Metabolismul (PDF)

Metabolismul, sau schim bul de substanțe și de ener gie, reprezintă totalitatea reac ţiilor chimice care au loc într-un organism viu în vederea asigură rii activităţii vitale. În urma aces tor reacţii, organismul obţine energie şi substanţe ce îi asigură creşterea, dezvoltarea, repro ducerea, adapta...

Metabolismul, sau schim bul de substanțe și de ener gie, reprezintă totalitatea reac ţiilor chimice care au loc într-un organism viu în vederea asigură rii activităţii vitale. În urma aces tor reacţii, organismul obţine energie şi substanţe ce îi asigură creşterea, dezvoltarea, repro ducerea, adaptarea la condiţiile mediului de viaţă etc. Metabolis mul constă în două procese dia Metabolism Anabolism Catabolism Sinteză Descompunere Molecule mici Consum de energie Molecule mari Molecule mici Molecule mari Degajare de energie metral opuse, dar strâns legate între ele: anabolism şi catabolism. Catabolismul, sau metabolismul energetic, întruneşte reacţiile chimice de descompunere a substanţelor macromoleculare în substanţe mai simple, cu degajare de energie. Anabolismul, sau metabolismul plastic, reuneşte reacţiile chimice de sinteză a substanţelor macromoleculare din substanţe simple. Funcțiile metabolismului:  obţinerea energiei pentru funcţionarea organismului; obţinerea materialului de construcţie pentru creşterea şi restabilirea organis mului: sinteza proteinelor, lipidelor, glucidelor şi a altor componenţi celulari; depozitarea substanţelor nutritive de rezervă; evacuarea deşeurilor metabolice. 2.1. Metabolismul 11 Esenţa metabolismului energetic Schematic, metabolismul energetic se reprezintă astfel: O2 Substanțe chimice complexe (hrana) Proteine Lipide Glucide Degajare de energie Acizi graşi Substanțe chimice simple Glucoză Aminoacizi Produse de descompunere Compuşi ai azotului CO2 H2O Principalul substrat energetic al celulei îl constituie glucidele. Transformările acestora în vederea obţinerii energiei decurg în trei etape. În prima etapă – pre gătitoare – polizaharidele sunt descompuse până la monomeri (de ex., glucoza). Toată energia produsă în această etapă se elimină sub formă de căldură. În cea de-a doua etapă a catabolismului – scindarea anaerobă – are loc descompu nerea glucozei, în lipsa oxigenului, cu participarea fermenţilor, în două molecule de acid piruvic (C H O proces), numit glicoliză. 40% din energia eliberată în urma glicolizei se depozitează sub formă de legături macroergice (legături bogate în energie) ale compusului chimic numit adenozintrifosfat – ATP. Celelalte 60% din energie se dispersează sub formă de căldură. Pentru organismele aerobe este specifică cea de-a treia etapă a metabolismului energetic – scindarea aerobă completă sau respirația celulară. În procesele acestei etape, produsele formate în etapa a doua sunt descompuse în mitocondrii până la produse finale: CO şi H O.55% din energia degajată la respiraţia celulară se depozitează în 36 de molecule de ATP. Bilanţul energetic total al scindării unei molecule de glucoză în cele trei etape ale cata bolismului sunt 38 de molecule de ATP (С Н + O 6O 6СO + 6Н O+ 38АТP). În caz de necesitate (la aportul insuficient de glucide cu hrana), în vederea obţi nerii energiei, sunt supuse scindării proteinele şi lipidele. Astfel, la scindarea unei molecule de acid gras se sintetizează 51 de molecule de ATP. Esența metabolismului plastic Metabolismul plastic la organismele autotrofe Schematic, asimilaţia la autotrofi se reprezintă în felul următor: Substanțe anorganice (fotosinteză, chemosinteză) macromoleculele corpului. 12 monomeri (sinteze biologice) Capitolul II. Caracteristici generale ale organismelor Fotosinteza. Plantele verzi sintetizează substanţe organice din cele anorga nice în prezenţa luminii solare, proces numit fotosinteză. Acest proces are loc în cloroplaste în două faze: de lumină şi de întuneric. În faza de lumină se realizează fotoliza apei (descompunerea apei sub acţiunea luminii), în urma căreia se for mează ioni de hidrogen H+, se degajă oxigen şi se acumulează energie sub formă de ATP. În faza de întuneric, energia acumulată în faza de lumină este folosită pentru sinteza glucozei, din CO şi H+, printr-o serie de reacţii complexe cu parti ciparea fermenţilor. Ecuaţia sumară a fotosintezei se prezintă astfel: 6СO + 6Н Ohν clorofilă С Н + O 6O (glucoza) Fazele fotosintezei Faza de lumină Faza de întuneric Are loc numai la lumină pe membranele tilacoidelor cloroplastelor. Energia se depozitează în urma sintezei de ATP. Din fotoliza apei rezultă O ce , se degajă în atmosferă sau este folosit pentru respirație. Reacțiile au loc în lipsa luminii în stroma cloroplastelor (ciclul Calvin). Energia ATP este folosită pentru fixarea CO în substanțe simple – monozaharide. În urma transformă rilor ulterioare, se formează glucoza (C H Odin),care, prin polimerizare, se sintetizează polizaharide complexe şi alte substanțe organice. Află mai multe Productivitatea culturilor agricole depinde de intensitatea fotosintezei, aflată sub influența facto rilor externi şi a celor interni. Condiții optime pentru fotosinteză sunt: 1. iluminarea suficientă obținută printr-o anumită densitate a semănăturilor; 2. sporirea conținutului de CO (în atmosferă sunt 0,03% de CO iar , fotosinteza decurge mai efi cient la un conținut de CO de până la 0,1%); 3. suficientă umiditate în sol (ofilirea plantelor reduce recolta cu 5-10%); 4. nutriție minerală adecvată. Cunoscând şi creând condițiile necesare pentru sporirea intensității fotosintezei, poate fi sporită recolta culturilor agricole. Chemosinteza reprezintă sinteza substanţelor organice din cele anorganice, folosind energia chimică degajată în urma reacţiilor de oxidare a substanţelor, în primul rând a celor anorganice. Este cel mai vechi tip de nutriţie autotrofă, carac teristic pentru marea majoritate a bacteriilor. Metabolismul plastic la organismele heterotrofe Heterotrofii sintetizează compuşi organici complecşi din produsele etapei pregă titoare a catabolismului. La această etapă, în tubul digestiv, sub acţiunea enzimelor, substanţele nutritive din hrană (proteinele, lipidele şi glucidele) se descompun până la monomeri: proteinele în aminoacizi, lipidele în glicerol şi acizi graşi, glucidele în monozaharide. Din tractul digestiv, monomerii trec în sânge şi limfă, care îi transportă 2.1. Metabolismul 13 la toate celulele şi organele. Din monozaharide, în ficat se sintetizează glicogenul – glucidul de rezervă al animalelor. Glicerolul şi acizii graşi sunt resintetizaţi sub formă de grăsimi specifice organismului. Aminoacizii sunt folosiţi pentru sinteza proteinelor necesare organismului: hormoni, enzime, pigmenţi, proteine transportatoare etc. Catabolism ATP Relațiile reciproce dintre catabolism și anabolism Procesele anabolice şi cele catabolice sunt indi solubil legate între ele: toate reacţiile de sinteză au nevoie de energie şi de materie primă, care sunt puse la dispoziţie de procesele catabolice. Acestea, la rândul lor, au loc doar cu participarea fermenţi lor şi hormonilor sintetizaţi în procesele anabolice. În organism, procesele anabolice şi cele catabolice se află într-un echilibru di namic. Astfel, în caz de foame, de alimentare insuficientă sau slab calorică preva lează procesele catabolice. Ca urmare, organismul consumă rezervele sale, ceea ce poate duce la epuizare, iar uneori şi la deces. În perioada de creştere şi de dezvol tare a organismului, la însănătoşire predomină procesele anabolice. Prevalarea anabolismului se poate solda cu obezitate. Anabolism ATP Află mai multe Pentru desfăşurarea proceselor metabolice, un organism viu are nevoie de energie, de sursă de carbon pentru sinteza compuşilor organici şi de donori de electroni pentru desfăşurarea reacțiilor de sinteză. Aceste trei componente determină tipul de metabolism. Clasificarea organismelor vii în funcție de tipul de metabolism este prezentată în tabelul de mai jos. Clasificarea organismelor în funcție de tipul de metabolism Sursa de energie Lumina solară– foto Energia reacțiilor chimice – chemo Donorul de electroni Substanțe organice – organo Substanțe anorganice – lito Substanțe organice – organo Sursa de carbon Substanțe organi ce – heterotrof Carbonul anorga nic – autotrof Substanțe organi ce – heterotrof Carbon anorga nic – autotrof Substanțe organi ce – heterotrof Tipul de metabolism Fotoorganohete rotrof Fotoorganoau totrof Fotolitoheterotrof Fotolitoautotrof Exemple Unele cianobacterii, halobacteriile Unele bacterii purpurii Unele cianobacterii, bacterii verzi şi purpurii Plantele superioare, cianobacteriile, algele, bacteriile verzi Chemoorganohe terotrof Carbon anorga nic – autotrof Substanțe anorganice – lito Substanțe organi ce – heterotrof Carbon anorga nic – autotrof Chemoorganoau totrof Chemolitohete rotrof Animalele, ciupercile, majoritatea microorganismelor-reducători Oxidarea substanțelor ce se descom pun greu, de ex. metilotrofe faculta tive care oxidează acidul formic Bacteriile de hidrogen Chemolitoautotrof Ferobacteriile, sulfobacteriile, bacte riile nitrificatoare 14 Capitolul II. Caracteristici generale ale organismelor Evaluare formativă 1. Definiţi noţiunile: asimilaţie, dezasimilaţie, autotrof, heterotrof, autochemotrof. 2. Completaţi tabelul, copiindu-l în caiet. Metabolismul plastic la plante Criterii de comparare Metabolismul plastic la animale sursa de carbon eliminarea oxigenului prezenţa luminii 3. Citiți afirmaţiile de mai jos şi selectați litera A dacă afirmaţia este corectă sau litera F dacă aceasta este falsă. Argumentați alegerea. A F La scindarea unei molecule de acid gras se sintetizează 51 de molecule de ATP. A F Monomerii proteinelor sunt aminoacizii. A F În timpul scindării anaerobe a glucozei se sintetizează 38 de molecule de ATP. A F Fotosinteza este o reacţie a metabolismului plastic la autotrofi. A F Oxigenul se elimină în urma fotolizei apei. 4. Găsiți intrusul şi argumentați alegerea. A a) Sinteza proteinelor b) Replicarea ADN-ului c) Fermentaţia alcoolică d) Sinteza lipidelor B a) Criste b) Ribozomi c) ADN inelar d) ADN liniar C a) Este necesară lumina b) Are loc sinteza glucozei c) Fotoliza apei d) Se elimină oxigen 5. Stabiliți două asemănări şi trei deosebiri între respiraţia anaerobă (glicoliză) şi cea aerobă. 6. Realizaţi, folosind surse suplimentare, un microeseu la tema: „Rolul fotosintezei în evolu ţia organismelor vii”. 7. Prezentați câte un exemplu de ciupercă şi de bacterie cu rol în fermentaţie. Numiți tipul de fermentaţie. Tema 2.2 Reproducerea organismelor Reproducerea este capacitatea organismelor vii de a da naştere unei noi generații, asigurând astfel existenţa în timp a vieţii pe Pământ. Se cunosc două tipuri de reproducere: asexuată şi sexuată. Reproducerea asexuată În cazul reproducerii asexuate, descendenţii provin de la un singur organism şi sunt absolut identici cu acesta. Generaţia provenită de la un părinte formează o clonă. Clonarea este răspândită pe larg la plante, bacterii, ciuperci, iar pe cale experimentală a fost realizată şi la unele animale (broaşte, oi, vaci). Se cunosc mai multe forme de reproducere asexuată: diviziunea, formarea sporilor, înmugu rirea, înmulțirea vegetativă. 2.2. Reproducerea organismelor vii 15 1. Diviziunea este caracteristică or ganismelor unicelulare şi constă în di viderea celulei-mamă în două sau mai multe celule-fiice. Diviziunea poate fi: a) simplă binară (la bacterii), b) mito tică binară (la protozoare, algele unice lulare) şi c) multiplă – schizogonie (la tripanosome, plasmodium) (fig. 2.1). 2. Formarea sporilor. Sporii re prezintă o structură reproductivă uni celulară. În funcţie de specia căreia îi aparţin, sporii au forme şi dimensiuni caracteristice, iar durata vieţii lor variază de la câteva minute până la 25 de ani (la unele ciuperci). Formarea sporilor este caracteristică pentru bacterii, alge, ciuperci, muşchi, ferigi. Fig. 2.1. Înmulţire prin diviziunea mitotică binară a parameciului Află mai multe Unele organisme unicelulare (bacteriile, algele, protozoarele ş.a.), în condiţii nefavorabile, se în chistează, formând spori de rezistenţă. Acest tip de spori asigură supravieţuirea în condiţii nefa vorabile, nu şi înmulţirea. După locul formării, deosebim exo spori şi endospori. Endosporii iau naştere în interiorul unor organe spe ciale – sporange, sporii fiind numiţi sporangiospori. Exosporii se dezvoltă pe suprafaţa unor organe specializate, numite conidiofori, de unde şi denu mirea lor de conidii. În funcţie de mo bilitate, distingem spori mobili – zo ospori, prevăzuţi cu cili sau cu flageli, şi spori imobili – aplanospori. Fig. 2.2. Înmugurirea la hidră 3. Înmugurirea. În cazul înmuguririi, noul individ se formează sub formă de excrescenţă pe corpul formei parentale. După ce atinge anumite dimensiuni, aces ta se desprinde, devenind un organism de sine stătător. Înmugurirea este caracte ristică nevertebratelor (hidra – fig. 2.2., steaua-de-mare), drojdiilor etc. 4. Înmulțirea vegetativă. La baza înmulţirii vegetative stă regenerarea – ca pacitatea organismelor de a-şi restabili părţile pierdute. Este răspândită în rândul plantelor şi se realizează prin fragmente de organe vegetative (butaşi) sau prin organe vegetative specializate (bulbi, tuberculi, rizomi). Aplicările înmulțirii vegetative. La înmulţirea plantelor de cultură se aplică pe larg următoarele metode artificiale de înmulţire vegetativă: marcotajul, butăşirea şi altoirea. 16 Capitolul II. Caracteristici generale ale organismelor Marcotajul este folosit la înmulţi rea agrişului (fig. 2.3-1), coacăzului, vi ţei-de-vie, zmeurului ş.a. În acest scop, o ramură mai lungă a plantei se apleacă la pământ şi se acoperă cu sol umed. Într-o perioadă de vegetaţie, pe această porţiune a ramurii se dezvoltă rădăcini adventive. Separând ramura de planta mamă şi plantând-o în alt loc, obţinem o nouă plantă. 1 2 Fig. 2.3. Diferite tipuri de înmulţire vegetativă la agriş:1 – marcotaj; 2 – butăşire Butășirea se foloseşte la înmulţi rea zmeurului, liliacului, iasomiei, coa căzului etc. Pentru aceasta se pregătesc butaşi de rădăcină, tulpină (fig. 2.3-2), frunză, care se plantează în sol umed. Altoirea constă în unirea altoiului cu portaltoiul. Se aplică pentru înmulţi rea unor soiuri cu productivitate înaltă, rezistente la ger, la boli. În cazul viţei-de vie şi al pomilor fructiferi, portaltoiul este o plantă tânără, crescută din sămânţa strămoşilor sălbatici. Sistemul radicular al portaltoiului este viguros, mai puţin pretenţios faţă de sol, mai rezistent la ger. Drept altoi poate servi un butaş sau un mugure-ochi al pomului fructifer pe care dorim să-l înmulţim. De exemplu, putem obţine un cireş de cultură altoind un ochi sau un butaş al unui cireş de un anumit soi pe un puiet de cireş sălbatic. Se cunosc mai multe tipuri de altoire. Descriem câteva dintre ele. Altoirea cu butaş (fig. 2.4-1) se face primăvara, până la dezvoltarea mugu rilor. Altoiul se uneşte cu tulpina portaltoiului şi locul unirii se leagă strâns. În funcţie de modul de unire a portaltoiului cu butaşul, altoirea poate fi terminală, în despicătură, prin apropiere, sub scoarță. Altoirea cu mugure-ochi (fig. 2.4-2). În a doua ju mătate a verii, de pe pomul fructifer se taie o ramură de un an. Se înlătură frunze le, 1 lăsându-se doar peţio lul, şi se taie muguri cu un strat subţire de scoarţă. Pe tulpina portaltoiului, cu un cuţit ascuţit, scoarţa se sec ţionează în forma literei T şi se îndepărtează. Sub scoarţă se introduce un mugure de altoi. Locul altoirii se leagă 2 a b Fig. 2.4. Diferite tipuri de altoire: 1 – altoirea cu butaş: a) terminală; b) în despicătură; 2 – altoirea cu mugure-ochi 2.2. Reproducerea organismelor vii 17 secţiune longitudinală prin rizocarpul de morcov secţiune transversală 2 mg de fragmente plantă adultă strâns, lăsând peţiolul liber. Dacă altoirea a fost efectuată corect, atunci peste 2-3 săp tămâni altoiul concreşte cu portaltoiul, iar în primăvara următoare din mugure se va dezvolta un lăstar. Peste 2-3 ani lăstarul se va transforma într-un copăcel roditor. Înmulțirea plantelor prin cultura țesuturilor. În prezent, se cresc plante din celule introduse într-un mediu nutritiv special. Această metodă de înmulţire a plantelor, numită cultura țesuturilor, este aplicată la orhidee, cartof, morcov (fig. 2.5), ginseng etc. Ea are mai multe avantaje: materialul săditor obţinut pe această cale este steril (nu este infectat cu diferite microorganisme patogene); pe această cale un soi nou poate fi înmulţit efectiv şi în scurt timp. cultivarea fragmentelor pe medii nutritive Fig. 2.5. Înmulţirea morcovului prin cultura ţesuturilor Reproducerea sexuată Reproducerea sexuată a animalelor presupune participarea a doi in divizi de sex opus: femelă şi mascul. Aceştia dispun de organe sexuale (ovare la femele şi testicule la masculi), în care se produc celule sexuale (gameţi): ovarele produc ovule, iar testiculele – spermatozoizi. Procesul de contopire a celulelor sexuale este numit fecundație. Aceasta poate fi externă – celulele sexuale sunt eliminate de ambele sexe în mediul extern, de obicei în apă, unde se şi unesc (la peşti, broaşte), sau internă – contopirea celulelor sexuale are loc în corpul feme lei (la insecte, păsări, reptile, mamifere). Din fecundaţie rezultă zigotul. În cazul fecundaţiei interne, acesta se poate dezvolta în afara corpului mamei (animale ovipare – ele depun ouă, din care, în timpul clocirii, se dezvoltă un nou organism) sau în corpul mamei (animalele vivipare nasc pui vii). Află mai multe În natură se întâlnesc şi specii ovovivipare (salamandra-de-munte, şarpele-orb, şopârla-de-mun te ş.a.), la care oul rămâne în corpul femelei până la dezvoltarea embrionului. Puiul iese din ou imediat după expulzarea acestuia din corpul femelei. Un tip particular de reproducere sexuată este partenogeneza – dezvoltarea unui nou organism din ovul nefecundat. Se întâlneşte la albine, furnici, dafnii etc. Reproducerea sexuată a plantelor constă, de asemenea, în formarea şi contopirea celulelor sexuale. Celula sexuală feminină este oosfera, iar cea mascu lină – spermatozoidul (la muşchi şi la ferigi) sau spermatia (la gimnosperme şi angiosperme). Dezvoltarea celulelor sexuale are loc în organe sexuale specializate. 18 Capitolul II. Caracteristici generale ale organismelor Oosfera la muşchi şi ferigi se formează în arhegoane, iar la angiosperme – în sa cul embrionar al ovulului florii (fig. 2.6). Spermatozoizii se formează în anteri dii, iar spermatiile – în grăunciorul de polen. Din zigotul muşchilor şi al ferigilor se dezvoltă sporofitul (generaţia care produce spori), iar din cel al gimnosperme lor şi angiospermelor – sămânţa, care la angiosperme este protejată de fruct. Evaluare formativă 1. Definiţi noţiunile: fecundaţie, zigot, oosferă, ovul, spermatozoid, spermatie. 2. Asociaţi noţiunile din coloana A cu cele din coloana B: A B a) animale vivipare _____________ b) animale ovipare _____________ c) animale ovovivipare __________ d) partenogeneză ______________ 1. Şarpe-orb 2. Balenă 3. Pinguin 4. Trântorul la albină 5. Femela la dafnie 6. Şopârla-comună 3. Reprezentați sub formă de schemă tipurile de fecundație la animale. Completați schema cu câte un exemplu pentru fiecare tip de fecundație. 4. Vizualizați informaţia stocată în secvenţa video.– Identificați tipurile de înmulţire naturală şi de inmulţire artificială la plante.– Explicați esenţa reproducerii sexuate în cultivarea plantelor de cultură.– Propuneți (pe un poster) o tehnologie mai avantajoasă de cultivare a unei specii de plante de cultură. 5. Găsiți intrusul. Argumentați alegerea. A a) Spori b) Înmugurire c) Fecundaţie d) Diviziune simplă binară B a) Rizomi b) Rizocarpi c) Butaşi d) Bulbi C a) Oosferă b) Spermatozoizi c) Spermatii d) Arhegoane 6. Comparaţi reproducerea asexuată cu cea sexuată, enumerând două asemănări şi trei de osebiri. 7. Studiu de caz. Un floricultor a primit oferta de a amenaja un răzor cu flori pe un sector de 10 m2. Dorința coman datarului era ca pe tot parcursul anului pe răzor să fie plante înflorite. a) Propuneți o formă potrivită a răzorului. b) Identificați ce specii, soiuri de plante decorative trebuie sădite. c) Numiți tipurile de înmulțire a plantelor propuse. d) Proiectați pe un poster planul de sădire a plantelor propuse. e) Repartizați plantele pe răzor conform regulilor de combinare a culorilor. 8. Calculați numărul de semințe ce se pot forma în inflorescența unei plante dacă ştim ur mătoarele: a) inflorescența este formată din 7 flori; b) în ovarul fiecărei flori se dezvoltă 10 ovule, dar numai 60% dintre ele vor da naştere semințelor; c) identificați şi argumentați 3 cauze ale infertilității a 30% dintre ovule. 2.2. Reproducerea organismelor vii 19