензина). Пробирку хорошо взбалтывают и дают смеси пигментов отстояться. Происходит расслоение жидкости: в верхний, бензиновый, слой переходят оба хлорофилла и каротин, в нижнем, спиртовом, остается желтый пигмент – ксантофилл, так как он лучше растворим в спирте.

Для отделения каротина от хлорофилла верхний бензиновый слой пипеткой переносят в чистую пробирку В этой зеленой вытяжке каротин незаметен, так как его маскирует хлорофилл, преобладающий количественно. Можно использовать и спиртовую вытяжку неразделенных пигментов. В пробирку добавляют 2 мл этилового спирта и 3-4 капли воды, вносят несколько кристалликов щелочи и сильно встряхивают. При взаимодействии щелочи с хлорофиллом происходит его омыление и отщепление остатка спирта фитола, придающего молекуле хлорофилла гидрофобные свойства. Образуется щелочная соль хлорофиллина, которая легко переходит из бензина в спирт:

В результате в пробирке образуются два слоя: верхний, бензиновый, слой – желтого цвета с содержанием каротина и нижний, спиртовой, – зеленого цвета, содержащий щелочную соль хлорофиллина.

Задание 1. Получить спиртовую вытяжку  пигментов зеленого листа.

Задание 2. Провести разделение пигментов по Краусу. Зарисовать пробирки, схематически изобразив расположение разделенных пигментов. Сделать выводы о растворимости пигментов в различных растворителях и способах выделения индивидуальных пигментов.

Работа 2. Использование солей тетразолия для выявления живых и мертвых клеток

Оборудование и материалы: пробирки, чашки Петри, скальпели, стакан с водой, спиртовка, раствор Н2О2, 0,1 % раствор ТТХ на 0,87 %-ном растворе К2НР04, клубень картофеля, корнеплод моркови, семядоли фасоли, зародыши наклюнувшихся семян, верхушки побегов проростков, крупные почки древесных растений.

          Соли тетразолия в окисленном состоянии бесцветны, а при восстановлении окрашиваются. Восстановление их происходит с участием ферментов дегидрогеназ, активных только в живых клетках. Поэтому восстановления тетразолия в мертвых клетках, а значит, и появления окраски, не происходит.

Восстановленные формы солей тетразолия (формазаны) ­ интенсивно окрашенные соединения. Соль тетразолия трифенилтетразолий хлористый (ТТХ) при восстановлении приобретают красную окраску (интенсивность ее зависит от полноты восстановления). На воздухе формазаны не окисляются, поэтому их удобно использовать для обнаружения активности дегидрогеназ на срезах растительных тканей.

Задание 1. C разных объектов (зародыши наклюнувшихся семян, верхушки побегов проростков, кончики корней длиной 2-3 см, крупные почки древесных растений) делают толстые срезы лезвием безопасной бритвы. Часть объектов «убивают», нагревая в воде над пламенем горелки. Живые и мертвые ткани помещают в часовое стекло в 0,1 % раствор ТТХ, приготовленный на 0,87 %-ном растворе К2НР04, и выдерживают 30 - 60 мин. Время можно сократить, поместив часовое стекло со срезами в термостат с температурой 30 - 35 °С. У живых срезов наблюдается окрашивание, особенно яркое в местах расположения меристематических тканей. У мертвых срезов такого окрашивания не происходит.

Задание 2. Сравнить окраску живых и мертвых клеток, сделать рисунки. Сформулировать выводы об изменении активности дегидрогеназ и возможности использования витальных красителей для выявления живых и мертвых клеток.

Задание 3. Назовите группы ферментов, участвующие в процессе дыхания, и опишите их функции.

Работа 3. Обнаружение активности каталазы

        Каталаза – фермент, катализирующий реакцию разложения образующегося в растениях пероксида водорода на воду и газообразный кислород:       2Н2О2 = 2Н2О + О2

        Каталаза обеспечивает эффективное удаление пероксида водорода, образующегося в некоторых растительных и животных тканях и токсичного для клеток. Многие факторы, в том числе повышение температуры, вызывают денатурацию белков-ферментов и снижают их активность.

Для работы возьмите кусочки клубня картофеля, корнеплода моркови, семядолю фасоли. Разделите каждый на 2 части. Одну часть положите в пробирку с водой и прокипятите 3-5 мин на пламени спиртовки (фасоль – дольше, 5-10 мин). Затем положите в чашку Петри и мелко нарежьте. Другую нарежьте во второй чашке Петри, не кипятив. Прилейте в обе чашки Петри по 1-2 мл раствора Н2О2 (на каждый из препаратов).

Задание 1. Опишите наблюдаемый процесс. Объясните причину различий, наблюдаемых между чашками 1 и 2.

Работа 4. Решение задач

1.В процессе диссимиляции произошло расщепление 7 моль глюкозы, из которых полному (кислородному) расщеплению подверглось только 2 моль. Определите: 1) сколько моль молочной кислоты и углекислого газа при этом образовано; 2) сколько моль АТФ при этом синтезировано; 3) сколько энергии и в какой форме аккумулировано в этих молекулах АТФ; 4) сколько моль кислорода израсходовано на окисление образовавшейся при этом молочной кислоты?

Образец решения

1)       Из 7 моль глюкозы 2 подверглись полному расщеплению, следовательно, 5 – неполному (7-2=5).

2)       Составим уравнение неполного расщепления 5 моль глюкозы:

3)       Составим суммарное уравнение полного расщепления 2 моль глюкозы:

4)       Суммируем количество АТФ:

5)       Определим количество энергии в молекулах АТФ:

Ответ. 1) 10 моль молочной кислоты, 12 моль СО2; 2)86 моль АТФ; 3) 3440 кДж энергии, в форме энергии макроэргических химических связей в молекулах АТФ; 4) 12 моль О2.

2..В процессе диссимиляции произошло расщепление 17 моль глюкозы, из которых кислородному расщеплению подверглись 3 моля. Определите: 1) сколько моль молочной кислоты и углекислого газа при этом образовано; 2) сколько моль АТФ при этом синтезировано; 3) сколько энергии и в какой форме аккумулировано в этих молекулах АТФ; 4) сколько моль кислорода израсходовано на окисление образовавшейся при этом молочной кислоты?

(Ответ: 28 и 18 моль, 142 моль, 5680 кДж, 18)

        3.В результате диссимиляции в клетках образовалось 5 моль молочной кислоты и 27 моль углекислого газа.

Определите: 1) сколько всего моль глюкозы израсходовано; 2) сколько из них подверглось только неполному и сколько полному расщеплению; 3) сколько молекул АТФ при этом синтезировано и сколько энергии аккумулировано; 4) сколько моль О2 израсходовано на окисление образовавшейся молочной кислоты?

4.В результате диссимиляции в клетках образовалось 5 моль молочной кислоты и 27 моль углекислого газа.

Определите: 1) сколько всего моль глюкозы израсходовано; 2) сколько из них подверглось только неполному и сколько полному расщеплению; 3) сколько АТФ при этом синтезировано и сколько энергии аккумулировано; 4) сколько моль О2 израсходовано на окисление образовавшейся молчной кислоты?

       5.Определите массу образованной при фотосинтезе глюкозы, если на этот процесс израсходовано 88 г СО2. Молекулярная масса глюкозы – 180, углекислого газа – 44.

6.Общее содержание углекислого газа в атмосфере Земли составляет около 1100 млрд т. Установлено, что за один год растительность ассимилирует почти 1 млрд т углерода. Примерно столько же его выделяется в атмосферу. Определите, за сколько лет весь углерод атмосферы пройдет через организмы (атомный вес углерода – 12, кислорода – 16).

7.В процессе дыхания произошло расщепление 15 моль глюкозы, из них полному окислению подверглись только 5. Определите, какое количество молекул АТФ при этом образовалось.

При разработке содержания занятия использованы источники:

1.            Иванов, В.Б. Практикум по физиологии растений / В.Б. Иванов, И.В. Плотникова, Е.А. Живухина (под ред. В.Б. Иванова). - М.: Академия, 2004. - 144с.

2.  Колесников, С.И. Экология /С.И. Колесников. - М.: Наука-Пресс, 2007. - 384с.

3.  Тейлор, Д. Биология (в 3 т.) / Д. Тейлор, Н. Грин, У. Стаут. - М.: Мир, 2005. – 454с.