Страница 14 из 16
+ 6О2 но всем хорошо известно, что при смешивании углекислого газа и воды глюкоза не образуется. Фотосинтез – сложный многоступенчатый процесс, для прохождения которого необходим не только солнечный свет и хлорофилл, но и ряд ферментов, энергия АТФ и молекулы-переносчики. Выделяют две фазы фотосинтеза – световую и темновую. Световая фаза фотосинтеза начинается с освещения растений светом.
Солнечные фотоны, передавая свою энергию молекуле хлорофилла, переводят молекулу в возбужденное состояние: ее электроны, получая дополнительную энергию, переходят на более высокие орбиты. Отрыв таких возбужденных электронов может происходить значительно легче, чем невозбужденных. Молекулы-переносчики захватывают их и перемещают на другую сторону мембраны тилакоида (см. § 9).
Молекулы хлорофилла восполняют потерю электронов, отрыгивая их от молекул воды. В результате вода расщепляется на протоны и молекулярный кислород: 2Н2О - 4е 4Н+ + О2 Процесс расщепления молекул воды до молекулярного кислорода, протонов и электронов под действием света называют фотолизом. Молекулярный кислород легко диффундирует сквозь мембраны тилакоидов и выделяется в атмосферу.
Протоны неспособны к проникновению через мембрану и остаются внутри. Таким образом, снаружи мембраны накапливаются электроны, доставленные молекулами-переносчиками с – возбужденных молекул хлорофилла, а внутри – протоны, образовавшиеся в результате фотолиза воды. Возникает разность потенциалов. В мембраны тилакоидов хлоропласта, так же как и во внутренние мембраны митохондрий, встроены ферменты-синтетазы, осуществляющие синтез АТФ.
В молекулярной структуре синтетаз растений также имеется каналец, через который могут проходить протоны. При достижении на мембране критической разности потенциалов протоны, влекомые силой электрического поля, протискиваются по канальцу АТФ-синтетазы, затрачивая энергию на синтез АТФ. Соединяясь на другой стороне мембраны с электронами, протоны образуют атомарный водород.
Фотосинтез в хлоропластах весьма эффективен: он дает в 30 раз больше АТФ, чем кислородный гликолиз в митохондриях тех же растений. Таким образом, во время световой фазы фотосинтеза происходят следующие главные процессы: выделение в атмосферу свободного кислорода, синтез АТФ и образование атомарного водорода. Протекание дальнейших реакций может происходить и в темноте, потому носит название темновой фазы. Темновая фаза.
Реакции этой фазы происходят в строме хлоропласта при участии атомарного водорода и АТФ, образовавшихся в световой фазе, а также ферментов, постанавливающих СО2 до простого сахара — триозы (глицепальдегида) — и синтезирующих из нее глюкозу: 6СО2 + 24Н С6Н12О6(глюкоза) + 6Н2О Для образования одной молекулы глюкозы требуется 18 молекул АТФ.
Комплекс реакций темновой фазы, осуществляемых ферментами (и коферментом НАД), носит название цикла Кальвина. Кроме глюкозы, из триозы могут синтезироваться жирные кислоты, аминокислоты и пр. Углеводы и жирные кислоты далее транспортируются в лейкопласты, где из них формируются запасные питательные вещества – крахмал и жиры. С наступлением темноты растения продолжают процесс фотосинтеза, используя запасенные на свету соединения.
Когда этот запас исчерпывается, прекращается и фотосинтез. В ночной темноте растения напоминают по типу обмена веществ животных: они поглощают кислород из атмосферы (дышат) и окисляют при помощи его запасенные днем питательные вещества. На дыхание растения используют в 20-30 раз меньше кислорода, чем выделяют в атмосферу в процессе фотосинтеза.
Количество энергии, производимой растениями, значительно превышает количество тепла, выделяющегося при сжигании всем населением планеты горючих полезных ископаемых. Ежегодно растительность планеты дает 200 млрд. т кислорода и 150 млрд. т органических соединений, необходимых человеку и животным. Хемосинтез. Большинство бактерий лишены хлорофилла.
Некоторые из них являются хемотрофами: для синтеза органических веществ они используют не энергию света, а энергию, высвобождающуюся при окислении неорганических соединений. Фотосинтез на мембранах тилакоидов хлоропластов Такой способ получения энергии и синтеза органических веществ назвали хемосинтезом (<греч. chemia химия). Явление хемосинтеза открыто в 1887 г. русским микробиологом С. Н. Виноградским. Нитрифицирующие бактерии.
В корневищах растений, главным образом, бобовых, живут особые клубеньковые бактерии. Они способны усваивать недоступный растениям атмосферный азот и обогащать почву аммиаком. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак клубеньковых бактерий до азотистой кислоты и далее – азотистую до азотной. В результате растения получают соли азотной кислоты, необходимые для синтеза аминокислот и азотистых оснований.
Водородные бактерии также широко распространены в почвах. Они окисляют молекулы водорода, образующиеся в результате бескислородного окисления органических останков различными микроорганизмами: 2H 2 + O 2 à 2H 2O Железобактерии используют энергию, высвобождающуюся при окислении двухвалентного железа до трехвалентного (закисные соли до окисных).
Серобактерии обитают в болотах и «питаются» сероводородом. В результате окисления сероводорода выделяется необходимая для жизнедеятельности бактерий энергия и накапливается сера. При окислении серы до серной кислоты высвобождается еще часть энергии. Суммарный выход энергии составляет существенную величину – 666 кДж/моль. Огромное количество серобактерий обитает в Черном море.
Его воды, начиная со стометровой глубины, насыщены сероводородом. Гетеротрофный тип обмена веществ. Человек и животные не способны синтезировать необходимые для жизнедеятельности органические вещества из неорганических и вынуждены поглощать их с пищей. Такие организмы называют гетеротрофами (<греч. heteros другой). К гетеротрофам относятся также большинство бактерий и грибы.
Вещества, поступившие с пищей, разлагаются в организмах животных на простые углеводы, аминокислоты, нуклеотиды, из которых далее синтезируются высокомолекулярные соединения, необходимые для конкретного вида существ в конкретной фазе жизненного цикла. Часть поступивших с пищей молекул расщепляется до конечных продуктов, а высвобождающаяся энергия используется в процессах жизнедеятельности.
Некоторое количество энергии рассеивается в виде теплоты, служащей для поддержания температуры тела. Многие одноклеточные водоросли имеют миксотрофное (смешанное) питание. На свету они фотосинтезируют, а в темноте переходят к фагоцитозу, т.е. становятся гетеротрофами. 1. Какова функция фотосинтеза в организмах растений? 2.
В чем состоит основное предназначение световой и темновой фаз? 3. Опишите обмен веществ растений в ночное время. 4. Чем отличаются хемотрофы от фототрофов, в чем их сходство? Приведите примеры хемотрофов. 5. Отличается ли человек от растений по типу обмена веществ, кто такие гетеротрофы? § 16. Пластический обмен. Биосинтез белков.
Синтез и РНК В процессах метаболизма реализуется наследственная информация. Клетка синтезирует только те вещества, которые записаны в ее генетической программе. Каждой группе клеток присущ свой комплекс химических соединений. Среди них особенно важными для организма являются белки. Многие функции и признаки организма определяются его набором белков.
Белки-ферменты расщепляют пищу, отвечают за поглощение и выделение солей, синтезируют жиры и углеводы, производят множество других биохимических превращений. Белки определяют цвет глаз, рост – словом, внешнюю специфичность организмов. Большинство белков, выполняющих одни и те же функции, несколько различны даже у особей одного и того же вида (к примеру, белки групп крови).
Но некоторые однофункциональные белки могут иметь сходное строение у далеких групп организмов (к примеру, инсулин собаки и человека). В процессе жизнедеятельности белковые молекулы постепенно разрушаются, теряют свою структуру – денатурируют. Их активность падает, и клетки заменяют их новыми. В организмах постоянно происходит синтез необходимых белков.
Биосинтез белковых молекул – сложный ферментативный процесс, начинающийся в ядре и заканчивающийся на рибосомах. Центральную функцию в нем выполняют носители генетической информации – нуклеиновые кислоты ДНК и РНК. Генетический код. Последовательность нуклеотидов ДНК задает последовательность аминокислот в белках – их первичную структуру.