Функции углерод в клетке: Карта сайта

Peatükk 1.1 (Биология для гимназии. II)

Всем организмам для жизнедеятельности постоянно необходима энергия. Во всех организмах постоянно происходит обмен веществ, они реагируют на изменения окружающей среды, а также им нужно расти и размножаться. Ни один организм не производит энергию сам, ее получают из внешней среды.

Организмы способны поглощать световую и химическую энергию

Живые организмы могут усваивать два вида энергии: энергию света и химическую энергию. Источниками энергии в неживой среде являются солнечный свет или химическая энергия неорганических соединений. Многие организмы получают необходимую для жизни энергию посредством других живых организмов. В этом случае мы имеем дело с химической энергией, полученной из органических соединений. В ходе фотосинтеза энергия света тоже преобразовывается в химическую – единственный вид энергии, который можно использовать для обеспечения протекания происходящих в живых организмах реакций.

Большинство растений поглощают энергию солнечного света
​Все животные и грибы получают энергию за счет других живых организмов.

В ходе химических реакций энергия может запасаться или высвобождаться, в зависимости от того, присоединяют атомы электроны или теряют. В ходе окислительных реакций число электронов в атомах вещества уменьшается, а межатомные связи разрываются. В ходе реакции окисления, классическим примером которой является горение веществ, высвобождается энергия. В ходе клеточного дыхания, также являющегося реакцией окисления, глюкоза расщепляется до двуокиси углерода, а кислород переходит в состав воды.  

В ходе восстановительных реакций атомы принимают электроны, возникают новые межатомные связи, таким образом запасается энергия. Например, при фотосинтезе за счет энергии света из углекислого газа и воды синтезируются сахара, при этом выделяется кислород. 

Большинство живых организмов не могут вырабатывать энергию из неорганических веществ. Они получают ее, расщепляя произведенные другими организмами органические соединения. В отличие от неорганических органические соединения содержат большое количество энергии. Организм может получить ее путем окисления этих соединений и затем использовать полученную энергию в химических реакциях, которые являются основой жизнедеятельности организмов.

Жизнь основана на углероде

Жизнь на Земле основана на различных соединениях, содержащих углерод. Следовательно, наличие углерода является самой важной предпосылкой для возникновения жизни. Причина заключается в уникальных химических свойствах атома углерода: углерод может образовывать длинные цепи, к которым могут присоединяться другие атомы. Каждый атом углерода может присоединить до четырех атомов. Углеродная цепь может быть прямой, разветвленной или кольцевой, и длина ее может варьироваться. Вот почему существуют миллионы разных углеродных органических соединений, из которых и состоят живые организмы. С помощью углеродных соединений регулируется протекание жизненных процессов в организмах. Энергия, полученная при их расщеплении, используется для построения новых углеродных соединений, выполняющих самые разные функции. 

Организмы получают углерод из внешней среды. Те организмы, которые используют в качестве источника углерода неорганические вещества, называются автотрофами. К ним относятся растения. Гетеротрофы – это организмы, использующие готовые органические углеродные соединения, которые производят другие организмы. Все животные – гетеротрофы.

Длинные целлюлозные волокна оболочек растительных клеток содержат много углерода

• Все соединения углерода очень тяжелые, они не летучи.

• Атомы углерода могут образовывать длинные цепи.

• Длина углеродных цепочек строго определена.

• Углеродные цепи могут иметь различную форму, в том числе кольцевую.

• Один атом углерода может образовывать до четырех химических связей.

• Углеродные цепи всегда прямые.

Живые организмы играют в круговороте углерода несколько различных ролей. Организмы, использующие в качестве источника углерода неорганические соединения, называют . К ним относится, например, человек. чайка.окунь.одуванчик.подъельник.волнушка. Есть и такие организмы, которые питаются уже готовыми органическими соединениями. Их называют . К ним относится, например, дуб.цианобактерия.собака.календула.кувшинка.

Приложение. Источники энергии и углерода

Все организмы можно поделить на группы, исходя из способа получения ими энергии и углерода.

Живые организмы получают энергию из трех источников:

• Солнце, или световая энергия;
• химическая энергия непосредственно из неживой среды, то есть энергия неорганических соединений;
• химическая энергия других организмов, то есть употребление в пищу готовых органических соединений.

Углерод содержится:

• в органических веществах,
• в неорганических веществах.

Гидротермальные источники
​На участках морского дна, где происходит активная вулканическая деятельность, из трещин земной коры поднимается богатая минеральными веществами горячая вода температурой до 405 °C. Обитающие в океанических глубинах бактерии для получения энергии приспособились разлагать минеральные вещества вулканического происхождения. Этими бактериями питаются беспозвоночные животные, живущие на дне океана.

Автотрофы сами «готовят» себе пищу

Автотрофы (в дословном переводе «едят сами») – это организмы, которые сами вырабатывают сложные органические соединения (сахара, жиры, белки и др.) из простых неорганических соединений, используя для этого энергию, полученную от Солнца или в ходе химических реакций. Автотрофия как тип питания означает, что организмы «готовят» себе пищу сами.

Световая энергия используется растениями, водорослями и некоторыми бактериями. Например, за счет энергии света при фотосинтезе вода расщепляется на водород и кислород. Полученный водород используется для восстановления CO_₂, таким образом из двуокиси углерода получают органические соединения. Поскольку органические соединения содержат больше энергии, чем неорганические, в ходе этого процесса запасается энергия. Эта энергия может быть использована позже при расщеплении (окислении) органических соединений, возникших в ходе фотосинтеза. Так энергию Солнца косвенно получают и те организмы, которые сами ее не поглощают.

Автотрофы могут получать энергию и за счет окисления других неорганических соединений, например, ионов железа, серы или сероводорода, аммиака, нитритов и т. п. С помощью высвободившейся энергии из водорода и углекислого газа затем образуются органические соединения. Таким способом получают энергию исключительно микроорганизмы – бактерии и археи. 

Поглощение световой энергии – более эффективный способ, чем окисление неорганических соединений. Поэтому среди автотрофов много организмов, которые используют именно световую энергию. Энергию химических реакций они используют в тех местах, где нет источника света. Благодаря этой способности автотрофные организмы могут жить и в экстремальных условиях, непригодных для большинства других организмов.

Световая энергия используется растениями, водорослями и некоторыми бактериями

Железобактерии получают необходимую для жизни энергию путем окисления содержащих железо минералов
​Болотная железная руда возникла благодаря железобактериям. Считается, что на территории Эстонии до XVIII века железо получали именно из болотной руды.

Использующие световую энергию автотрофы являются паразитами.являются симбионтами.фотосинтезируют.являются потребителями. К ним относятся ,  и некоторые бактерии. Для фотосинтеза нужны вода, углекислый газ и энергия. В ходе фотосинтеза сначала вода разлагается на два вещества:  и . Далее в ходе восстановительнойокислительной реакции углекислый газ реагирует с водородом и образуется богатое энергией соединение – крахмал. глюкоза.водород. Таким образом растения запасаюттратят энергию. Чтобы автотроф мог позднее использовать запасы энергии, нужен угарный газ,азот,кислород,углекислый газ, при помощи которого происходит реакция восстановления,окисления, и энергия накапливается.высвобождается.

• Из живой природы

• Из неживой природы

• Они могут производить богатые энергией соединения из неорганических веществ.

• Богатые энергией соединения производятся в ходе окислительных реакций.

• Все автотрофы являются фотосинтезирующими организмами.

• Некоторые автотрофы используют энергию связей химических соединений.

• У автотрофов не протекает процесс клеточного дыхания.

• Автотрофы получают всю необходимую для жизни энергию за счет световой энергии или энергии химических связей, органические соединения они сами никогда не разлагают.

Гетеротрофы питаются пищей, приготовленной другими организмами

Гетеротрофы (в дословном переводе «иная пища») – это организмы, которые сами не могут образовывать из неорганических соединений органические. Они должны использовать органические соединения, синтезированные другими организмами. Более 95% живых организмов – гетеротрофы, которые не могут жить без автотрофов. Энергию они могут получать аналогично автотрофам из химических реакций, а также от Солнца, но световую энергию используют очень немногие. Поэтому под гетеротрофами понимаются преимущественно организмы, которые получают от других организмов и энергию, и углерод.

Все животные и грибы – гетеротрофы

Гетеротрофы получают энергию в ходе химических реакций при расщеплении пищи и окислении органических соединений. В пищевых цепях они являются консументами. К их числу относятся все животные и грибы, большинство простейших и часть бактерий. Некоторые гетеротрофные бактерии способны также поглощать световую энергию.

Преимущество гетеротрофов заключается в том, что они могут всю полученную с пищей энергию направить на рост и размножение, а автотрофы должны часть энергии расходовать на преобразование неорганического углерода в органические соединения. В то же время зависимые от источников питания гетеротрофы умирают при отсутствии органической пищи. Автотрофы меньше зависят от других организмов, так как могут получить все необходимое для себя из неживой природы.

Вспомните!

Окисление – число электронов уменьшается, связи разрушаются, энергия высвобождается.

Восстановление – число электронов увеличивается, образуются новые связи, энергия запасается.

• Гетеротрофы сами производят органические соединения из неорганических.

• Гетеротрофы не могут существовать без автотрофов.

• Большинство гетеротрофов получает энергию за счет химических реакций.

• Обычно гетеротрофы являются первым звеном пищевой цепи.

• Гетеротрофы могут сами произвести все необходимые им вещества.

Приложение. Экстремофилы

Организмы, обитающие в экстремальных условиях, должны иметь защитные механизмы, которые позволят им справляться, например, с высокой температурой или кислотностью среды. Особые свойства экстремофилов используют в промышленности и науке. При идентификации генных последовательностей, диагностике генетических заболеваний и идентификации личности на основе ДНК используется метод, который базируется на термостойком энзиме. Этот энзим получен из обитающей в горячем источнике автотрофной бактерии Thermus aquaticus. Хотя для производства энергии эта бактерия способна сама окислять неорганические соединения, она, по возможности, забирает энергию у обитающих в тех же условиях фотосинтезирующих цианобактерий.

Яркие цвета горячего источника в Йеллоустонском национальном парке обусловлены обитающими в нем микроорганизмами

Словарь терминов

• химическая энергия – энергия, затраченная на образование связей химических соединений или высвобождающаяся при их разрушении
• автотроф – организм, самостоятельно синтезирующий необходимые ему для жизни органические вещества из неорганических соединений углерода (обычно из углекислого газа)
• гетеротроф – организм, получающий необходимый для жизнедеятельности углерод, питаясь готовым органическим веществом
• восстановление – процесс, в ходе которого атомы присоединяют электроны; при восстановлении энергия поглощается
• окисление – процесс, в ходе которого атом отдает электроны; протекает с выделением энергии
• органические вещества – содержащие углерод соединения, из которых состоят живые организмы (кроме двуокисей и карбонатов)
• неорганические вещества – природные вещества минерального происхождения; все соединения, которые не относятся к органическим

Важность углерода для жизни

Почему углерод важен для планеты? Подробнее читайте в этой статье доктора Тима Доэни-Адамса.

Жизнь на Земле была бы невозможна без углерода. Отчасти это связано со способностью углерода легко образовывать связи с другими атомами, придавая гибкость форме и функциям, которые могут принимать биомолекулы, такие как ДНК и РНК, которые необходимы для определяющих характеристик жизни: роста и репликации. Таким образом, молекулы углерода востребованы всеми организмами, что приводит к сложным углеродным циклам во всех живых системах.

Когда организм поглощает органические (углеродсодержащие) молекулы из окружающей среды, он может использовать их для:

• энергия : при расщеплении молекул углерода высвобождается энергия, которая может управлять различными клеточными процессами (см. гликолиз на этапе 1.9)
• производство : потребляемые молекулы углерода реструктурируются с образованием полезных биомолекул для процветания и роста организма

Глобальный углеродный цикл

Углерод обнаруживается и обменивается между глобальными резервуарами: атмосферой, океаном, биомассой наземных растений и почвой. Баланс углерода между этими резервуарами важен для жизни. Например, если бы в атмосфере не было углекислого газа, фотосинтезирующие организмы, такие как растения, не имели бы источника углерода и вымерли бы. В долгосрочной перспективе обмен углеродом между различными резервуарами уравновешивается, поэтому этого не происходит. Однако было показано, что изменения в атмосферном углероде в геологических временных масштабах вызывают (и управляются) изменениями глобальных температур.

Углерод в атмосфере обычно находится в форме двуокиси углерода (CO

НАПОМИНАНИЕ : фотосинтез — это процесс, осуществляемый растениями (и некоторыми другими (микро)организмами), требующий CO ₂ , воды и солнечного света. Энергия солнца используется для преобразования CO ₂ в глюкозу, которая может использоваться растением для дыхания (энергии) и/или производства биомассы.

Океан хранит примерно в 50 раз больше углерода, чем атмосфера, что делает его крупнейшим резервуаром углерода. Кроме того, углерод быстро обменивается между океаном и атмосферой для поддержания равновесия. Это означает, что изменения уровня углерода в атмосфере могут быть

Почва , возможно, является домом для самых сложных биологических сообществ на планете. Бактерии, археи, грибы, простейшие, нематоды и многие макроскопические виды образуют сети обмена ресурсами и энергией, в которых ключевую роль играет углерод. Углерод поступает в почву в виде молекул, вырабатываемых фотосинтезирующими организмами, такими как растения . Растения могут выделять углерод в почву через свои корни, что известно как экссудация

В зависимости от почвенных условий и состава сообщества микроорганизмы будут применять различные стратегии для извлечения энергии из приобретенного ими углерода. В почвах, лишенных кислорода, таких как затопленные водой, будут преобладать анаэробные формы дыхания, что может привести к выделению метана. С другой стороны, в условиях, богатых кислородом, будет преобладать аэробное дыхание, и CO ₂ будет выбрасываться обратно в атмосферу.

Роль человека в круговороте углерода

С конца 19 ^-го -го века люди извлекали ископаемый углерод для сжигания для получения энергии.

© Тим Доэни-Адамс

1.

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Углерод. Элемент номер шесть. Прямо посередине первой строки Периодической таблицы. И что?

Углерод — самый важный элемент жизни. Без этого элемента жизнь, какой мы ее знаем, не существовала бы. Как вы увидите, углерод является центральным элементом соединений, необходимых для жизни.

Значение углерода

Соединение, встречающееся в основном в живых существах, известно как органическое соединение . Органические соединения входят в состав клеток и других структур организмов и осуществляют жизненные процессы. Углерод является основным элементом органических соединений, поэтому углерод необходим для жизни на Земле. Без углерода жизнь, какой мы ее знаем, не могла бы существовать.

Соединения

Соединение представляет собой вещество, состоящее из двух или более элементов. Соединение имеет уникальный состав, который всегда одинаков. Мельчайшая частица соединения называется молекулой. Рассмотрим воду в качестве примера. Молекула воды всегда содержит один атом кислорода и два атома водорода. Состав воды выражается химической формулой H ₂ O. Модель молекулы воды показана на рисунке ниже. Вода не является органическим соединением.

Молекула воды всегда имеет такой состав, один атом кислорода и два атома водорода.

Что заставляет атомы молекулы воды «слипаться»? Ответ — химические связи. Химическая связь — это сила, удерживающая молекулы вместе. Химические связи образуются, когда вещества реагируют друг с другом. Химическая реакция — это процесс превращения одних химических веществ в другие. Для образования соединения необходима химическая реакция. Для разделения веществ в соединении необходима еще одна химическая реакция.

Углерод

Почему углерод так важен для жизни? Причина в способности углерода образовывать прочные связи со многими элементами, в том числе и с самим собой. Это свойство позволяет углероду образовывать огромное количество очень больших и сложных молекул. На самом деле в живых существах насчитывается почти 10 миллионов соединений на основе углерода! Однако миллионы органических соединений можно сгруппировать всего в четыре основных типа: углеводов , липидов , белков и нуклеиновых кислот 9.0011 . Вы можете сравнить четыре типа в таблице ниже. Каждый тип также описан ниже.

Type of Compound	Examples	Elements	Functions	Monomer
Carbohydrates	sugars, starches	carbon, hydrogen, oxygen	provides energy to cells, stores energy, forms структуры тела	моносахарид
Lipids	fats, oils	carbon, hydrogen, oxygen	stores energy, forms cell membranes, carries messages
Proteins	enzymes, antibodies	carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, sulfur	помогает клеткам сохранять свою форму, формирует мышцы, ускоряет химические реакции, переносит сообщения и материалы	аминокислота
нуклеиновые кислоты	ДНК, РНК	углерод, водород, кислород, азот, фосфор	содержит инструкции для белков, передает инструкции от родителей потомству, помогает производить белки из более мелких молекул (мономеров) в результате реакций дегидратации. В реакции дегидратации вода удаляется, когда два мономера соединяются вместе. Чудо жизни: углеводы, белки, липиды и нуклеиновые кислоты 9Видео 0042 можно посмотреть по адресу http://www.youtube.com/watch?v=nMevuu0Hxuc (3:28). Энергия из углерода? Можно ли извлечь энергию из остатков? Могут ли органические отходы стать полезными? Это может показаться расточительством, но для некоторых людей это зеленая энергия. Узнайте, как калифорнийские молочные фермы и рестораны с белыми скатертями собирают оставшиеся отходы и превращают их в чистую энергию. Дополнительную информацию см. в документе From Waste To Watts: Biofuel Bonanza на сайте www.kqed.org/quest/television/from-waste-to-watts-biofuel-bonanza. Резюме Углерод является основным элементом органических соединений. Углерод может образовывать прочные связи со многими элементами, включая самого себя. Существует четыре основных типа органических соединений: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Узнать больше Используйте этот ресурс, чтобы ответить на следующие вопросы. Важность углерода на www.boundless.com/biology/the-chemical-foundation-of-life/carbon/the-importance-of-carbon/. Заполните это заявление. Углерод является основным компонентом четырех макромолекул, включая __________, __________, __________ и __________. Укажите правило октетов. Что позволяет углероду служить основой органических макромолекул? Что такое ковалентная связь? Обзор Что такое соединение? Объясните, почему углерод необходим для всей известной жизни на Земле. Какие четыре основных типа органических соединений существуют? Какие типы органических соединений обеспечивают энергию? Какое органическое соединение хранит генетическую информацию? Примеры белков включают ____________. Эта страница под названием 1. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Имя * Email * Сайт Комментарий *