Лекция №7. Пластический обмен в клетке.
Фотосинтез. Этапы фотосинтеза.
Пластический обмен (ассимиляция). Различают два типа ассимиляции: автотрофную и гетеротрофную.
Автотрофная ассимиляция характерна для клеток зеленых растений, некоторых бактерий. В этих клетках органические вещества синтезируются из неорганических. Источником энергии служит свет (фотосинтез) или химическая энергия (хемосинтез).
Гетеротрофная ассимиляция имеет место в клетках животных организмов, грибов и большинства бактерий, которые для синтеза собственных веществ используют готовые органические соединения. Например, на синтез белков в клетках животных идут аминокислоты, поступающие в организм с пищей.
Некоторые клетки способны использовать для построения своих структур как органические, так и неорганические соединения — миксотрофные организмы. К ним относятся те представители класса жгутиковых, в клетках которых содержится хлорофилл (хламидомонада, эвглена зеленая и др.).
Фотосинтез — это синтез органических соединений из неорганических веществ, идущий за счет световой энергии.
Выдающийся русский ученый К.А. Тимирязев показал, что для осуществления фотосинтеза необходим хлорофилл. Это вещество зеленого цвета, интенсивно поглощающее солнечные лучи в красной и сине-фиолетовой частях спектра. К фотосинтезу способны все организмы, содержащие хлорофилл: высшие растения, водоросли, пурпурные и зеленые бактерии, некоторые жгутиковые.
В клетках высших растений хлорофилл содержится во внутренних мембранах хлоропластов, образующих замкнутые полости — тилакоиды . Это вещество обладает уникальной способностью преобразовывать световую энергию в химическую, которая и используется для синтеза органических молекул.
Процесс фотосинтеза протекает в две фазы: световую и тем- новую
Световая фаза идет только на свету. Под действием света молекулы хлорофилла теряют электроны, переходя в возбу¬жденное состояние. При этом в молекулах хлорофилла образуют¬ся положительно заряженные электронные дырки. Электроны либо возвращаются обратно по одной из цепей переноса электро¬нов и заполняют часть положительно заряженных дырок в моле¬кулах хлорофилла, либо по другой цепи переноса доставляются на наружную поверхность мембраны тилакоида. Здесь происхо¬дит накопление электронов, создается отрицательный заряд.
Под влиянием положительно заряженных молекул хлоро¬филла внутри тилакоида происходит фотолиз воды:
2Н2О -> 4Н+ + О2 + 4е
В результате образуются молекулярный кислород, электроны и протоны. Электроны направляются к молекулам хлорофилла, где закрывают оставшиеся положительно заряженные дырки, а протоны накапливаются на внутренней поверхности мембраны тилакоида, создавая там положительный заряд. Между внутренней и наружной поверхностями мембраны тилакоида возникает разность потенциалов. При величине ее, равной 200 мв, протоны устремляются через протонный канал фермента АТФ-синтетазы на наружную поверхность мембраны тилакоида. При этом в активном центре фермента синтезируется АТФ. Встретившись с электронами, протоны превращаются в атомарный водород, который присоединяется к переносчику атомов водорода НАДФ+.
НАДФ+ + 2Н+ + 4ё -► НАДФ Н2
Таким образом, в световой фазе фотосинтеза образуются молекулярный кислород, АТФ и атомарный водород, связанный с переносчиками (НАДФ+).
АТФ и водород используются в химических реакциях т е м - новой фазы. Эти реакции могут протекать не только на свету, но и в темноте, так как для них не требуется солнечной энергии.
Темновая фаза осуществляется в строме хлоропласта при участии ферментов и характеризуется образованием глюкозы из углекислого газа и атомарного водорода. Суммарно этот процесс можно выразить так:
глюкоза
Итак, в процессе фотосинтеза используются вода и углекислый газ, а образуются глюкоза и молекулярный кислород. Суммарное уравнение фотосинтеза:
Образующиеся в процессе фотосинтеза углеводы в дальнейшем используются как исходный материал для синтеза других органических соединений.
Значение фотосинтеза огромно. Фотосинтез обеспечивает поступление молекулярного кислорода в атмосферу, способствует накоплению на Земле органических веществ, в которых аккумулирована солнечная энергия.
Хемосинтез характеризуется также синтезот органических соединений из неорганических веществ, но в этом процессе используется не энергия света, а химическая энергия, освобо¬ждающаяся в реакциях окисления неорганических веществ. Хе¬мосинтез был открыт русским ученым С.Н. Виноградским у не¬которых групп бактерий. Наибольшее значение имеют нитри¬фицирующие бактерии, железобактерии и серобактерии.
Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до азоти¬стой, а затем до азотной кислоты:
Железобактерии превращают соли железа (II, III) в ссши железа (II):
Серобактерии окисляют сероводород до серы и далее до сер¬ной кислоты:
Освобождающаяся в этих процессах энергия накапливается в виде молекул АТФ и используется затем для синтеза органических веществ, протекающего по типу синтеза глюкозы в темно- вой фазе фотосинтеза:
СО2 + Н2О + АТФ —> углевод.
Значение хемосинтезирующих бактерий очень велико. Нитрифицирующие бактерии способствуют накоплению в почве нитратов (селитра), железобактерии обеспечивают образование болотной руды — Fe(OH)3, серобактерии участвуют в очистке сточных вод.