20/01/21 г.     308,305,303

ГРУППА 308           БИОЛОГИЯ

ТЕМА 1.Фотосинтез (ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН).         ТЕМА 2. Биологическое окисление( ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН)

Фотосинтез — важнейший процесс, лежащий в основе возникновения и существования подавляющего большинства организмов на Земле.

Фотосинтез — это процесс образования органических соединений из диоксида углерода (CO2) и воды (H2O) с использованием энергии света.

Хлоропласты в клетках растений и складки цитоплазматической мембраны прокариот содержат зелёный пигмент — хлорофилл. Хлорофилл обладает особой химической структурой, которая позволяет ему улавливать кванты света. Молекула хлорофилла способна возбуждаться под действием солнечного света, отдавать свои электроны и перемещать их на более высокие энергетические уровни.

Пример:

этот процесс можно сравнить с подброшенным вверх мячом. Поднимаясь, мяч запасается потенциальной энергией; падая, он теряет её. Электроны не падают обратно, а подхватываются молекулами переносчика электронов НАДФ+  (никотинамидадениндинуклеотидфосфата). При этом их энергия частично расходуется на образование АТФ.

Процесс фотосинтеза включает две последовательные фазы: световую и темновую.

Световая фаза

Световая фаза — это этап, на котором энергия света, поглощённая хлорофиллом, преобразуется в электрохимическую энергию в цепи переноса электронов. Она осуществляется на свету, в мембранах гран тилакоидов, при участии белков-переносчиков и АТФ-синтетазы.

Световая фаза фотосинтеза растений включает в себя нециклическое фосфорилирование и фотолиз воды. 
 

На фотосинтетических мембранах гран хлоропластов происходят следующие процессы:

• возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;
• восстановление акцепторов электронов — НАДФ+ до НАДФ⋅Н2;
• фотолиз воды, происходящий при участии квантов света:

          2H2O→4H++4e−+O2.

  

Результатами световых реакций являются:

• фотолиз воды с образованием свободного кислорода;
• синтез АТФ;
• восстановление НАДФ+ до НАДФ⋅Н.

 

Обрати внимание!

В реакциях световой фазы фотосинтеза накапливается энергия в НАДФ⋅Н и АТФ, которая тратится в процессах темновой фазы.

Синтез АТФ из АДФ за счёт энергии света — очень эффективный процесс: за одно и то же время в хлоропластах образуется в 30 раз (!) больше АТФ, чем в митохондриях.

 

Во время световой фазы образуются богатые энергией молекулы и ионы водорода, необходимые для темновой фазы фотосинтеза. Дальнейшие процессы фотосинтеза могут идти и без солнечного освещения.

Темновая фаза

Реакции темновой фазы фотосинтеза протекают независимо от света.

Темновая фаза — процесс преобразования CO2 в глюкозу с использованием энергии, запасённой в молекулах АТФ и НАДФ⋅Н.

Эти реакции осуществляются в строме хлоропластов, куда из тилакоидов поступают богатые энергией вещества: НАДФ⋅Н и АТФ, накопленные в реакциях световой фазы фотосинтеза.

Источник углерода (CO2) растение получает из воздуха через устьица.

Превращение углекислого газа в глюкозу в ходе темновой фазы фотосинтеза получило название цикла Кальвина по имени его открывателя.

Результатом темновых реакций является превращение углекислого газа в глюкозу, а затем в крахмал.

 

Помимо молекул глюкозы в строме хлоропластов происходит образование аминокислот, нуклеотидов, спиртов.

 

Суммарные уравнения и частные реакции фотосинтеза представлены в таблице.

 

Значение фотосинтеза

1. В процессе фотосинтеза образуется свободный кислород, который необходим для дыхания организмов.

 

2. Фотосинтез обеспечивает постоянство уровня CO2 и O2 в атмосфере.

 

3. Фотосинтез обеспечивает образование органических веществ, а следовательно, пищу для всех живых существ.

 

4. В верхних слоях воздушной оболочки Земли из кислорода образуется озон O3, из которого формируется защитный озоновый экран, предохраняющий организмы от опасного для жизни воздействия ультрафиолетового излучения.

 

ТЕМА 2. Биологическое окисление( ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН)

2. Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция)

Теория:

Универсальным источником энергии во всех клетках служит АТФ (аденозинтрифосфат, или аденозинтрифосфорная кислота).

Все энергетические затраты любой клетки обеспечиваются за счёт универсального энергетического вещества — АТФ.

 

АТФ синтезируется в результате реакции фосфорилирования, то есть присоединения одного остатка фосфорной кислоты к молекуле АДФ (аденозиндифосфата):

 

АДФ + H3PO4+ 40 кДж = АТФ + H2O.

Энергия запасается в форме энергии химических связей АТФ.  Химические связи АТФ, при разрыве которых выделяется много энергии, называются макроэргическими.

При распаде АТФ до АДФ клетка за счёт разрыва макроэргической связи получит приблизительно 40 кДж энергии.

Энергия для синтеза АТФ из АДФ  выделяется в процессе диссимиляции.

Энергетический обмен (диссимиляция, катаболизм) — это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ.

В зависимости от среды обитания организма, диссимиляция может проходить в два или в три этапа.

Процессы расщепления органических соединений у аэробных организмов происходят в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный.

 

В результате этого органические вещества распадаются до простейших неорганических соединений.

 

 

У анаэробных организмов, обитающих в бескислородной среде и не нуждающихся в кислороде (а также у аэробных организмов при недостатке кислорода), диссимиляция происходит в два этапа: подготовительный и бескислородный.

 

В двухэтапном энергетическом обмене энергии запасается гораздо меньше, чем в трёхэтапном.

Первый этап — подготовительный

Подготовительный этап заключается в распаде крупных органических молекул до более простых: полисахаридов — до моносахаридов, липидов — до глицерина и жирных кислот, белков — до аминокислот.

Этот процесс называется пищеварением. У многоклеточных организмов он осуществляется в желудочно-кишечном тракте с помощью пищеварительных ферментов. У одноклеточных организмов — происходит под действием ферментов лизосом.

 

В ходе биохимических реакций, происходящих на этом этапе, энергии выделяется мало, она рассеивается в виде тепла, и АТФ  не образуется.

Второй этап — бескислородный (гликолиз)

Второй (бескислородный) этап заключается в ферментативном расщеплении органических веществ, которые были получены в ходе подготовительного этапа. Кислород в реакциях этого этапа не участвует.

Биологический смысл второго этапа заключается в начале постепенного расщепления и окисления глюкозы с накоплением энергии в виде 2 молекул АТФ.

Процесс бескислородного расщепления глюкозы называется гликолиз.

Гликолиз происходит в цитоплазме клеток.

 

Он состоит из нескольких последовательных реакций превращения молекулы глюкозы C6H12O6 в две молекулы пировиноградной кислоты — ПВК C3H4O3 и две молекулы АТФ (в виде которой запасается примерно 40 % энергии, выделившейся при гликолизе). Остальная энергия (около 60 %) рассеивается в виде тепла.

 

C6H12O6+2H3PO4+2АДФ=2C3H4O3+2АТФ +2H2O.

Получившаяся пировиноградная кислота при недостатке кислорода в клетках животных, а также клетках многих грибов и микроорганизмов, превращается в молочную кислоту C3H6O3.

 

HOOC−CO−CH3пировиноградная кислота−→−−−−−−−−−−−НАД⋅H+H+лактатдегидрогеназаHOOC−CHOH−CH3молочная кислота.

В мышцах человека при больших нагрузках и нехватке кислорода образуется молочная кислота и появляется боль. У нетренированных людей это происходит быстрее, чем у людей тренированных.

При недостатке кислорода в клетках растений, а также в клетках некоторых грибов (например, дрожжей), вместо гликолиза происходит спиртовое брожение: пировиноградная кислота распадается на этиловый спирт C2H5OH и углекислый газ CO2:

 

C6H12O6+2H3PO4+2АДФ=2C2H5OH+2CO2+2АТФ+2H2O.

Третий этап — кислородный

В результате гликолиза глюкоза распадается не до конечных продуктов (CO2 и H2O), а до богатых энергией соединений (молочная кислота, этиловый спирт) которые, окисляясь дальше, могут дать её в больших количествах. Поэтому у аэробных организмов после гликолиза (или спиртового брожения) следует третий, завершающий этап энергетического обмена — полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание.

 

Этот этап происходит на кристах митохондрий.

Третий этап, так же как и гликолиз, является многостадийным и состоит из двух последовательных процессов — цикла Кребса и окислительного фосфорилирования.

Третий (кислородный) этап заключается в том, что при кислородном дыхании ПВК окисляется до окончательных продуктов — углекислого газа и воды, а энергия, выделяющаяся при окислении, запасается в виде  36 молекул АТФ  (2 молекулы в цикле Кребса и 34 молекулы в ходе окислительного фосфорилирования).

Этот этап можно представить себе в следующем виде:

 

2C3H4O3+6O2+36H3PO4+36АДФ=6CO2+42H2O+36АТФ.

Вспомним, что ещё две молекулы АТФ запасаются в ходе бескислородного расщепления каждой молекулы глюкозы (на втором, бескислородном, этапе). Таким образом, в результате полного расщепления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.

Суммарная реакция энергетического обмена:

  

C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O+38АТФ.

Для получения энергии в клетках, кроме глюкозы, могут быть использованы и другие вещества: липиды, белки. Однако ведущая роль в энергетическом обмене у большинства организмов принадлежит сахарам.

ГРУППА 305 ХИМИЯ

ТЕМА:Дисперсные системы. Понятие о дисперсной системе. Дисперсная фаза и дисперсионная среда. Классификация дисперсных систем. Понятие о коллоидных системах.

Чистые вещества в природе встречаются очень редко. Кристаллы чистых веществ – сахара или поваренной соли, например, можно получить разного размера – крупные и мелкие. Каков бы ни был размер кристаллов, все они имеют одинаковую для данного вещество внутреннюю структуру – молекулярную или ионную кристаллическую решетку.

В природе чаще всего встречаются смеси различных веществ. Смеси разных веществ в различных агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомогенные системы. Такие системы мы будем называть дисперсными.

Определение

Дисперсной называется система, состоящая из двух или более веществ, причем одно из них в виде очень маленьких частиц равномерно распределено в объеме другого.

То вещество, которое присутствует в меньшем количестве и распределено в объеме другого, называют дисперсной фазой. Она может состоять из нескольких веществ.

Вещество, присутствующее в большем количестве, в объеме которого распределена дисперсная фаза, называют дисперсионной средой. 

Между дисперсионной средой и частицами дисперсной фазы существует поверхность раздела, поэтому дисперсные системы называются гетерогенными (неоднородными). И дисперсную среду, и дисперсную фазу могут представлять вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. В зависимости от сочетания агрегатного состояния дисперсной среды и дисперсной фазы можно выделить 9 видов таких систем.

Таблица. Типы дисперсионных систем.

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза	Примеры некоторых природных и бытовых дисперсных систем
Газ	Газ	Всегда гомогенная смесь (воздух, природный газ)
	Жидкость	Туман, попутный газ с капельками нефти, карбюраторная смесь в двигателях автомобилей (капельки бензина в воздухе), аэрозоли
	Твердое вещество	Пыли в воздухе, дымы, смог, самумы (пыльные и песчаные бури), аэрозоли
Жидкость	Газ	Шипучие напитки, пены
	Жидкость	Эмульсии. Жидкие среды организма (плазма крови, лимфа, пищеварительные соки), жидкое содержимое клеток (цитоплазма, кариоплазма)
	Твердое вещество	Золи, гели, пасты (кисели, студни, клеи). Речной и морской ил, взвешенные в воде; строительные растворы
Твердое вещество	Газ	Снежный наст с пузырьками воздуха в нем, почва, текстильные ткани, кирпич и керамика, поролон, пористый шоколад, порошки
	Жидкость	Влажная почва, медицинские и косметические средства (мази, тушь, помада и т. д.)
	Твердое вещество	Горные породы, цветные стекла, некоторые сплавы

По величине частиц веществ, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы делятся на:

• грубодисперсные (взвеси) с размерами частиц более 100 нм;
• тонкодисперсные (коллоидные растворы или коллоидные системы) с размерами частиц от 100 до 1 нм;
• гомогенные системы, или растворы с размером частиц менее 1 нм. Такая система однородна, поверхности раздела между частицами и средой нет.

Дисперсные системы и растворы очень важны в повседневной жизни и в природе. Судите сами: без нильского ила не состоялась бы великая цивилизация Древнего Египта; без воды, воздуха, горных пород и минералов вообще бы не существовала живая планета – наш общий дом – Земля; без клеток не было бы живых организмов и т.д.

ГРУППА 303 ХИМИЯ 

ТЕМА:Растворимость веществ. Насыщенные, ненасыщенные, пересыщенные растворы. Растворимостью называется способность того или иного вещества растворяться в том или ином растворителе. Количественно растворимость характеризуется концентрацией насыщенного раствора. При растворении вещества может возникнуть равновесие, при котором скорость растворения фазы равна скорости ее образования. При равновесии изменение энергии Гиббса системы равно нулю (ΔG = 0). Раствор, находящийся в равновесии с растворяемым веществом, называется насыщенным раствором, а концентрация такого раствора _ растворимостью. Растворы с меньшей концентрацией, чем в насыщенном, называются ненасыщенными, с большей _ пересыщенными. +Растворимость большинства веществ уменьшается с понижением температуры и при охлаждении горячих насыщенных растворов избыток растворенного вещества обычно выделяется. Однако, если охлаждение производить осторожно и медленно, исключив попадание твердых частиц извне, то выделение вещества из раствора может и не произойти. Получается раствор, содержащий значительно больше растворенного вещества, чем требуется для насыщения при данной температуре. Такие растворы были названы пересыщенными. В спокойном состоянии они могут стоять неограниченно долго. Но если в такой раствор бросить кристаллик растворенного вещества, то начинается бурный процесс кристаллизации, т. е. пересыщенные растворы термодинамически неустойчивы. Возможность длительного существования таких растворов объясняется трудностью возникновения «зародышевых» кристалликов, т. н. центров кристаллизации. Растворимость веществ зависит от их природы, природы растворителя, а также от внешних условий (давления, температуры и т. д.) и колеблется в значительных пределах. Некоторые вещества неограниченно растворимы друг в друге (вода _ ацетон, вода _ спирт, бензол _ толуол). Большинство соединений ограниченно растворимы (вода _ бензол, вода _ бутиловый спирт, вода _ поваренная соль), а многие малорастворимы или практически нерастворимы (вода _ BaSO4, вода _ бензин), но абсолютно нерастворимых веществ нет. При рассмотрении влияния различных факторов на растворимость веществ воспользуемся принципом Ле Шателье. При растворении газа в жидкости происходит значительное уменьшение объема системы, поэтому увеличение давления повышает растворимость газа. Растворимость газов в жидкости пропорциональна их давлению над жидкостью (закон Генри). Так как растворение газов в воде процесс экзотермический, то их растворимость уменьшается при увеличении температуры. Однако растворение газов в органических жидкостях нередко сопровождается поглощением теплоты; в подобных случаях с ростом температуры растворимость газа увеличивается. При растворении твердых веществ в воде объем системы изменяется обычно незначительно, поэтому изменение давления практически не влияет на их растворимость. Поскольку большинство твердых веществ растворяется с поглощением теплоты, то их растворимость возрастает с повышением температуры. Однако растворимость некоторых твердых веществ, например Са(ОН)2, Na2SO4 и некоторых других, снижается с увеличением температуры. Зависимость между растворимостью и температурой очень удобно изображать графически – в виде кривых растворимости . Жидкости также растворяются в жидкостях. Некоторые из них неограниченно растворимы одна в другой, другие имеют ограниченную растворимость. Растворимость жидкости в жидкости обычно увеличивается с повышением температуры и практически не зависит от давления. На растворимость оказывает влияние природа растворителя. Обычно вещества с ионным типом связи или с полярными молекулами лучше растворяются в полярных растворителях (в воде, спиртах, жидком аммиаке), а неполярные вещества – в неполярных растворителях (в бензоле, сероуглероде). Это подтверждает известное правило: «подобное растворяется в подобном». Контрольные вопросы Что понимается под раствором? В чем проявляется особенность жидких растворов? Какие стадии включает процесс растворения? Укажите особенности этих стадий. Процесс растворения является экзо- или эндотермическим? Дайте пояснения. Какой процесс называется сольватацией? Экзо- или эндотермическим он является? Почему? Что показывает массовая доля (аналогично: молярная, эквивалентная, моляльная концентрации, молярная доля, титр)? Что понимается под растворимостью? Чем она выражается? Как влияет давление и температура на растворимость газа и твердого вещества в жидкости? Какие растворы называются насыщенными, ненасыщенными, пересыщенными? Какие факторы влияют на растворимость веществ? +