2.5.1. Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь. Пластический метаболизм у растений

характеристика, функции, этапы :: SYL.ru

Метаболизм, то есть совокупность всех химических реакций, происходящих в организме, включает в себя энергетический и пластический обмен. Первый - это реакции, направленные на получение энергии вследствие расщепления сложных органических соединений на более простые. Он еще называется катаболизмом. Пластический обмен называют еще анаболизмом. Он подразумевает реакции, с помощью которых организм синтезирует нужные ему сложные химические вещества из простых с использованием энергии. Таким образом, получается, что, добыв энергию в процессе катаболизма, часть её организм тратит на синтез новых органических веществ.

Энергетический обмен: особенности и этапы

Этот вид обмена веществ осуществляется в три стадии: подготовительная, анаэробное брожение, или гликолиз, и клеточное дыхание. Рассмотрим их более подробно:

1. Подготовительная проходит в желудочно-кишечном тракте, где с помощью желудочного сока и ферментов белки расщепляются на аминокислоты, липиды — на высшие кислоты и глицерин, а углеводы — на более простые по структуре моносахариды. Остальные два этапа осуществляются в клетках организма.
2. Энергетический обмен в клетке имеет две стадии — анаэробную, для которой кислород не нужен, и аэробную, во время которой для совершения химических реакций используется кислород. Первый из этих двух этапов — гликолиз — проходит в цитоплазме, где под воздействием ферментов, содержащихся в лизосомах (специальных органоидах клетки) происходит расщепление глюкозы на более простые вещества, к примеру, этиловый спирт, пировиноградная и молочная кислота. При реакции, в результате которой образуется спирт, выделяется также углекислый газ. Во всех трех вариантах расщепления клетка получает 2 АТФ на одну использованную молекулу глюкозы. Реакция, в которой в результате распада моносахарида получается этиловый спирт, используется в основном дрожжами и бактериями. А процесс, вследствие которого выделяется молочная кислота, — кисломолочными бактериями. Та реакция, после которой остается пировиноградная кислота, осуществляется в животных клетках. Свойства бактерий расщеплять глюкозу до этилового спирта, углекислого газа и молочной кислоты широко используется в пищевой промышленности.
3. Третья стадия энергетического обмена также осуществляется непосредственно в клетке, однако уже не в цитоплазме, а в митохондриях. Это клеточное дыхание. Для него обязательно нужен кислород, так как, по сути, это процесс сжигания органических веществ, только без использования высоких температур и в ускоренном в сотни раз виде, что позволяют выработать природные катализаторы — ферменты. Таким образом, в митохондриях клетки живого организма может происходить процесс полного окисления лактата с использованием фосфорной кислоты, кислорода и молекул АДФ. В результате такой химической реакции вследствие расщепления одной молекулы молочной кислоты можно получить 18 АТФ. Еще одним распространенным процессом, происходящим в митохондриях эукариотических клеток, можно назвать сжигание пировиноградной кислоты, вследствие чего также высвобождается энергия.

Пластический обмен — это что? Какие у него особенности?

Рассмотрев процесс катаболизма, можно перейти к описанию анаболизма, который является важной составляющей обмена веществ. Вследствие этого процесса образуются вещества, из которых построена клетка и весь организм в целом, которые могут служить в качестве гормонов или ферментов и т. д. Пластический обмен (он же биосинтез, или анаболизм) происходит, в отличие от катаболизма, исключительно в клетке. Он включает в себя три разновидности: фотосинтез, хемосинтез и биосинтез белков. Первый используется только растениями и некоторыми фотосинтезирующими бактериями. Такие организмы называются автотрофами, так как сами вырабатывают для себя органические соединения из неорганических. Второй используется определенными бактериями, в том числе и анаэробными, для жизни которых не требуется кислород. Формы жизни, использующие хемосинтез, называются хемотрофами. Животные и грибы относятся к гетеротрофам — существам, которые получают органические вещества из других организмов.

Фотосинтез

Это процесс, который, по сути, является основой жизни на планете Земля. Всем известно, что растения забирают из атмосферы углекислый газ и отдают кислород, но давайте более подробно рассмотрим, что же происходит во время фотосинтеза. Этот процесс осуществляется посредством реакции, которая предусматривает образование глюкозы и кислорода из углекислого газа и воды. Очень важный фактор - наличие солнечной энергии. Во время такого химического взаимодействия из шести молекул углекислого газа и воды образуется шесть молекул кислорода и одна - глюкозы.

Где происходит этот процесс?

Местом проведения подобного рода реакции являются зеленые листья растений, а точнее хлоропласты, которые содержатся в их клетках. В этих органеллах содержится хлорофилл, благодаря которому и происходит фотосинтез. Данное вещество также обеспечивает зеленый цвет листков. Хлоропласт окружен двумя мембранами, а в его цитоплазме расположены граны — стопки из тилакоидов, которые имеют собственную мембрану и содержат хлорофилл.

Хемосинтез

Хемосинтез — это также пластический обмен. только характерен он для микроорганизмов, в том числе и серных, нитрифицирующих и железобактерий. Они используют энергию, полученную в процессе окисления определенных веществ, для восстановления углекислого газа до органических соединений. Веществами же, которые окисляются данными бактериями в процессе энергетического обмена, являются сероводород для первых, аммиак для вторых и закись железа для последних.

Биосинтез белков

Обмен белков в организме подразумевает расщепление тех, которые были употреблены в пищу, на аминокислоты и построение из последних своих собственных белков, свойственных именно данному живому существу. Пластический обмен - это синтез белков клеткой, он включает в себя два основных процесса: транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция

Это слово многим известно из уроков английского языка, однако в биологии данный термин имеет совсем другое значение. Транскрипция — это процесс синтеза информационной РНК с помощью ДНК по принципу комплементарности. Осуществляется он в ядре клетки и насчитывает три стадии: образование первичного транскрипта, процессинг и сплайсинг.

Трансляция

Этот термин обозначает перенос зашифрованной на иРНК информации о структуре белка на синтезирующийся полипептид. Местом для проведения данного процесса служит цитоплазма клетки, а именно, рибосома — специальный органоид, который отвечает за синтез белков. Это органелла овальной формы, состоящая из двух частей, которые соединяются в присутствии иРНК. Трансляция происходит в четыре этапа. На первой стадии аминокислоты активируются специальным ферментом под названием аминоацил Т-РНК-синтетаза. Для этого также используется АТФ. Впоследствии образуется аминоациладенилат. Далее следует процесс присоединения активированной аминокислоты к транспортной РНК, при этом выделяется АМФ (аденозинмонофосфат). Затем, на третьем этапе, образованный комплекс соединяется с рибосомой. Далее происходит включение аминокислот в структуру белка в определенном порядке, после чего тРНК высвобождается.

www.syl.ru

2.5.1. Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь.

2.5.2. Энергетический обмен в клетке (диссимиляция).

2.5.3. Фотосинтез и хемосинтез.

Обмен веществ и превращения энергии — свойства живых организмов

Клетку можно уподобить миниатюрной химической фабрике, на которой происходят сотни и тысячи химических реакций.

Обмен веществ — совокупность химических превращений, направленных на сохранение и са­мовоспроизведение биологических систем.

Он включает в себя поступление веществ в организм в процессе питания и дыхания, внутри­клеточный обмен веществ, или метаболизм, а также выделение конечных продуктов обмена.

Обмен веществ неразрывно связан с процессами превращения одних видов энергии в другие. Например, в процессе фотосинтеза световая энергия запасается в виде энергии химических свя­зей сложных органических молекул, а в процессе дыхания она высвобождается и расходуется на синтез новых молекул, механическую и осмотическую работу, рассеивается в виде тепла и т. д.

Протекание химических реакций в живых организмах обеспечивается благодаря биологиче­ским катализаторам белковой природы — ферментам, или энзимам. Как и другие катализаторы, ферменты ускоряют протекание химических реакций в клетке в десятки и сотни тысяч раз, а ино­гда и вообще делают их возможными, но не изменяют при этом ни природы, ни свойств конечно­го продукта (продуктов) реакции и не изменяются сами. Ферменты могут быть как простыми, так и сложными белками, в состав которых, кроме белковой части, входит и небелковая — кофактор (кофермент). Примерами ферментов являются амилаза слюны, расщепляющая полисахариды при длительном пережевывании, и пепсин, обеспечивающий переваривание белков в желудке.

Ферменты отличаются от катализаторов небелковой природы высокой специфичностью дей­ствия, значительным увеличением с их помощью скорости реакции, а также возможностью ре­гуляции действия за счет изменения условий протекания реакции либо взаимодействия с ними различных веществ. К тому же и условия, в которых протекает ферментный катализ, существен­но отличаются от тех, при которых идет неферментный: оптимальной для функционирования ферментов в организме человека является температура 37°С, давление должно быть близким к ат­мосферному, а рН среды может существенно колебаться. Так, для амилазы необходима щелочная среда, а для пепсина — кислая.

Механизм действия ферментов заключается в снижении энергии активации веществ (субстра­тов), вступающих в реакцию, за счет образования промежуточных фермент-субстратных ком­плексов (рис. 2.42).

Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь

Метаболизм складывается из двух одновременно протекающих в клетке процессов: пластиче­ского и энергетического обменов.

Пластический обмен (анаболизм, ассимиляция) представляет собой совокупность реакций синтеза, которые идут с затратой энергии АТФ. В процессе пластического обмена синтезируются органические вещества, необходимые клетке. Примером реакций пластического обмена являются фотосинтез, биосинтез белка и репликация (самоудвоение) ДНК.

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — это совокупность реакций расщепле­ния сложных веществ до более простых. В результате энергетического обмена выделяется энер­гия, запасаемая в виде АТФ. Наиболее важными процессами энергетического обмена являются дыхание и брожение.

Пластический и энергетический обмены неразрывно связаны, поскольку в процессе пластиче­ского обмена синтезируются органические вещества и для этого необходима энергия АТФ, а в про­цессе энергетического обмена органические вещества расщепляются и высвобождается энергия, которая затем будет израсходована на процессы синтеза.

Энергию организмы получают в процессе питания, а высвобождают ее и переводят в доступную форму в основном в процессе дыхания. По способу питания все организмы делятся на автотрофов и гетеротрофов. Автотрофы способны самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических, а гетеротрофы используют исключительно готовые органические вещества.

Стадии энергетического обмена

Несмотря на всю сложность реакций энергетического обмена, его условно подразделяют на три этапа: подготовительный, анаэробный (бескислородный) и аэробный (кислородный).

На подготовительном этапе молекулы полисахаридов, липидов, белков, нуклеиновых кислот распадаются на более простые, например, глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты, нуклеотиды и др. Этот этап может протекать непосредственно в клетках либо в кишечнике, от­куда расщепленные вещества доставляются с током крови.

Анаэробный этап энергетического обмена сопровождается дальнейшим расщеплением моно­меров органических соединений до еще более простых промежуточных продуктов, например, пи- ровиноградной кислоты, или пирувата. Он не требует присутствия кислорода, и для многих ор­ганизмов, обитающих в иле болот или в кишечнике человека, является единственным способом получения энергии. Анаэробный этап энергетического обмена протекает в цитоплазме.

С6Н1206 + 2Н3Р04 + 2АДФ + 2НАД → 2С3Н403 + 2АТФ + 2НАДН + Н+ + 2Н20.

Образование АТФ из АДФ происходит вследствие прямого переноса фосфат-аниона с предва­рительно фосфорилированного сахара и называется субстратным фосфорилированием.

Аэробный этап энергетического обмена может происходить только в присутствии кислорода, при этом промежуточные соединения, образовавшиеся в процессе бескислородного расщепления, окисляются до конечных продуктов (углекислого газа и воды) и выделяется большая часть энер­гии, запасенной в химических связях органических соединений. Она переходит в энергию макро- эргических связей 36 молекул АТФ. Этот этап также называется тканевым дыханием. В случае отсутствия кислорода промежуточные соединения превращаются в другие органические веще­ства, и этот процесс называется брожением.

Дыхание

Механизм клеточного дыхания схематически изображен на рис. 2.43.

Аэробное дыхание происходит в митохондриях, при этом пировиноградная кислота сначала утрачивает один атом углерода, что сопровождается синтезом одного восстановительного эквива­лента НАДН + Н+ и молекулы ацетилкофермента А (ацетил-КоА):

С3Н403 + НАД + Н~КоА →СН3СО~КоА + НАДН + Н+ + С02.

Ацетил-КоА в матриксе митохондрий вовлекается в цепь хими­ческих реакций, совокупность которых называется циклом Кребса (циклом трикарбоновых кислот, циклом лимонной кислоты). В хо­де этих превращений образуется две молекулы АТФ, ацетил-КоА полностью окисляется до углекислого газа, а его ионы водорода и электроны присоединяются к переносчикам водорода НАДН + Н+ и ФАДН2. Переносчики транспортируют протоны водорода и элек­троны к внутренним мембранам митохондрий, образующим кристы. При помощи белков-переносчиков протоны водорода нагнетаются в межмембранное пространство, а электроны передаются по так на­зываемой дыхательной цепи ферментов, расположенной на внутрен­ней мембране митохондрий, и сбрасываются на атомы кислорода:

02 +2е- →02-.

Следует отметить, что некоторые белки дыхательной цепи содер­жат железо и серу.

Из межмембранного пространства протоны водорода транспор­тируются обратно в матрикс митохондрий с помощью специальных ферментов — АТФ-синтаз, а выделяющаяся при этом энергия рас­ходуется на синтез 34 молекул АТФ из каждой молекулы глюкозы. Этот процесс называется окислительным фосфорилированием. В матриксе митохондрий протоны водорода реагируют с ра­дикалами кислорода с образованием воды:

4Н+ + О2-→2Н20.

Совокупность реакций кислородного дыхания может быть выражена следующим образом: 2С3Н403 + 602 + 36Н3Р04 + 36АДФ → 6C02 + 38Н20 + 36АТФ.

Суммарное уравнение дыхания выглядит таким образом:

С6Н1206 + 602 + 38Н3Р04 + 38АДФ→ 6С02 + 40Н20 + 38АТФ.

Брожение

В отсутствие кислорода или при его недостатке происходит брожение. Брожение является эволюционно более ранним способом получения энергии, чем дыхание, однако оно энергетически менее выгодно, поскольку в результате брожения образуются органические вещества, все еще богатые энергией. Различают несколько основных видов брожения: молочнокислое, спиртовое, уксуснокислое и др. Так, в скелетных мышцах в отсутствие кислорода в ходе брожения пирови­ноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты, при этом образовавшиеся ранее вос­становительные эквиваленты расходуются, и остаются всего две молекулы АТФ:

2С3Н403 + 2НАДН + Н+ → 2С3Н603 + 2НАД.

При брожении с помощью дрожжевых грибов пировиноградная кислота в присутствии кисло­рода превращается в этиловый спирт и оксид углерода (IV):

С3Н403 + Н3Р04 + АДФ + НАДН + Н+ →С2Н5ОН + С02 + АТФ + Н20 + НАД+ .

При брожении с помощью микроорганизмов из пировиноградной кислоты могут образоваться также уксусная, масляная, муравьиная кислоты и др.

АТФ, полученная в результате энергетического обмена, расходуется в клетке на различные виды работы: химическую, осмотическую, электрическую, механическую и регуляторную. Хими­ческая работа заключается в биосинтезе белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и дру­гих жизненно важных соединений. К осмотической работе относят процессы поглощения клеткой и выведения из нее веществ, которые во внеклеточном пространстве находятся в концентраци­ях, больших, чем в самой клетке. Электрическая работа тесно взаимосвязана с осмотической, поскольку именно в результате перемещения заряженных частиц через мембраны формируется заряд мембраны и приобретаются свойства возбудимости и проводимости. Механическая работа сопряжена с движением веществ и структур внутри клетки, а также клетки в целом. К регулятор- ной работе относят все процессы, направленные на координацию процессов в клетке.

Фотосинтез, его значение, космическая роль

Фотосинтезом называют процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических соединений с участием хлорофилла.

В результате фотосинтеза образуется около 150 млрд тонн органического вещества и при­близительно 200 млрд тонн кислорода ежегодно. Этот процесс обеспечивает круговорот углерода в биосфере, не давая накапливаться углекислому газу и препятствуя тем самым возникновению парникового эффекта и перегреву Земли. Образующиеся в результате фотосинтеза органические вещества не расходуются другими организмами полностью, значительная их часть в течение мил­лионов лет образовала залежи полезных ископаемых (каменного и бурого угля, нефти). В послед­нее время в качестве топлива начали использовать также рапсовое масло («биодизель») и спирт, полученный из растительных остатков. Из кислорода под действием электрических разрядов об­разуется озон, который формирует озоновый экран, защищающий все живое на Земле от губи­тельного действия ультрафиолетовых лучей.

Наш соотечественник, выдающийся физиолог растений К. А. Тимирязев (1843-1920) назвал роль фотосинтеза «космической», поскольку он связывает Землю с Солнцем (космосом), обеспечи­вая приток энергии на планету.

Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь

В 1905 году английский физиолог растений Ф. Блэкмен обнаружил, что скорость фотосинтеза не может увеличиваться беспредельно, какой-то фактор ограничивает ее. На основании этого он выдвинул предположение о наличии двух фаз фотосинтеза: световой и темновой. При низкой ин­тенсивности освещения скорость световых реакций возрастает пропорционально нарастанию силы света, и, кроме того, данные реакции не зависят от температуры, поскольку для их протекания не нужны ферменты. Световые реакции протекают на мембранах тилакоид.

Скорость темновых реакций, напротив, возрастает с повышением температуры, однако по достижении температурного порога в 30°С этот рост прекращается, что свидетельствует о фер­ментативном характере указанных превращений, происходящих в строме. Следует отметить, что свет также оказывает на темновые реакции определенное влияние, несмотря на то, что они на­зываются темновыми.

Световая фаза фотосинтеза (рис. 2.44) протекает на мембранах тилакоидов, несущих несколько типов белковых комплексов, основными из которых являются фотосистемы I и II, а также АТФ- синтаза. В состав фотосистем входят пигментные комплексы, в которых, кроме хлорофилла, при­сутствуют и каротиноиды. Каротиноиды улавливают свет в тех областях спектра, в которых этого не делает хлорофилл, а также защищают хлорофилл от разрушения светом высокой интенсивности.

Кроме пигментных комплексов, фотосистемы включают и ряд белков-акцепторов электронов, которые последовательно передают друг другу электроны от молекул хлорифилла. Последователь­ность этих белков называется электронтранспортной цепью хлоропластов.

С фотосистемой II также ассоциирован специальный ком­плекс белков, который обеспечивает выделение кислорода в процессе фотосинтеза. Этот кислородвыделяющий комплекс содержит ионы марганца и хлора.

В световой фазе кванты света, или фотоны, попадающие на молекулы хлорофилла, расположенные на мембранах тилакоидов, переводят их в возбужденное состояние, характеризующе­еся более высокой энергией электронов. При этом возбужден­ные электроны от хлорофилла фотосистемы I передаются через цепь посредников на переносчик водорода НАДФ, присоединя­ющий при этом протоны водорода, всегда имеющиеся в водном растворе:

НАДФ + 2е-+ 2Н+ → НАДФН + Н+.

Восстановленный НАДФН + Н+ будет впоследствии исполь­зован в темновой стадии. Электроны от хлорофилла фотосисте­мы II также передаются по электронтранспортной цепи, однако они заполняют «электронные дырки» хлорофилла фотосистемы I. Недостаток электронов в хло­рофилле фотосистемы II заполняется за счет отнимания у молекул воды, которое происходит с участием уже упоминавшегося выше кислородвыделяющего комплекса. В результате разложе­ния молекул воды, которое называется фотолизом, образуются протоны водорода и выделяется молекулярный кислород, являющийся побочным продуктом фотосинтеза:

Н20 →2Н+ +2е- +1/2О2

Протоны водорода, накопившиеся в полости тилакоида в результате фотолиза воды и нагнета­ния при переносе электронов по электронтранспортной цепи, вытекают из тилакоида через канал в мембранном белке — АТФ-синтазе, при этом из АДФ синтезируется АТФ. Данный процесс на­зывается фотофосфорилированием. Он не требует участия кислорода, однако очень эффективен, так как дает в 30 раз больше АТФ, чем митохондрии в процессе окисления. Образовавшаяся в све­товых реакциях АТФ впоследствии будет использована в темновых реакциях.

Суммарное уравнение реакций световой фазы фотосинтеза можно записать следующим обра­зом:

2Н20 + 2НАДФ + 3АДФ + ЗН3Р04 → 2НАДФН + Н+ + 3АТФ.

В ходе темновых реакций фотосинтеза (рис. 2.45) происходит связывание молекул С02 в виде углеводов, на которое расходуются молекулы АТФ и НАДФН + Н+, синтезированные в световых реакциях:

6С02 + 12 НАДФН + Н+ + 18АТФ→ С6Н1206 + 6Н20 + 12 НАДФ + 18АДФ + 18Н3Р04.

Процесс связывания углекислого газа является сложной цепью превращений, названной ци­клом Кальвина в честь его первооткрывателя. Темновые реакции протекают в строме хлоропластов. Для их протекания необходим постоянный приток углекислого газа извне через устьица, а затем и по системе межклетников.

Первыми в процессе фиксации углекислого газа образуются трехуглеродные сахара, являю­щиеся первичными продуктами фотосинтеза, тогда как образующуюся позже глюкозу, которая расходуется на синтез крахмала и другие процессы жизнедея­тельности, называют конечным продуктом фотосинтеза.

Таким образом, в процессе фотосинтеза энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей сложных ор­ганических соединений не без участия хлорофилла. Суммарное уравнение фотосинтеза можно записать следующим образом:

6С02 + 12Н20 → С6Н1206 + 602 + 6Н20, или

6С02 + 6Н20 →С6Н1206 + 602.

Реакции световой и темновой фаз фотосинтеза взаимосвязаны, так как увеличение скорости лишь одной группы реакций влияет на интенсивность всего процесса фотосинтеза только до опре­деленного момента, пока вторая группа реакций не выступит в роли лимитирующего фактора, и возникает потребность в ускорении реакций второй группы для того, чтобы первые происходили без ограничений.

Световая стадия, протекающая в тилакоидах, обеспечивает запасание энергии для образова­ния АТФ и переносчиков водорода. На второй стадии, темновой, энергетические продукты первой стадии используются для восстановления углекислого газа, и происходит это в компартментах стромы хлоропластов.

На скорость фотосинтеза оказывают влияние различные факторы окружающей среды: осве­щенность, концентрация углекислого газа в атмосфере, температура воздуха и почвы, доступ­ность воды и др.

Для характеристики фотосинтеза используется понятие его продуктивности.

Продуктивность фотосинтеза — это масса синтезируемой за 1 час глюкозы на 1 дм2 листовой поверхности. Этот показатель фотосинтеза максимален при оптимальных условиях.

Фотосинтез присущ не только зеленым растениям, но и многим бактериям, в том числе ци- анобактерям, зеленым и пурпурным бактериям, однако у последних он может иметь некоторые отличия, в частности, при фотосинтезе бактерии могут не выделять кислорода (это не касается цианобактерий).

Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий на Земле

Хемосинтез — это процесс синтеза органических соединений за счет химической энергии не­органических соединений.

Данный процесс был открыт выдающимся русским ученым С.Н. Виноградским в 1887 го­ду. К группе хемосинтетиков (хемотрофов) относятся в основном бактерии: нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии и др. Они используют энергию окисления соединений азота, серы, ионов железа соотвественно. При этом донором электронов выступает не вода, а другие неоргани­ческие вещества.

Так, нитрифицирующие бактерии окисляют образованный из атмосферного азота азотфиксирующими бактериями аммиак до нитритов и нитратов:

2Nh4 +302 → 2HNO2 + 2Н20 + 663 кДж,

2HN02 + 02 →2HN03 + 192 кДж.

Серобактерии окисляют сероводород до серы, а в некоторых случаях и до серной кислоты:

h3S + 02 → 2Н20 + 2S + 272 кДж,

2S + 302 + Н20 → h3S04 + 483 кДж.

Железобактерии окисляют соли железа:

4FeC03 + 02 + 6Н20 →4Fe(OH)3 + 4С02 + 324 кДж.

Водородные бактерии способны окислять молекулярный водород:

2Н2 + 02 → 2Н20 + 235 кДж.

Источником углерода для синтеза органических соединений у всех автотрофных бактерий вы­ступает углекислый газ.

Хемосинтезирующие бактерии наиболее значительную роль играют в биогеохимических цик­лах химических элементов в биосфере, так как в процессе их жизнедеятельности образовались залежи многих полезных ископаемых. Кроме того, они являются источниками органического ве­щества на планете, т. е. продуцентами, а также делают доступным и для растений, и для других организмов целый ряд неорганических веществ.

studfiles.net

3. Обмен веществ в растительной клетке

Основные реакции пластического обмена в растительной клетке: фотосинтез, биосинтез белков. Энергетический обмен включает общий для всех организмов процесс клеточного дыхания.

Фотосинтез – это процесс образования на свету зелеными растениями глюкозы и кислорода из углекислого газа и воды. Впервые в 1871-1875 гг. научное описание процессов фотосинтеза были раскрыты в трудах русского ученого Тимирязева К.А. (1843-1920). Совокупность процессов фотосинтеза можно описать суммарным уравнением:

6СО2 + 6Н2О → С6h22О6 + 6O2

Фотосинтез происходит в хлоропластах. Его оболочка состоит из двух мембран (наружная и внутренняя), внутренняя мембрана образует ламеллы (мембранные полости и трубочки), группы ламелл образуют граны, в строме (внутренняя среда хлоропласта) имеется молекула ДНК и рибосомы.

Мембраны гран хлоропластов содержат зеленый пигмент хлорофилл. В состав молекулы хлорофилла входит магний: C55H72O5N4Mg. Функция хлорофилла – поглощение солнечного света и превращение его в энергию химических связей. От избытка света и окисления кислородом хлорофилл защищают вспомогательные фотосинтетические пигменты: каротиноиды.

Фотосинтез состоит из двух фаз: световой (для ее протекания необходим солнечный свет) и темновой (она может протекать как на свету, так и в темноте).

Световая фаза проходит в гранах хлоропластов, где синтезируются АТФ и НАДФ-Н+ (переносчик водорода). Часть энергия солнечного света запасается в виде АТФ. Другая часть энергии идет на разложение молекулы воды на кислород и водород, водород накапливается в виде молекул НАДФ-Н+.

2h3O + 4 НАДФ-Н → 4 НАДФ-Н+ + 4 е– + O2

Водород необходим для превращения углекислого газа в углевод. Побочным продуктом разложения воды на свету является кислород. Кислорода в процессе фотосинтеза выделяется в 20-30 раз больше по сравнению с поглощением в одновременно идущем дыхании.

Реакции темновой фазы протекают в строме хлоропласта. В темновую фазу фотосинтеза происходит превращение оксида углерода в углевод (глюкозу) с использованием АТФ и НАДФ-Н+.

Значение фотосинтеза: создал и поддерживает газовый состав атмосферы, препятствует увеличению концентрации CO2, за счет образования озона из кислорода защищает живое от коротковолнового УФ-излучения, делает энергию и углерод доступными для гетеротрофных организмов.

За фотосинтезом следует биосинтез. Он протекает на мембранах эндоплазматической сети с помощью ферментных систем. В реакциях биосинтеза принимают участие глюкоза, вода и ионы минеральных веществ (K+, Na+, Ca+2, PO4–3, NН4+, NO3–, NO2–), которые усваиваются корнями растений из почвы. На биосинтез тратится 50% глюкозы, образованной при фотосинтезе. Из этих веществ синтезируются органические соединения: белки, сложные углеводы, липиды.

Синтез белка (трансляция) является самым сложным из биосинтетических процессов. Синтез белка происходит на рибосомах, состоящих из двух субъединиц, образованных белком и рибосомной РНК.

Процесс синтеза белка протекает в пять этапов.

1. Активация аминокислот. Используя энергию АТФ, аминокислоты соединяются с определённой, взаимодействующей только с ними транспортной РНК.

2. Инициация белковой цепи. Информационная РНК, содержащая информацию о данном белке, связывается с рибосомой и транспортной РНК, несущей аминокислоту.

3. Элонгация. Полипептидная цепь удлиняется за счёт последовательного присоединения аминокислот.

4. Терминация – завершения синтеза цепи.

5. Сворачивание и взаимодействие с небелковыми компонентами. Чтобы принять обычную форму и приобрести соответствующие функции, белок должен образовать определённую пространственную конфигурацию. Этому способствует включение в состав белковой молекулы небелковых элементов, например железа в структуру гемоглобина.

Клеточное дыхание – это процесс окисления, в результате, которого энергия, выделяемая при распаде органических веществ (как правило, глюкоза), запасается в виде молекул АТФ. Часть энергии (45%) по второму закону термодинамики рассеивается в виде тепла. Общее уравнение процесса клеточного дыхания:

С6h22О6 + 6O2 → 6СO2 + 6Н2О + 38АТФ

Большинству живых организмов для протекания процессов клеточного дыхания необходим кислород, по этому признаку их относят к аэробам, дыхание соответственно называется аэробным (кислородным). У более древних организмов (бактерий) дыхание может происходить без участия кислорода. Такие организмы относят к анаэробам, а бескислородное дыхание называют анаэробным.

Для большинства клеток животных организмов характерно кислородное дыхание, которое протекает в три этапа.

1-ый подготовительный этап состоит в том, что сложные полимерные органические вещества превращаются в более простые мономеры (белки – в смесь аминокислот, полисахариды – в моносахариды, жиры – в смесь глицерина и жирных кислот). Расщепление происходит в лизосомах, в желудочно-кишечном тракте многоклеточных животных.

2-ой бескислородный этап – гликолиз – ферментативная реакция расщепления глюкозы на две молекулы пировиноградной кислоты. Гликолиз – фаза окисления глюкозы общая для анаэробного и аэробного дыхания. Осуществляется в цитоплазме.

При полном отсутствии кислорода или его недостатке процесс расщепления глюкозы не останавливается на пировиноградной кислоте. Переносчики водорода, при отсутствии кислорода, отдают водород молекуле пировиноградной кислоты восстанавливая ее до молочной кислоты. Образование молочной кислоты происходит в мышечных клетках животных организмов при длительных физических нагрузках.

3-ий кислородный этап представляет собой цепь превращений (три стадии), в результате которых образуются неорганические вещества (СO2 и Н2O). Для его протекания необходимо присутствие кислорода. Кислородный этап клеточного дыхания проходит в митохондриях.

Первая стадия кислородного этапа – окисление пировиноградной кислоты. Осуществляется в матриксе митохондрий.

Вторая стадия кислородного этапа – цикл Кребса – комплекс взаимосвязанных циклических реакций. В результате энергия химических связей накапливается в молекулах переносчиков водорода (НАДН, ФАД*h3) и АТФ. При этом образуется углекислый газ, атомы водорода и электроны.

Третья стадия кислородного этапа – дыхательную цепь – проходит на кристах митохондрий с использованием комплекса ферментов. При этом атом водорода включается в цепь последовательных реакций, конечный результат которых – синтез АТФ и Н2О.

При полном распаде одной молекулы глюкозы до СО2 и Н2О синтезируется 38 молекул АТФ, что соответствует 55%-му усвоению энергии, которая выделяется при полном окислении глюкозы.

studfiles.net

"Пластический обмен у растений. Фотосинтез."

Урок № 24 Тема урока: « Пластический обмен у растений. Фотосинтез». 10 «Б» класс.

Тип урока: изучение и первичного закрепления нового материала.

Задачи урока

Задачи:

Образовательные - изучить механизм световой и темновой фаз фотосинтеза, значение фотосинтеза в природе и жизни человека.

Развивающие - развивать умения извлекать информацию из текста и иллюстраций, выполнять анализ и сравнение. развивать умения работать самостоятельно.

Воспитательные- способствовать воспитанию любознательности, формированию познавательного интереса к изучаемой теме.

Ожидаемый результат

Знание: знают механизм световой, темновой фаз фотосинтеза, роль фотосинтеза в природе.

Умение: умеют сравнивать,анализировать фазы фотосинтеза, формулировать выводы.

Навыки: работают со схемой и текстом учебника.

Ключевые идеи

Фотосинтез – процесс синтеза углеводов. Фазы Фотосинтеза – световая, темновая. Вода – источник кислорода.

Формы работы

фронтальная, групповая

Методы.

Прием – Верим/ Не верим , частично - поисковый, проблемный

Модули

Развития критического мышления. Использование ИКТ. Преподавание и обучение с учетом возрастных особенностей

Этапы урока

Деятельность учителя

Деятельность ученика

1.Организационный момент

Визуальный контроль готовности к уроку "Мы "умные, "мы "внимательные, "мы "старательные, "мы  "отлично "учимся, "всё "у "нас "получится! 

Приветствуют учителя

2.Актуализация знаний

Прием – Верим/ Не верим

1. Пластический обмен веществ - это совокупность реакций биологического синтеза.

2. Пластический обмен веществ – это диссимиляция.

3. Катаболизм - это совокупность реакций расщепления.

4. Глюкоза – основной поставщик энергии.

5. Гликолиз – это кислородное окисление глюкозы.

6. Подготовительный этап происходит в пищеварительной системе.

7. В бескислородном этапе – 36 м АТФ.

8. Кислородное дыхание гораздо эффективнее анаэробного.

9. Из одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.

10. АТФ – основной источник энергии.

11. Гликолизом состоит из 2этапов:бескислородного (анаэробного),

и кислородного (аэробного)

Отвечают на вопросы, дополняют ответы .

3. Сообщение нового

материала.

Сообщение темы и целей урока.

Изучаем пример П.О. у растений - Фотосинтез

I.Стадия вызова.

Ежегодно на планете образуется 150 млн тонн органического вещества.

В атмосферу ежегодно выделяется 200 млн тонн кислорода, который необходим для всех живых организмов.

Из кислорода в верхних слоях атмосферы образуется озон, который защищает всё живое на Земле от губительного действия УФ-лучей

- Благодаря какому процессу это происходит?

- Что необходимо для фотосинтеза?

II. Стадия осмысления

Определение?

Фотосинтез это процесс образования органических веществ из неорганических под действием энергии солнца

состоит из 2 фаз:

1. Световой

2. Темновой

Вопрос: Какие особенности строения хлоропласта ?

Вопрос: Назовите особенности и итоги световой фазы?

Вопрос: Назовите особенности и итоги темновой фазы?

Отвечают – фотосинтез.

Вспоминают строение хлоропласта.

Дают определение – что называют фотосинтезом

Работа в группах:

Параметры для заполнения таблицы - где происходит,

- кто участвует, - какие процессы на данном этапе

- что образуется?

1 группа - строение хлоропласта. Типы питания организмов

2 группа - световая фаза

3 группа - темновая фаза

Группы выходят к доске и отвечают на вопросы.

Ученики заполняют таблицу.

4.Закрепление знаний

Анализирует ответы учащихся, оценивает их деятельность.

Каждой группе предлагается прием « Перепутанные логические цепочки.» восстановить правильный порядок процесса1. Поглощение хлорофиллом квантов света2. Синтез глюкозы

3. Возбуждение хлорофилла и перемещение электронов4. Соединение ионов водорода с переносчиком НАДФ и перемещение в строму хлоропласта5. Включение углекислого газа в цикл Кальвина6. Синтез АТФ7. Восстановление углерода водородом8. Фотолиз воды и образование кислорода

5. Домашнее задание

параграф 26, 27. сообщения по теме: «Генетический код».

Записывают домашнее задание.

6. Рефлексия

.

- Знания полученные на уроке мне необходимы…

- Я получил полезную информацию о том, что…

Делают выводы урока.

Выставляют оценки в дневник.

Сравнение фаз фотосинтеза

Хлорофил, вода, фотон

Углекислый газ, АТФ,

Процессы, происходящие на данном этапе

фотолиз Н2ОН++ОН-

восстановление НАДФ Н2°

синтез АТФ:

цикл Кальвина.

Что образуется?

О2, АТФ, НАФ Н2

Глюкоза, крахмал

План открытого урока.

Тема: «Пластический обмен у растений. Фотосинтез»

10 класс

Учитель биологии : Беляева Елена Евгеньевна.

КГУ «средняя школа имени К. Сатпаева»

г. Каскелен Карасайский район

Алматинская область

infourok.ru

17. Пластический обмен. Фотосинтез. Биология. Общая биология. 10 класс. Базовый уровень

17. Пластический обмен. Фотосинтез

Вспомните!

Какую часть метаболизма называют пластическим обменом?

Какова роль зелёных растений в природе?

В каких органоидах клетки осуществляется фотосинтез?

Любой живой организм – открытая динамичная система, в которой постоянно осуществляются разнообразные процессы. В ходе жизнедеятельности клетки накапливают питательные вещества, образуют новые органоиды, растут, делятся, выполняют свои специфические функции, осуществляя при этом активный синтез органических веществ – пластический обмен и расходуя энергию, запасённую в процессе энергетического обмена. Особенно активно ассимиляция происходит в период роста организма. Но для осуществления процессов биосинтеза наличия одной энергии мало. Нужен ещё материал, из которого организм сможет синтезировать свои органические соединения. Самым важным элементом, необходимым всем живым организмам, является углерод.

Типы питания. В зависимости от способа получения углерода, т. е. по типу питания, все организмы делят на две большие группы: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофные организмы способны самостоятельно синтезировать необходимые органические соединения, используя в качестве источника углерода неорганическое вещество – углекислый газ (СО2). Для этого они используют энергию света (растения и синезелёные водоросли) или энергию, выделяющуюся при окислении неорганических соединений (серобактерии, железобактерии).

Гетеротрофные организмы используют в качестве источника углерода и одновременно источника энергии готовые органические вещества. К гетеротрофам относят всех животных, грибы и большинство бактерий.

Существуют ещё миксотрофные организмы (от греч. mixis – смешение), которые сочетают свойства автотрофов и гетеротрофов. К ним относят, например, эвглену зелёную, способную на свету самостоятельно синтезировать органические вещества, а в темноте – питаться готовыми.

Фотосинтез. Одним из наиболее важных процессов пластического обмена является фотосинтез – образование органических веществ при помощи энергии света. Эта энергия служит основным источником жизни на нашей планете. Зелёные растения и цианобактерии (синезелёные водоросли) используют солнечную энергию, синтезируя с её помощью органические соединения и аккумулируя её таким образом в виде энергии химических связей. Практически всё живое на Земле так или иначе связано с фотосинтезом. Гетеротрофные организмы полностью зависят от автотрофов, которые поставляют им углерод в виде готовых органических соединений. В процессе фотосинтеза выделяется кислород, используемый для дыхания. Все запасы горючих полезных ископаемых на нашей планете образовались органическим путём из остатков растений, живших много миллионов лет назад. Сжигая уголь и нефть, мы используем солнечную энергию, запасённую древними растениями.

Все реакции фотосинтеза осуществляются в специализированных органоидах: у высших растений – в хлоропластах, у водорослей – в хроматофорах, а у цианобактерий – на впячиваниях клеточной мембраны (рис. 55).

Рис. 55. Хлоропласт: А – расположение в клетке; Б – электронная фотография; В – схема строения

Рис. 56. Фотосинтез у высших растений

Суммарное уравнение фотосинтеза можно записать в следующем виде:

В процессе фотосинтеза при участии углекислого газа и воды образуется сахар – глюкоза. Эта реакция протекает за счёт энергии света, которая запасается в химических связях молекулы глюкозы, т. е. во время фотосинтеза происходит преобразование солнечной энергии в химическую (рис. 56). Весь этот процесс можно условно разделить на две фазы – световую и темновую. Рассмотрим, как происходит этот процесс в хлоропластах высших растений.

Световая фаза. Основной пигмент растительной клетки – хлорофилл – находится в мембране тилакоидов гран. Во время световой фазы молекулы хлорофилла поглощают кванты света – фотоны и переходят в неустойчивое возбуждённое состояние. Стремясь вернуться в исходное состояние, они отдают эту избыточную энергию, которая частично переходит в тепловую. Другая часть избыточной энергии запасается в виде АТФ, т. е. накапливается энергия, необходимая для осуществления процессов, протекающих в темновой фазе.

Внутри тилакоидов под действием энергии света происходит фотолиз воды: h3O ? H+ + OH–. Поэтому в водном растворе всегда присутствуют ионы водорода (Н+) и гидроксид-ионы (ОН–). Часть избыточной энергии возбуждённых молекул хлорофилла тратится на превращение ионов Н+ в атомы водорода, которые в строме хлоропласта активно соединяются со сложными органическими веществами – переносчиками водорода.

Оставшиеся ионы ОН– отдают свои электроны молекулам хлорофилла, превращаются в свободные радикалы и взаимодействуют друг с другом, образуя воду и молекулярный кислород:

По сути, кислород, образующийся во время световой фазы, является побочным продуктом фотосинтеза.

Все описанные выше реакции происходят только на свету. Реакции следующей темновой фазы могут осуществляться как на свету, так и в темноте.

Темновая фаза. Во время этой фазы происходит связывание углекислого газа и использование его атомов углерода для синтеза глюкозы. Атомы водорода, необходимые для этой реакции, приносят молекулы-переносчики, присоединившие водород во время световой фазы, а энергию предоставляют молекулы АТФ.

Обе фазы фотосинтеза неразрывно связаны между собой, образуя единый сложный процесс, важнейшим итогом которого является синтез органических соединений – сахаров и выделение молекулярного кислорода.

Большой вклад в изучение процесса фотосинтеза внёс выдающийся русский учёный Климент Аркадьевич Тимирязев. Он впервые доказал, что растения, синтезируя сахара из неорганического вещества – углекислого газа, преобразуют энергию света в энергию химических связей.

Однако ещё раньше, в 1771 г., английский учёный Джозеф Пристли на основании своих наблюдений сделал вывод, что растения улучшают воздух, делая его пригодным для дыхания. Так впервые было определено уникальное значение зелёных растений.

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое ассимиляция?

2. Опишите известные вам типы питания. Какой критерий лежит в разделении организмов на автотрофные и гетеротрофные?

3. Какие организмы называют автотрофными?

4. Почему у зелёных растений в результате фотосинтеза выделяется в атмосферу свободный кислород?

5. Каковы признаки гетеротрофного типа питания? Приведите примеры гетеротрофных организмов.

6. Как вы думаете, почему всё живое на Земле можно назвать «детьми Солнца»?

7. Используя дополнительные источники информации, подготовьте сообщение или презентацию на тему «Хемосинтез и его значение в жизни планеты».

Подумайте! Выполните!

1. Как связаны между собой фотосинтез и проблема обеспечения продовольствием населения Земли?

2. Можно ли считать, что фотосинтез включает в себя одновременно два процесса – ассимиляцию и диссимиляцию? Объясните свою точку зрения.

3. Приведите примеры использования особенностей метаболизма живых организмов в медицине, сельском хозяйстве и других отраслях.

4. Достаточно ли знать, что организм способен выделять кислород, чтобы отнести его к автотрофам? И верно ли обратное утверждение: «Если организм является автотрофом, то он выделяет кислород»?

5. Как особенности метаболизма живых организмов используются в сельском хозяйстве, медицине, микробиологии, биотехнологии? Найдите необходимую информацию, используя дополнительные источники (литература, ресурсы Интернета). Обобщите информацию и представьте её в виде стенда.

Работа с компьютером

Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.

Следующая глава >

bio.wikireading.ru

Реферат - Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь

Обмен веществ (метаболизм) – это совокупность взаимосвязанных процессов синтеза и расщепления химических веществ, происходящих в организме. Биологи разделяют его на пластический (анаболизм ) и энергетический обмены (катаболизм ), которые связаны между собой. Все синтетические процессы нуждаются в веществах и энергии, поставляемых процессами расщепления. Процессы расщепления катализируются ферментами, синтезирующимися в ходе пластического обмена, с использованием продуктов и энергии энергетического обмена.

Для отдельных процессов, происходящих в организмах, используются следующие термины:

Анаболизм (ассимиляция ) – синтез более сложных мономеров из более простых с поглощением и накоплением энергии в виде химических связей в синтезированных веществах.

Катаболизм (диссимиляция ) – распад более сложных мономеров на более простые с освобождением энергии и ее запасанием в виде макроэргических связей АТФ.

Живые существа для своей жизнедеятельности используют световую и химическую энергию. Зеленые растения – автотрофы, – синтезируют органические соединения в процессе фотосинтеза, используя энергию солнечного света. Источником углерода для них является углекислый газ. Многие автотрофные прокариоты добывают энергию в процессе хемосинтеза – окисления неорганических соединений. Для них источником энергии могут быть соединения серы, азота, углерода. Гетеротрофыиспользуют органические источники углерода, т.е. питаются готовыми органическими веществами. Среди растений могут встречаться те, которые питаются смешанным способом (миксотрофно ) – росянка, венерина мухоловка или даже гетеротроф– но – раффлезия. Из представителей одноклеточных животных миксотрофами считаются эвглены зеленые.

Ферменты, их химическая природа, роль в метаболизме. Ферменты – это всегда специфические белки – катализаторы. Термин «специфические» означает, что объект, по отношению к которому этот термин употребляется, имеет неповторимые особенности, свойства, характеристики. Каждый фермент обладает такими особенностями, потому что, как правило, катализирует определенный вид реакций. Ни одна биохимическая реакция в организме не происходит без участия ферментов. Особенности специфичности молекулы фермента объясняются ее строением и свойствами. В молекуле фермента есть активный центр, пространственная конфигурация которого соответствует пространственной конфигурации веществ, с которыми фермент взаимодействует. Узнав свой субстрат, фермент взаимодействует с ним и ускоряет его превращение.

Ферментами катализируются все биохимические реакции. Без их участия скорость этих реакций уменьшилась бы в сотни тысяч раз. В качестве примеров можно привести такие реакции, как участие РНК – полимеразы в синтезе – и‑РНК на ДНК, действие уреазы на мочевину, роль АТФ – синтетазы в синтезе АТФ и другие. Обратите внимание на то, что названия многих ферментов оканчиваются на «аза».

Активность ферментов зависит от температуры, кислотности среды, количества субстрата, с которым он взаимодействует. При повышении температуры активность ферментов увеличивается. Однако происходит это до определенных пределов, т.к. при достаточно высоких температурах белок денатурируется. Среда, в которой могут функционировать ферменты, для каждой группы различна. Есть ферменты, которые активны в кислой или слабокислой среде или в щелочной или слабощелочной среде. В кислой среде активны ферменты желудочного сока у млекопитающих. В слабощелочной среде активны ферменты кишечного сока. Пищеварительный фермент поджелудочной железы активен в щелочной среде. Большинство же ферментов активны в нейтральной среде.

www.ronl.ru

Пластический обмен

Пластический обмен

Фотосинтез. Это процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ. Процесс фотосинтеза обычно описывают уравнением:

Такое преобразование происходит в хлоропластах, где имеются молекулы хлорофиллов, поглощающих световые волны разной длины. Важнейшими из них являются хлорофиллы П700 и П680, поглощающие свет с длиной волны 700 и 680 нм соответственно. Они входит в состав реакционных центров фотосистем I и II.

Процесс фотосинтеза представляет собой цель окислительно-восстановительных реакций, где происходит восстановление углекислого газа до органических веществ. Всю совокупность фотосинтетических реакций принято подразделять на две фазы— световую и темновую. Темновая фаза происходит параллельно световой с использованием продуктов, образованных в световой фазе.

Световая фаза фотосинтеза. Прохождение световой фазы связано с мембранами тилакоидов при участии хлорофилла и других пигментов, фермента АТФ-синтетазы, встроенного в мембрану тилакоидов, и белков-переносчиков.

Для световой фазы фотосинтеза характерно то, что энергия солнечной радиации, поглощенная хлорофиллами, преобразуется сначала в электрохимическую, а затем в энергию макроэрги-ческих связей АТФ. Это достигается путем переноса электронов и ионов водорода с помощью специальных переносчиков через мембрану тилакоидов (рис. 1.18).

Световая фаза фотосинтеза разделяется на фотофизическую и фотохимическую. В фотофизической фазе происходит поглощение квантов света молекулами хлорофиллов П700 (фотосистема I) и П680 (фотосистема II) и переход этих молекул в возбужденное состояние.

В фотохимической фазе обе фотосистемы работают согласованно.

Рис 1.18. Схема фотосинтеза (стрелками показан перенос протонов и электронов).

Фотосистема I. Возбужденная молекула П700 отдает электрон акцептору. От него по системе переносчиков этот электрон попадает на внешнюю сторону тилакоида (обращенную в стро-му). При этом молекула П700 окисляется и П700 превращется в П700+:

Фотосистема II. Возбужденная молекула П680 отдает электрон акцептору. От него по системе переносчиков электрон переходит в фотосистему I и восстанавливает молекулу П700. При этом молекула П70О возвращается в исходное состояние и становится вновь способной поглощать свет и переходить в возбужденное состояние.

Молекула же П680, отдав электрон, превращается в П680+. Для ее восстановления используются электроны, отщепляемые от молекул воды в процессе так называемого фотолиза, или фотоокисления:

Благодаря фотолизу внутри тилакоида накапливаются протоны и образуется молекулярный кислород, который диффундирует в атмосферу. Кислород является побочным продуктом реакций фотосинтеза.

Протоны, образовавшиеся при фотолизе, не могут проникнуть через мембрану тилакоида и накапливаются внутри, создавая Н+-резервуар. Таким образом, по разные стороны мембраны накапливаются протоны и электроны, т. е. возникает электрохимический мембранный потенциал. Когда он достигает величины 200 мВ, протоны проталкиваются силой электрического поля через каналы фермента АТФ-синтетазы, встроенного в мембрану тилакоидов, т. е. начинает работать протонная помпа. На выходе из протонного канала создается высокий уровень энергии, которая используется для фосфорилирования имеющихся в матриксе хлоропластов молекул АДФ:

Перенесенные протоны взаимодействуют с электронами и молекулой НАДФ (кофермент никотинамидадениндинуклеотидфос-фат), образуя комплекс НАДФН + Н+:

Таким образом, активированные световой энергией электроны используются для присоединения атома водорода к его переносчику, т. е. на восстановление НАДФ' в НАДФН + Н+

В конечном итоге в световой фазе фотосинтеза образуются АТФ, НАДФ-восстановленный и кислород, являющийся побочным продуктом фотосинтеза. Полученные АТФ и НАДФ-восстановленный используются в темновой фазе фотосинтеза.

Темновая фаза фотосинтеза. Этот сложный процесс, осуществляемый в строме хлоропластов без непосредственного поглощения света, включает большое количество реакций, приводящих к восстановлению С02 до уровня органических веществ, за счет использования энергии АТФ и НАДФ-Н + Н, синтезированных в световую фазу. Существуют разные пути восстановления. Основным из них является так называемый Сз-путь, или цикл Кальвина. Для синтеза в нем одной молекулы глюкозы необходимо 12 молекул НАДФ-Н + Н+ и 18 молекул АТФ, которые поставляются в результате фотохимических реакций фотосинтеза. СO2 поступа-ет в хлоропласты из атмосферы.

В темновой фазе фотосинтеза, таким образом, энергия мак-роэргических связей АТФ преобразуется в химическую энергию

органических веществ, т. е. энергия как бы консервируется в химических связях органических веществ.

Если реакции световой и темновой фаз объединить, исключив все промежуточные стадии и вещества, то можно получить суммарное уравнение процесса фотосинтеза, которое было приведено в начале параграфа.

Таким образом, фотосинтез —процесс, при котором происходит поглощение электромагнитной энергии Солнца хлорофиллом и вспомогательными пигментами, поглощение углекислого газа из атмосферы, восстановление его в органические соединения и выделение кислорода в атмосферу.

На скорость фотосинтеза оказывают влияние различные факторы окружающей среды: интенсивность падающего света, наличие влаги, минеральных веществ, температура, концентрация С02 и др.

Значение фотосинтеза. Уникальность и общебиологическое значение фотосинтеза определяются тем, что ему обязано своим существованием все живое на нашей планете. Этот процесс является основным источником образования первичных органических веществ, а также единственным источником свободного кислорода на Земле. Из кислорода образовался и поддерживается озоновый слой, защищающий живые организмы от воздействия коротковолновой ультрафиолетовой радиации. Кроме того, благодаря фотосинтезу регулируется содержание С02 в атмосфере.

В изучение процесса фотосинтеза, раскрытие его механизма большой вклад внесли русский ученый К. А. Тимирязев, американский М. Кальвин, австралийские М. Д. Хетч и К. Р. Слэк, а также наши белорусские ученые академики Т. Н. Годнев и А. А. Шлык.

Хемосинтез. Кроме фотосинтеза существует еще одна форма автотрофной ассимиляции — хемосинтез, свойственный некоторым бактериям. В отличие от фотосинтеза при хемосинтезе используется не световая энергия, а энергия, выделенная при окислении некоторых неорганических соединений, например сероводорода, серы, аммиака, водорода, азотистой кислоты, оксидных соединений железа и марганца и др.

Открытие бактериального хемосинтеза принадлежит русскому ученому-микробиологу С. Н. Виноградскому.

Важнейшей группой хемосинтезирующих организмов являются нитрифицирующие бактерии, способные окислять образующийся при гниении органических остатков аммиак до нитрита, а затем и до нитрата:

Азотная кислота, реагируя с минеральными соединениями почвы, превращается в соли азотной кислоты, которые хорошо усваиваются растениями.

Бесцветные серобактерии окисляют сероводород и накапливают в своих клетках серу

:

При недостатке сероводорода бактерии производят дальнейшее окисление накопившейся в них серы до серной кислоты

.

Железобактерии переводят железо Fe2+ в железо Fe3+

:

Водородные бактерии используют в качестве источника энергии реакции окисления молекулярного водорода, а в качестве единственного источника углерода — углекислый газ. Реакция окисления происходит по схеме:

Энергия, выделяемая при окислении указанных выше соединений, используется бактериями-хемосинтетиками для восстановления С02 до органических веществ.

Хемотрофные нитрифицирующие бактерии широко распространены в природе. Они встречаются и в почве, и в разных водоемах. Масштаб осуществляемых ими процессов достаточно велик, поэтому хемосинтетики играют существенную роль в круговороте азота в биосфере.

Серобактерии способствуют постепенному разрушению и выветриванию горных пород вследствие образования ими серной кислоты, являются причиной порчи каменных и металлических сооружений, выщелачивания руд и серных месторождений. Многие виды серобактерий, окисляя до сульфатов различные соединения серы, играют большую роль в процессах очищения промышленных сточных вод.

В результате деятельности некоторых железобактерий вырабатывается Fe(OH)3, скопления которого образуют болотную железную руду. Водородные бактерии используются для получения дешевого пищевого и кормового белка. Кроме того, в природных условиях водородные бактерии участвуют в окислении водорода, который может накапливаться при действии некоторых микроорганизмов, размельчающих органические вещества почвы, донные отложения водоемов и т. д.

Биосинтез белка. Важнейшим анаболическим процессом является синтез белка. Все морфологические и функциональные особенности любой клетки и организма в целом определяются структурой специфических белков, входящих в состав клеток. Способность к синтезу только строго определенных белков является наследственным свойством организмов. Последовательность расположения аминокислот в полипептидной цепи (первичной структуре белка), от которой зависят его биологические свойства, определяется последовательностью нуклеотидов в молекуле ДНК.

Последовательность нуклеотидов в полинуклеотидной цепи специфична для каждой клетки и представляет собой генетичес-кий код, посредством которого записана информация о синтезе белков. Это значит, что в ДНК каждое сообщение закодировано специфической последовательностью из четырех знаков — А, Г, Т, Ц, подобно тому как письменное сообщение кодируется знаками (буквами) алфавита или азбуки Морзе.

Генетический код характеризуется следующими свойствами:

1. Код является триплетным, т. е. каждая аминокислота кодируется известным сочетанием из трех последовательно расположенных нуклеотидов, которое называется триплетом или кодонам. Нетрудно подсчитать, что число возможных комбинаций из четырех нуклеотидов по три составит 64, что более чем достаточно для кодирования 20 аминокислот, входящих в состав белка.
2. Код является множественным, или «вырожденным», т. е. одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (от 2 до 6), в то время как каждый триплет кодирует только одну аминокислоту, например: фенилаланин — AAA, ААГ; изолейцин — ТАА, ТАГ, ТАТ; пролин — ГГА, ГГГ, ГГТ, ГГЦ; серин — АГА, АГГ, АГТ, АГЦ, ТЦА, ТЦГ. Исключение составляют метионин и триптофан, которые кодируются только одним триплетом (ТАЦ и АЦЦ в ДНК и соответственно АУГ и УГГ в РНК).
3. Код является неперекрывающимся, т. е. один и тот же нуклео-тид не может входить одновременно в состав двух соседних триплетов.
4. Код однозначен, т. е. каждый триплет кодирует только одну аминокислоту.
5. Код не имеет знаков препинания. Это значит, что если произойдет выпадение одного нуклеотида, то при считывании его место займет ближайший нуклеотид из соседнего кодона, из-за чего изменится весь порядок считывания. Вместе с тем между генами имеются триплеты, обозначающие прекращение синтеза одной гюлипептидной цепи (в ДНК это АТТ, АТЦ и АЦТ, а в РНК соответственно УАА, УАГ и УГА).
6. Код универсален для всех живых организмов и вирусов: одинаковые триплеты кодируют одинаковые аминокислоты. Это открытие представляет собой серьезный шаг на пути к более глубокому познанию сущности живой материи, ибо универсальность генетического кода свидетельствует о единстве происхождения всех живых организмов.

К настоящему времени расшифрованы триплеты для всех 20 аминокислот, входящих в состав природных белков. Зная порядок расположения триплетов в молекуле ДНК (генетический код), можно установить последовательность расположения аминокислот в белке. В одной молекуле ДНК может быть закодирована последовательность аминокислот для многих белков. Функциональный отрезок молекулы ДНК, несущий в себе информацию о структуре одного белка, называется геном. Различают структурные гены, в которых закодирована информация для синтеза структурных и ферментных белков, и гены с информацией для синтеза тРНК, рРНК.

Итак, план построения белка закодирован в ДНК, которая непосредственного участия в синтезе белковых молекул не принимает.

Процесс биосинтеза белка осуществляется на рибосомах, расположенных преимущественно в цитоплазме. Следовательно, для передачи генетической информации с ядерной ДНК к месту синтеза белка требуется посредник. Таким посредником является иРНК, которая на основе принципа комплементарности синтезируется на одной из цепей молекулы ДНК. Этот процесс получил название транскрипции или переписывания.

Транскрипция происходит не на всей молекуле ДНК одновременно, а лишь на небольшом ее участке, отвечающем определенному гену (рис. 1.19). При этом часть двойной спирали ДНК раскручивается, обнажая короткий участок одной из цепей, который теперь будет служить матрицей для синтеза иРНК. Вдоль этой цепи движется фермент РНК-полимераза, соединяя между собой нуклеотиды в растущую цепь иРНК, последовательность нуклео-тидов которой является точной копией последовательности нук-леотидов матрицы — одного или группы рядом расположенных генов. Так, если в молекуле ДНК имеется азотистое основание цитозин, то в РНК — гуанин, и наоборот. В ДНК комплементарной парой являются аденин и тимин. Однако в состав иРНК вместо тимина входит урацил. Транскрипция может происходить одновременно на нескольких генах одной хромосомы и на генах, расположенных на разных хромосомах.

Рис. 1.19. Схема транскрипции: 1 — РНК-полимераза; 2 — синтезируемая молекула иРНК.

На специальных генах синтезируются и два других типа РНК — тРНК и рРНК. Начало и конец синтеза всех типов РНК на матрице ДНК строго фиксирован специальными триплетами, которые контролируют запуск (инициирующие) и остановку (терминирующие) синтеза РНК. Триплеты выполняют функцию знаков препинания между генами.

Синтезированная в ядре иРНК отделяется от ДНК и через поры ядерной оболочки поступает в цитоплазму, где прикрепляется к рибосоме.

Молекула иРНК может связываться одновременно с несколькими рибосомами. Их число определяется длиной иРНК. Комплекс из иРНК и рибосом (от 5-6 до нескольких десятков) называется полирибосомой или полисомой. Образование полисом повышает эффективность функционирования иРНК за счет того, что одновременно протекает синтез нескольких идентичных полипептидных цепей. Именно на полисомах происходит синтез белка, или трансляция (рис. 1.20).

Рис 1.20. Схема биосинтеза белка: а — рибосома; б — иРНК; в — тРНК; г — образование пептидной связи; д —растущая полипептид ноя цепь.

Трансляция начинается со стартового кодона АУГ. Отсюда молекула иРНК прерывисто, триплет за триплетом продвигается через рибосомы, что сопровождается ростом полипептидной цепочки. Число аминокислот в таком белке равно числу триплетов иРНК.

Выстраивание аминокислот в соответствии с кодонами иРНК осуществляется на рибосомах при помощи тРНК — главных агентов синтеза белка. Благодаря определенному расположению комплементарных нуклеотидов цепочка тРНК имеет форму, напоминающую лист клевера (рис. 1.21). При этом тРНК имеет акцепторный конец, к которому присоединяется активированная энергией АТФ аминокислота.

Активацию аминокислот осуществляют специфичные ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы, т. е. для каждой аминокислоты существует свой фермент. Механизм активации заключается в том, что фермент одновременно взаимодействует с соответствующей аминокислотой и АТФ, которая теряет при этом пирофосфат. Тройной комплекс из фермента, аминокислоты и АТФ называется активированной (богатой энергией) аминокислотой,   которая способна спонтанно образовать пептидную связь, что приводит к синтезу полипептидов. Данный процесс активации — необходимый этап белкового синтеза, поскольку свободные аминокислоты не могут прямо присоединяться к полипептидной цепи.

Рис 1.21. Структура тРНК: а, б, в, г — участки комплементарного соединения; д —участок соединения с аминокислотой; е—антикодон.

В противоположной части молекулы тРНК располагается специфический триплет (антикодон), ответственный за прикрепление по принципу комплементарности к определенному триплету иРНК (кодой).

тРНК с присоединенной к ней активированной аминокислотой антикодоном присоединяется к кодону иРНК. Затем к той же рибосоме прикрепляется вторая тРНК с аминокислотой в соответствии со следующим кодоном. В функциональном центре рибосомы оказываются два триплета (кодона), с которыми взаимодействуют две транспортные РНК. В рибосоме, таким образом, оказались две аминокислоты, между которыми возникает пептидная связь. Первая тРНК, освободившись от аминокислоты, покидает рибосому. Далее к образованному дипептиду аналогичным путем пристраивается третья, четвертая и т. д. аминокислоты, принесенные в рибосому своими тРНК. Процесс продолжается до тех пор, пока в рибосому не попадет один из трех терминирующих кодонов: УАА, УАГ или УГА, — после чего синтез белка прекращается.

Таким образом, последовательность кодонов иРНК определяет последовательность включения аминокислот в цепь белка. После завершения синтеза белка иРНК под действием ферментов распадается на отдельные нуклеотиды.

Таким образом, роль нуклеиновых кислот в биосинтезе белка заключается в преобразовании генетической информации, представленной в виде последовательности нуклеотидов ДНК, в структуру молекулы иРНК, а затем в последовательность аминокислот в молекуле белка. Реакции синтеза иРНК (транскрипция) и белка (трансляция) осуществляются по матрицам (ДНК и иРНК соответственно), поэтому они получили название реакций матричного синтеза.

Каждый этап биосинтеза белка катализируется соответствующими ферментами и снабжается энергией за счет расщепления АТФ. Синтезированные белки поступают в каналы эндоплазма-тической сети, где происходит их дозревание, приобретение вторичной, третичной и четвертичной структур.

Синтез белковых молекул происходит непрерывно и идет с большой скоростью: за 1 мин образуется от 50 до 60 тыс. пептидных связей. Синтез одной молекулы белка длится всего 3—4 с. В результате половина белков тела человека (в среднем в нем около 17 кг белка) обновляется за 80 суток. За всю жизнь в организме человека белки обновляются около 200 раз.

Источник : Н.А. Лемеза Л.В.Камлюк Н.Д. Лисов "Пособие по биологии для поступающих в ВУЗы"

sbio.info

• 
  Питомник растений в волгодонске
• 
  Мифы о происхождении растений
• 
  Манго растение из косточки
• 
  Как рыхлить комнатные растения
• 
  Злаковое растение 8 букв
• 
  Жизненные формы растений реферат
• 
  Газон с хвойными растениями
• 
  Похожее на сельдерей растение
• 
  Эксперт по растениям игорь
• 
  Растения комнатные семейства молочайных
• 
  Пастушья сумка лекарственные растения