объясните в чем сходство и в чем различия биологического окисления
Биологическое окисление: суть процесса и его виды
Виды и стадии биологического окисления
Живые организмы не могут существовать без энергии. Ее требует каждый процесс, каждая химическая реакция. Получать энергию многие живые существа, в том числе и человек, могут с пищей. Стоит детально разобраться, откуда появляется энергия, и какие реакции протекают в это время в клетках живых организмов.
Значение биологического окисления и история его исследования
В основе получения энергии лежит процесс биологического окисления. Сейчас он изучен, создана даже целая наука, занимающаяся всеми тонкостями и механизмами процесса — биохимия. Биологическое окисление — это совокупность окислительно-восстановительных превращений веществ в живых организмах. Окислительно-восстановительными называют реакции, которые протекают с изменением степени окисления атомов вследствие перераспределения электронов между ними.
Первые предположения ученых о том, что внутри каждого живого организма протекают сложные химические реакции, были выдвинуты в XVIII столетии. Изучением проблемы занимался французский химик Антуан Лавуазье, обративший внимание на то, что процессы горения и биологического окисления похожи друг на друга.
Ученый проследил путь кислорода, который поглощается живым организмом в процессе дыхания, и сделал вывод, что в организме происходит процесс окисления, напоминающий процесс горения, но протекающий более медленно. Лавуазье обнаружил, что молекулы кислорода (окислитель) взаимодействуют с органическими соединениями, содержащими углерод и водород. В результате происходит абсолютное превращение, при котором соединения разлагаются.
Некоторые моменты в процессе изучения проблемы оставались для ученых непонятыми:
Чтобы ответить на эти и многие другие вопросы, а также уяснить, что такое биологическое окисление, ученым потребовался не один год. К настоящему времени химиками были изучены: связь дыхания с другими процессами обмена веществ, в т.ч. процесс фосфорилирования. Кроме того, ученые исследовали свойства ферментов, катализирующих реакции биологического окисления; локализацию ферментов в клетке; механизм аккумуляции и преобразования энергии.
Здесь вы найдете безопасные эксперименты на исследование химических свойств белков, жиров и углеводов.
Биологическое окисление и его виды
При разных условиях возможны два вида биологического окисления. Многие грибки и микроорганизмы получают энергию, преобразовывая питательные вещества анаэробным способом. Анаэробное биологическое окисление – это реакция, происходящая без доступа и какого-либо участия в процессе кислорода. Такой способ получения энергии применим живыми организмами в среде, в которую не поступает воздух: в глине, под землей, в иле, на болоте, в гниющих субстанциях. Анаэробное биологическое окисление называют гликолизом.
Более сложный способ преобразования питательных веществ в энергию — аэробное биологическое окисление, или тканевое дыхание. Эта реакция осуществляется во всех аэробных организмах, использующих кислород в процессе дыхания. Аэробный способ биологического окисления невозможен без молекулярного кислорода.
Пути биологического окисления и участники процесса
Чтобы окончательно понять, что собой представляет процесс биологического окисления, следует рассмотреть его стадии.
Гликолиз — это беcкислородное расщепление моносахаридов, предшествующее процессу клеточного дыхания и сопровождающееся выходом энергии. Такая стадия является начальной для каждого организма-гетеротрофа. После гликолиза у анаэробов наступает процесс брожения.
Окисление пирувата заключается в преобразовании пировиноградной кислоты, получаемой в процессе гликолиза, в ацетилкоэнзим. Реакция происходит с помощью ферментного комплекса пируватдегидрогеназы. Локализация – кристы митохондрий.
Распад бета-жирных кислот осуществляется параллельно с окислением пирувата на кристах митохондрий. Цель – переработка всех жирных кислот в ацетилкоэнзим и постановка его в цикл трикарбоновых кислот.
Цикл Кребса: сначала ацетилкоэнзим превращается в лимонную кислоту, затем она подвергается последующим преобразованиям (дегидрированию, декарбоксилированию и регенерации). Все процессы несколько раз повторяются.
Окислительное фосфорилирование — заключительная стадия преобразования в организмах эукариот соединений. Осуществляется преобразование аденозиндифосфата в аденозинтрифосфорную кислоту. Необходимая для этого энергия поступает в процессе окисления молекул фермент-дегидрогеназа и кофермента дегидрогеназа, сформировавшихся в предыдущих стадиях. Затем энергия заключается в макроэргические связи аденозинтрифосфорной кислоты.
Таким образом, окисление веществ осуществляется такими способами:
В клетках живых организмов встречаются все перечисленные типы окислительных реакций, катализируемых соответствующими ферментами — оксидоредуктазами. Процесс окисления происходит неизолированно, он связан с реакцией восстановления: одновременно происходят реакции присоединения водорода или электрона, то есть осуществляются окислительно-восстановительные реакции. Процесс окисления — это каждая химическая реакция, которая сопровождается отдачей электронов с увеличением степеней окисления (окисленный атом имеет большую степень окисления). С окислением вещества может происходить и восстановление — присоединение электронов к атомам другого вещества.
Объясните в чем сходство и в чем различия биологического окисления
Подробное решение параграф §21 по биологии для учащихся 10 класса, авторов Теремов А.В., Петросова Р.А. Углубленный уровень 2017
Вспомните, какие органические вещества выполняют в клетке энергетические функции. С каким универсальным источником энергии связаны превращения этих веществ?
Углеводы выполняют в клетке энергетические функции. Универсальный источник энергии – энергия Солнца, которая используется при образовании углеводов в растениях.
1. Что общего в реакциях превращения белков, жиров и углеводов в пищеварительном тракте человека? Как называют такие реакции? В каких органоидах клетки могут происходить аналогичные процессы расщепления?
Это реакции гидролиза. Все эти вещества гидролизируются в нашем кишечнике до более простых веществ (например, глюкозы), а потом запасаются в организме или превращаются в энергию.
В клетке за аналогичные процессы расщепления веществ отвечают органоиды под названием Лизосомы.
2. Как используется организмом энергия, освобождающаяся на подготовительном этапе энергетического обмена?
Вся энергия, выделяющаяся на подготовительном этапе, рассеивается в виде тепла.
3. Как продукты расщепления белков, жиров, углеводов доставляются к тканям и клеткам? Объясните механизм их транспорта через клеточную мембрану.
Образующиеся низкомолекулярные вещества поступают в кровь и доставляются ко всем органам и клеткам. В клетках они проникают в лизосомы или непосредственно в цитоплазму. На клеточном уровне расщепление происходит в лизосомах, в этом случае вещества сразу же поступают в цитоплазму.
4. Сравните и оцените энергетическую эффективность двух типов брожения глюкозы. Сделайте вывод об эффективности анаэробного пути обмена веществ.
Эффективность спиртового брожения > эффективности молочнокислого брожения. Это говорит о том, что даже при наименьшем кол — ве сырья спиртовое брожение даст больший выход.
5. Опишите последовательность превращения пировиноградной кислоты в процессе биологического окисления. В результате каких реакций образуется углекислый газ? В каких органоидах клетки идут эти процессы?
Пировиноградная кислота расщепляется до ацетил — коэнзимаА путем последующего окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты; жирные кислоты превращаются вацетил — коэнзимА путемβ — окисления
и т.д. Эти специфичные пути соответствуют II стадии катаболизма и рассматриваются в соответствующих разделах обмена веществ (обмена углеводов, обмена жиров и др.).
В результате окисления кислородом, глюкоза распадается на углекислый газ и воду. Эти реакции протекают преимущественно в митохондриях.
6. Где и как используется кислород, поступающий в организм при дыхании? Где происходит образование молекул воды?
Кислород необходим для накопления отрицательно заряженных ионов на внутренней мембране митохондрий, чтобы создать разность потенциалов, для окисления пировиноградной кислоты.
7. Как идёт преобразование энергии, выделяющейся в процессе реакций кислородного этапа энергетического обмена? Сравните количество образующихся молекул АТФ в результате циклических реакций и на дыхательной цепи. Объясните этот факт.
Энергия используется для расщепления полимеров до мономеров(нуклеиновые кислоты до нуклеотидов, белки до аминокислот, жиры до глицерина и карбоновых кислот), которые будут потом участвовать в других этапах клеточного дыхания.
В подготовительном этапе АТФ не запасается а рассеивается в виде тепла. В бескислородном этапе образуется 2 молекулы АТФ, а в кислородном 36 молекул АТФ. Т.е. в результате клеточного дыхания образутс всего 38 молекул АТФ (2 молекулы на анаэробном этапе и 36 на аэробном).
8. Как используется энергия электронов в процессе окислительного фосфорилирования? Почему этот процесс так называется? Назовите структуры митохондрий, в которых идут циклические реакции и окислительное фосфорилирование. Какие из этих реакций будут идти с большей скоростью? Ответ поясните.
Окислительное фосфорилирование, синтез АТФ из аденозиндифосфата и неорганического фосфата, осуществляющийся в живых клетках, благодаря энергии, выделяющейся при окислении орг. веществ в процессе клеточного дыхания.
У животных, растений и грибов окислительное фосфорилирование протекает в специализированных субклеточных структурах — митохондриях; у бактерий ферментные системы, осуществляющие этот процесс, находятся в клеточной мембране.
9. АТФ синтезируется в митохондриях и хлоропластах. Объясните, в чём сходство и различие процессов, приводящих к синтезу этих молекул в органоидах.
В хлоропластах АТФ синтезирукется в ходе световой фазы фотосинтеза и расходуется на ассимилляцию углерода в темновую фазу фотосинтеза.
В митохондриях АТФ образуется в результате окислительного фосфорилирования, при окислении субстратов – углеводов, жирных кислот. энергия АТФ, образующихся в митохондриях, тратится на все потребности клеток.