Вспомните, что такое фотосинтез. Почему его называют основным процессом, обеспечивающим жизнь на Земле?
Обмен веществ и превращение энергии, или метаболизм (от греч. metabole - перемена, превращение) - это совокупность всех реакций синтеза и распада органических веществ, протекающих в клетке и связанных с выделением или поглощением энергии. Метаболизм складывается из процессов ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция, или пластический обмен, - совокупность реакций синтеза высокомолекулярных органических веществ, сопровождающихся поглощением энергии за счет распада молекул АТФ. Диссимиляция, или энергетический обмен, - совокупность реакций распада и окисления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии и запасанием ее в синтезируемых молекулах АТФ.
Первичный синтез органических веществ. Фотосинтез. Жизнь на Земле зависит от фотосинтеза. Фотосинтез - это процесс синтеза органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды), протекающий за счет энергии света (рис. 44).
Рис. 44. Общая схема взаимосвязи фотосинтеза и дыхания
Общее уравнение фотосинтеза можно представить так:
Энергетически бедные вещества - вода и углекислый газ - при фотосинтезе превращаются в энергетически богатые органические соединения. При этом солнечная энергия аккумулируется в их химических связях. В результате фотосинтеза для биосистем становятся доступными энергия и углерод, из которого строятся все органические вещества. Кроме того, в процессе фотосинтеза в атмосферу выделяется кислород, необходимый для дыхания организмов.
Фотосинтез протекает в две фазы: световую и темновую. Все многообразие реакций, происходящих при этом, можно разделить на две группы:
1) преобразование солнечной энергии и синтез АТФ, фотолиз воды за счет солнечной энергии, выделение свободного кислорода, образование водорода, связывание его с переносчиком - НАДФ+;
2) фиксация углекислого газа, его восстановление водородом, и синтез глюкозы за счет энергии АТФ.
Световая фаза. Первая фаза фотосинтеза носит название световой, так как она протекает под действием квантов света. Реакции световой фазы идут на мембранах тилакоидов (рис. 45).
Рис. 45. Общая схема процессов световой фазы фотосинтеза, протекающая в тилакоиде: 1 — протонный канал; 2 - внутренний резервуар тилакоида
Световая фаза состоит из нескольких параллельно идущих процессов.
1. Возбуждение хлорофилла и перемещение электронов. Под действием солнечной энергии хлорофилл, расположенный на мембране тилакоида, переходит в возбужденное состояние, из него вылетают электроны. Он становится донором электронов и окисляется.
Возбужденные электроны перемещаются по электронно-транспортной цепи ферментов, встроенных в мембрану тилакоидов.
2. Одновременно под действием света происходит фотолиз - разложение молекулы воды с образованием двух протонов 2Н+ и свободного кислорода О2, который выделяется в атмосферу. При этом освобождаются два
электрона, которые поступают на хлорофилл, потерявший свои электроны, и он восстанавливается.
3. За счет энергии возбужденных электронов хлорофилла, которые перемещаются по цепи ферментов, происходит синтез АТФ. Этот процесс называется фосфорилированием и обеспечивается специальным ферментом АТФазой.
(где Фн - неорганический фосфат Н3РО4, Е - энергия).
4. Параллельно с синтезом АТФ идет соединение протонов Н+ с переносчиком НАДФ+ (никотинамида-дениндинуклеотидфосфатом). НАДФ+ является активным компонентом белков-ферментов, ускоряющих окислительно-восстановительные реакции. Это вещество способно легко присоединять протоны Н+ и отдавать их, соответственно окисляя или восстанавливая
субстрат. Молекулы переносчика водорода НАДФ принимают возбужденные электроны хлорофилла и за счет их энергии соединяются с ионами Н+ с образованием НАДФ • 2Н.
Синтез АТФ и НАДФ-2Н сопряжен с переносом возбужденных электронов по электронно-транспортной цепи и протекает параллельно. Энергия света преобразуется в энергию возбужденных электронов, а далее запасается в молекулах АТФ и НАДФ • 2Н.
Суммарная реакция световой фазы:
Темновая фаза. Присоединение (фиксация) углекислого газа происходит в темповую фазу фотосинтеза (рис. 46).
Рис. 46. Общая схема темновых реакций фотосинтеза. Цикл Кальвина
Реакции темновой фазы протекают в строме хлоропластов, куда поступают молекулы НАДФ • 2Н, АТФ из световой фазы и углекислый газ из атмосферы. В результате последовательных циклических реакций синтезируется глюкоза. Реакции этой фазы были описаны американским биохимиком М. Кальвином и получили название цикла Кальвина. Вначале происходит связывание молекул СО2 с промежуточным соединением. Образовавшееся соединение активируется за счет энергии АТФ и восстанавливается водородом за счет НАДФ • 2Н. В результате ряда реакций синтезируется глюкоза.
Освобожденные молекулы АДФ и НАДФ" вновь возвращаются к мембранам тилакоидов для участия в световых реакциях.
Значение фотосинтеза. Фотосинтез - важнейший процесс живой природы. Благодаря ему из неорганических соединений под действием энергии солнечного света синтезируются первичные органические вещества. Они используются организмами для построения клеток, а также в качестве источника энергии для процессов жизнедеятельности. Человечество своим существованием обязано фотосинтезу. Все запасы горючего на Земле и пищи - это продукты фотосинтеза. Фотосинтез служит также в качестве основного источника энергии и сырья для отраслей промышленности (уголь, торф, древесина, растительные волокна). Поглощение углекислого газа и выделение кислорода в процессе фотосинтеза поддерживает газовый состав атмосферы Земли.
Хемосинтез. Процесс синтеза органических веществ из неорганических за счет энергии окисления неорганических веществ называется хемосинтезом.
Хемосинтезирующие организмы - это в основном бактерии. Для синтеза органических веществ они используют энергию химических реакций, освобождаемую при окислении неорганических соединений. В зависимости от того, окисление какого вещества сопровождается выделением энергии, различают азот-фиксирующие бактерии, нитрифицирующие бактерии, железобактерии и серобактерии. Процессы хемосинтеза у них происходят на выростах плазматической мембраны - мезосомах. Источником протонов в этих реакциях служат не только вода, но и другие неорганические вещества, например, сероводород и водород. Высвобождающаяся при этом энергия запасается в молекулах АТФ, а потом используется для синтеза органических веществ.
Хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в биосфере. Они обеспечивают круговорот важнейших химических элементов в природе.
Обмен веществ и превращение энергии (метаболизм ): ассимиляция (пластический обмен), диссимиляция (энергетический обмен); фотосинтез и его фазы: световая, темповая; фотолиз, фосфорилирование, цикл Кальвина; хемосинтез.
1. Что такое метаболизм? Из каких процессов он складывается? 2. В каких органоидах клетки происходит первичный синтез органических веществ? 3. Какую роль в фотосинтезе играет хлорофилл? 4. Как происходит восстановление потерянных хлорофиллом электронов? 5. Как используется энергия возбужденных квантами света электронов? 6. Перечислите основные реакции световой фазы. 7. Какие реакции идут в темновой фазе? 8. Чем реакции хемосинтеза отличаются от фотосинтеза? Какие организмы являются хемосинтетиками?
Сравните световую и темновую фазы фотосинтеза. Заполните таблицу (в тетради).
Фотосинтез и его реакции
