Сообщение на тему обеспечение клеток энергией. Обеспечение клеток энергией. Источники энергии. Какую роль в эволюции организмов выполнила клетка

Стр. 58. Вопросы и задания после §

1. Какие вещества являются основными источниками энергии в клетки?

В качестве основного энергетического материала используются углеводы и жиры. Например, сложный углевод гликоген и жиры – это резервы «топлива» в клетке. Они расходуются клетками после некоторого периоды голодания организма. Например, утром после сна идет активное использование жиров, которые вначале распадаются на глицерин и жирные кислоты. После еды главным источником энергии в клетках служит глюкоза, полученная с пищей.

2. Охарактеризуйте каждый из этапов энергетического обмена.

Энергетический обмен проходит в три этапа: подготовительный бескилородный, кислородный. Подготовительный этап характеризуется тем, что сложные органические вещества в организме расщепляются на мономеры. Все эти процесс протекают под действием ферментов. Так, полученные с пищей белки расщепляются до аминокислот, углеводы – до глюкозы, жиры – до глицерина и жирных кислот. Выделяющаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла в организме, так ее образующееся при этом количество не велико. На примере глюкозы можно рассмотреть второй этап – бескилородный – называется он гликолиз (от греч. «гликис» - сладкий, «лизис» - расщепление). Это сложный ферментативный процесс расщепления глюкозы. Данный процесс протекает в цитоплазме клеток. Из одной молекулы глюкозы (1 моль C6H12O6) образуется две молекулы пировиноградной кислоты ПВК (2C3H4O3) и две молекулы АТФ (2АТФ). Далее если в клетке недостаточно кислорода пировиноградная кислота C3H4O3 превращается в другую органическую кислоты – молочную C3H4O3 (так как они являются изомерами). Следующий этап – кислородный – называется клеточным дыханием и протекает в митохондриях клеток (на кристах, где расположены дыхательные ферменты). По его названию видно, что идет он только при участии кислорода. На этом этапе пировиноградная кислота окисляется молекулярным кислородом О2 до углекислого газа и воды. Энергия, освобождаемая при этом окислении, используется очень эффективно. На каждую молекулу глюкозы образуется 36 молекул АТФ. Таким образом, при расщеплении 1 молекулы (1 моль) глюкозы выделяется 38 АТФ (во втором этапе 2 молекулы и с третьем – 36 молекулы). Эта энергия расходуется на синтез нужных организму веществ, а энергия АТФ преобразуется в различные виды энергии – механическую (движение жгутиков), электрическую (проведение нервного импульса).

3. Почему при интенсивных тренировках у спортсменов учащается дыхание, и появляются боли в мышцах?

При интенсивной физической работе человека в клетки мышечной ткани испытывают кислородное голодание, в этом случае при неполном расщеплении глюкозы ПВК превращается в молочную кислоту. В мышцах накапливается ее избыток, это приводит к болям в мышцах, утомляемости, усталости, отдышке – это признак кислородной недостаточности.

4. Урожай томатов, выращенных в плохо проветриваемых теплицах, оказался не высоким. Объясните, в чем причина.

При выращивании культурных растений в теплицах и парниках нужно помнить, что процесс окисления глюкозы идет до углекислого газа и воды., и при высокой температуре протекает более интенсивно. Кроме того, фотосинтез осуществляют только зеленые клетки растений, а дыхание растений осуществляется во всех клетках. В теплицах температура может достигать до 400С, при этом интенсивность дыхания увеличивается до 100 раз, а интенсивность фотосинтеза нет. Поэтому увеличение органической массы дует незначительным и урожай у таких растений будет невысоким.

5. Объясните значение термином «гликолиз», «клеточное дыхание».

Гликолиз (от греч. «гликис» - сладкий, «лизис» - расщепление) – это сложный ферментативный процесс расщепления глюкозы, протекающий в две стадии – бескислородная и кислородная. Клеточное дыхание – это конечный кислородный этап расщепления глюкозы, протекающий в митохондриях клеток (на кристах, где расположены дыхательные ферменты), идущий в присутствии кислорода.

1. Типы питания живых организмов
2. Фотосинтез
3. Энергетический обмен

1. Жизнедеятельность всех организмов возможна толь­ко при наличии в них энергии. По способу получения энергии все клетки и организмы подразделяются на две группы: автотрофы и гетеротрофы.

Гетеротрофы (греч. heteros - иной, другой и trophe - пища, питание) не способны сами синтезировать орга­нические соединения из неорганических, они нужда­ются в поступлении их из окружающей среды. Орга­нические вещества служат для них не только пищей, но и источником энергии. К гетеротрофам относятся все животные, грибы, большинство бактерий, а также бесхлорофилльные наземные растения и водоросли.

Гетеротрофные организмы по способу получения пи­щи подразделяются на голозойных (животные), захва­тывающих твердые частицы, и осмотрофных (грибы, бактерии), питающихся растворенными веществами.

Многообразные гетеротрофные организмы способны в совокупности разлагать все вещества, которые синте­зируются автотрофами, а также минеральные вещества, синтезированные в результате производственной деятель­ности людей. Гетеротрофные организмы совместно с ав­тотрофами составляют на Земле единую биологическую систему, объединенную трофическими отношениями.

Автотрофы - организмы, питающиеся (т. е. полу­чающие энергию) за счет неорганических соединений это некоторые бактерии и все зеленые растения. Ав­тотрофы разделяются на хемотрофов и фототрофов.

Хемотрофы - организмы, использующие энергию, ос­вобождающуюся при окислительно-восстановительных реакциях. К хемотрофам относятся нитрифицирую­щие (азотфиксирующие) бактерии, серные, водородные (метанобразующие), марганцевые, железообразующие и бактерии, использующие оксид углерода.

Фототрофы - только зеленые растения. Источни­ком энергии для них является свет.

2. Фотосинтез (греч. phos - род. пад. photos - свет и synthesis - соединение) - образование при участии энер­гии света органических веществ клетками зеленых рас­тений, а также некоторыми бактериями, процесс преоб­разования энергии света в химическую. Происходит с помощью пигментов (хлорофилла и некоторых др.) в тилакоидах хлоропластов и хроматофорах клеток. В осно­ве фотосинтеза лежат окислительно-восстановительные реакции, в которых электроны переносятся от донора-восстановителя (вода, водород и др.) к акцептору (лат. acceptor - приемщик) - диоксиду углерода, ацетату с образованием восстановленных соединений - углево­дов и выделением кислорода, если окисляется вода.

Фотосинтезирующие бактерии, использующие иные, чем вода, доноры, кислород не выделяют.

Световые реакции фотосинтеза (вызываемые светом) протекают в гранах тилакоидов хлоропластов.Кванты видимого света (фотоны) взаимодействуют с молекулами хлорофилла, переводя их в возбужденное состояние. Электрон в составе хлорофилла поглощает квант света определенной длины и, как по ступеням, пе­ремещается по цепи переносчиков электронов, теряя энер­гию, которая служит для фосфорилирования АДФ в АТФ. Это очень эффективный процесс: в хлоропластах обра­зуется в 30 раз больше АТФ, чем в митохондриях тех же растений. Так накапливается энергия, необходимая для следующих - темновых реакций фотосинтеза. В каче­стве переносчиков электронов выступают вещества: цитохромы, пластохинон, ферредоксин, флавопротеид, редуктаза и др. Часть возбужденных электронов используется для восстановления НАДФ + в НАДФН. Под действием солнечного света в хлоропластах происходит расщепле­ние воды - фотолиз, при этом образуются электроны, которые возмещают потери их хлорофиллом; в качестве побочного продукта образуется кислород, выделяемый в атмосферу нашей планеты. Это тот кислород, которым дышим мы и который необходим всем аэробным орга­низмам.

В составе хлоропластов высших растений, водорослей и цианобактерий функционируют две фотосистемы раз­ного строения и состава. При поглощении квантов света пигментами (реакционным центром - комплексом хло­рофилла с белком, который поглощает свет с длиной волны 680 нм - Р680) фотосистемы II происходит перенос электронов от воды к промежуточному акцептору и че­рез цепь переносчиков к реакционному центру фотосистемы I. И этой фотосистеме реакционным центром яв­ит пен молекулы хлорофилла в комплексе с особым бел-КОМ, который поглощает свет с длиной волны 700 нм - Р700. В молекулах хлорофилла Ф1 существуют «ды­ры» - незаполненные места электронов, перешедших в ПЛДФН. Эти «дыры» заполняются электронами, образовавшимися в процессе функционирования ФИ. То есть фотосистема II поставляет электроны для фотосистемы I, которые расходуются в ней на восстановление НАДФ + и НАДФН. По пути движения возбужденных светом электронов фотосистемы II к конечному акцептору - хлорофиллу фотосистемы I происходит фосфорилирование АДФ в богатую энергией АТФ. Таким образом, энер­гия света запасается в молекулах АТФ и расходуется далее для синтеза углеводов, белков, нуклеиновых кис­лот и иных жизненных процессов растений, а через них и жизнедеятельности всех организмов, питающихся рас­тениями.

Темновые реакции, или реакции фиксации углеро­да, не связанные со светом, осуществляются в строме хло­ропластов. Ключевое место в них занимает фиксация углекислоты и превращение углерода в углеводы. Эти реакции носят циклический характер, так как часть промежуточных углеводов претерпевает процесс кон­денсации и перестроек до рибулозодифосфата - пер­вичного акцептора С0 2 , что обеспечивает непрерывную работу цикла. Впервые этот процесс описал американ­ский биохимик Мэлвин Кальвин

Превращение неорганического соединения С0 2 в ор­ганические соединения - углеводы, в химических свя­зях которых запасается солнечная энергия, происходит с помощью сложного фермента - рибулозо-1,5-дифосфат-карбоксилазы. Он обеспечивает присоединение одной мо­лекулы С0 2 к пятиуглеродному рибулозо-1,5-дифосфату, в результате чего образуется шестиуглеродное промежу­точное короткоживущее соединение. Это соединение вследствие гидролиза распадается на две трехуглеродные молекулы фосфоглицериновой кислоты, которая вос­станавливается с использованием АТФ и НАДФН до трехуглеродных сахаров (триозофосфатов). Из них и об­разуется конечный продукт фотосинтеза - глюкоза.

Часть триозофосфатов, пройдя процессы конденса­ций и перестроек, превращаясь сначала в рибулозомонофосфат, а затем и в рибулозодифосфат, включается снова в непрерывный цикл создания молекул глюкозы. Глюкоза может ферментативно полимеризоваться в

крахмал и целлюлозу - опорный полисахарид растений.

Особенностью фотосинтеза некоторых растений (са­харного тростника, кукурузы, амаранта) является пер­воначальное превращение углерода через четырехуглеродные соединения. Такие растения получили индекс С 4 -растения, а фотосинтез в них метаболизм уг­лерода. С 4 -растения привлекают внимание исследова­телей высокой фотосинтетической продуктивностью.

Пути повышения продуктивности сельскохозяйст­венных растений:

Достаточное минеральное питание, которое может обеспечивать наилучший ход обменных процессов;

Более полная освещенность, которая может быть достигнута с помощью определенных норм посева рас­тений с учетом потребления света светолюбивыми и теневыносливыми;

Нормальное количество углекислого газа в возду­хе (при увеличении его содержания нарушается процесс дыхания растений, который связан с фотосинтезом);

Увлажненность почвы, соответствующая потреб­ностям растений во влаге, зависящая от климатиче­ских и агротехнических условий.

Значение фотосинтеза в природе.

В результате фотосинтеза на Земле ежегодно образу­ется 150 млрд. т органического вещества и выделяется примерно 200 млрд. т свободного кислорода. Фотосинтез не только обеспечивает и поддерживает современный состав атмосферы Земли, необходимый для жизни ее обитателей, но и препятствует увеличению концентра­ции С0 2 в атмосфере, предотвращая перегрев нашей планеты (из-за так называемого парникового эффекта). Кислород, выделяемый при фотосинтезе, необходим для дыхания организмов и защиты их от губительного ко­ротковолнового ультрафиолетового излучения.

Хемосинтез (позднегреч. chemeta - химия и греч. synthesis - соединение) - автотрофный процесс со­здания органического вещества бактериями, не содер­жащими хлорофилл. Осуществляется хемосинтез за счет окисления неорганических соединений: водоро­да, сероводорода, аммиака, оксида железа (II) и др. Ус­воение С0 2 протекает, как и при фотосинтезе (цикл Кальвина), за исключением метанобразующих, гомо-ацетатных бактерий. Энергия, получаемая при окис­лении, запасается в бактериях в форме АТФ.

Хемосинтезирующим бактериям принадлежит ис­ключительно важная роль в биогеохимических цик­лах химических элементов в биосфере. Жизнедеятель­ность нитрифицирующих бактерий представляет собой один из важнейших факторов плодородия почвы. Хемосинтезирующие бактерии окисляют соединения же­леза, марганца, серы и др.

Хемосинтез открыт русским микробиологом Сер­геем Николаевичем Виноградским (1856-1953) в 1887 г.

3. Энергетический обмен

Три этапа энергетического обмена осуществляются при участии специальных ферментов в различных уча­стках клеток и организмов.

Первый этап - подготовительный - протекает (у животных в органах пищеварения) под действием ферментов, расщепляющих молекулы ди- и полисахаридом, жиров, белков, нуклеиновых кислот на более мелкие молекулы: глюкозы, глицерина и жирных кислот, аминокислот, нуклеотидов. При этом выделяется небольшое количество энергии, рассеивающейся в виде тепла.

Второй этап - бескислородный, или неполного окисления. Он называется также анаэробным дыханием (брожением), или гликолизом. Ферменты гликолиза локализованы в жидкой части цитоплазмы - гиалоплазме. Расщеплению подвергается глюкоза, каждая молен у in которой ступенчато расщепляется и окисляется при участии ферментов до двух трехуглеродных молекул пировиноградной кислоты СН 3 - СО - СООН, где СООН карбоксильная группа, характерная для органических кислот.

В этом превращении глюкозы последовательно участвуют девять ферментов. В процессе гликолиза про исходит окисление молекул глюкозы, т. е. теряются атомы водорода. Акцептором водорода (и электроном) в этих реакциях служат молекулы никотинамидаде ниндинуклеотида (НАД +), которые похожи по струн туре на НАДФ + и отличаются только отсутствием остатка фосфорной кислоты в молекуле рибозы. При восстановлении пировиноградной кислоты за счет восстановленного НАД возникает конечный продукт гликолиза - молочная кислота. В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АТФ.

В суммарном виде этот процесс выглядит так:

С 6 Н 12 О 6 +2Н 3 Р0 4 +2АДФ = 2С 3 Н 6 0 3 +2АТФ + 2Н 2 0.

У дрожжевых грибов молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и ди­оксид углерода (спиртовое брожение):

С 6 Н 12 О 6 +2Н 3 Р0 4 +2АДФ - 2С 2 Н б 0Н+2С0 2 +2АТФ+2Н 2 О.

У некоторых микроорганизмов расщепление глю­козы без кислорода может завершиться образованием уксусной кислоты, ацетона и др. При этом во всех случаях распад одной молекулы глюкозы сопровожда­ется образованием двух молекул АТФ, в макроэргических связях которой сохраняется 40% энергии, осталь­ная рассеивается в виде теплоты.

Третий этап энергетического обмена (стадия кисло­родного расщепления, или стадия аэробного дыхания) осуществляется в митохондриях. Этот этап связан с матриксом митохондрий и внутренней мембраной; в нем участвуют ферменты, представляющие собой фермен­тативный кольцевой «конвейер», названный циклом Кребса, по имени ученого, который его открыл. Еще этот сложный и длительный путь работы многих фер­ментов называют циклом трикарбоновых кислот.

Попадая в митохондрию, пировиноградная кислота (ПВК) окисляется и превращается в богатое энергией вещество - ацетилкофермент А, или сокращенно ацетил-КоА. В цикле Кребса молекулы ацетил-КоА по­ступают из разных энергетических источников. В про­цессе окисления ПВК восстанавливаются акцепторы электронов НАД + в НАД-Н и происходит восстановле­ние акцепторов еще одного типа - ФАД в ФАДН 2 (ФАД - это флавинадениндинуклеотид). Энергия, за­пасенная в этих молекулах, используется для синтеза АТФ - универсального биологического аккумулято­ра энергии. В ходе стадии аэробного дыхания элект­роны от НАД-Н и ФАДН 2 перемещаются по многосту­пенчатой цепи их переноса к конечному акцептору электронов - молекулярному кислороду. В переносе участвуют несколько переносчиков электронов: кофермент Q, цитохромы и, самое главное, кислород. При пере­ходе электронов со ступени на ступень дыхательного кон­вейера освобождается энергия, которая расходуется на синтез АТФ. Внутри митохондрий катионы Н + , соеди­няясь с анионами О 2 ~, образуют воду. В цикле Кребса образуется С0 2 , и в цепи переноса электронов - вода. При этом одна молекула глюкозы, полностью окисля­ясь при доступе кислорода до С0 2 и Н 2 0, способствует образованию 38 молекул АТФ. Из вышесказанного следует, что основную роль в обеспечении клетки энергией играет кислородное расщепление органических веществ, или аэробное ды­хание. При дефиците кислорода или полном его от­сутствии происходит бескислородное, анаэробное, рас­щепление органических веществ; энергии такого процесса хватает только на создание двух молекул АТФ. Благодаря этому живые существа могут корот­кое время обходиться без кислорода.

Живой клетке внутренне присуща неустойчивая и почти неправдоподобная организация; клетка способна сохранять весьма специфичную и прекрасную в своей сложности упорядоченность своей хрупкой структуры только благодаря непрерывному потреблению энергии.

Как только поступление энергии прекращается, сложная структура клетки распадается и она переходит в неупорядоченное и лишенное организации состояние. Помимо обеспечения химических процессов, необходимых для поддержания целостности клетки, в различных типах клеток за счет превращения энергии обеспечивается осуществление разнообразных механических, электрических, химических и осмотических процессов, связанных с жизнедеятельностью организма.

Научившись в сравнительно недавнее время извлекать энергию, заключенную в различных неживых источниках, для выполнения различной работы, человек начал постигать, как мастерски и с какой высокой эффективностью производит превращение энергии клетка. Превращение энергии в живой клетке подчиняется тем же самым законам термодинамики, которые действуют в неживой природе. Согласно первому закону термодинамики, общая энергия замкнутой системы при любом физическом изменении всегда остается постоянной. Согласно второму закону, энергия может существовать в двух формах: в форме «свободной», или полезной, энергии и в форме бесполезной рассеиваемой энергии. Тот же закон утверждает, что при любом физическом изменении наблюдается тенденция к рассеянию энергии, т. е. к уменьшению количества свободной энергии и к возрастанию энтропии. Между тем живая клетка нуждается в постоянном притоке свободной энергии.

Инженер получает необходимую ему энергию главным образом за счет энергии химических связей, заключенной в горючем. Сжигая горючее, он превращает химическую энергию в тепловую; затем он может использовать тепловую энергию для вращения, например, паровой турбины и таким путем получить электрическую энергию. Клетки также получают свободную энергию за счет освобождения энергии химических связей, заключенной в «горючем». Энергия запасается в этих связях теми клетками, которые синтезируют питательные вещества, служащие таким горючим. Однако клетки используют эту энергию весьма специфическим «образом. Поскольку температура, при которой живая клетка функционирует, примерно постоянна, клетка не может использовать тепловую энергию, чтобы производить работу. Для того чтобы за счет тепловой энергии могла происходить работа, теплота должна переходить от более нагретого тела к менее нагретому. Совершенно ясно, что клетка не может сжигать свое горючее при температуре сгорания угля (900°); не может она также выдержать воздействие перегретым паром или током высокого напряжения. Клетке приходится добывать и использовать энергию в условиях довольно постоянной и притом низкой температуры, разбавленной йодной среды и весьма незначительных колебаний концентрации водородных ионов. Для того чтобы приобрести возможность получать энергию, клетка на протяжении многовековой эволюции органического мира совершенствовала свои замечательные молекулярные механизмы, которые необыкновенно эффективно действуют в этих мягких условиях.

Механизмы клетки, обеспечивающие извлечение энергии, делятся на два класса, и на основании различия в этих механизмах все клетки можно разбить на два основных типа. Клетки первого типа называют гетеротрофными; к ним относятся все клетки организма человека и клетки всех высших животных. Этим клеткам необходим постоянный приток готового горючего весьма сложного химического состава. Таким горючим служат для них углеводы, белки и жиры, т. е. отдельные составные части других клеток и тканей. Гетеротрофные клетки получают энергию, сжигая или окисляя эти сложные вещества (вырабатываемые другими клетками) в процессе, который называется дыханием и в котором участвует молекулярный кислород (О 2) атмосферы. Гетеротрофные клетки используют эту энергию для выполнения своих биологических функций, выделяя при этом в атмосферу двуокись углерода в качестве конечного продукта.

Клетки, принадлежащие ко второму типу, называют автотрофными. Наиболее типичные автотрофные клетки - это клетки зеленых растений. В процессе фотосинтеза они связывают энергию солнечного света, используя ее для своих нужд. Кроме того, они при помощи солнечной энергии добывают углерод из атмосферной двуокиси углерода и используют его для построения простейшей органической молекулы - молекулы глюкозы. Из глюкозы клетки зеленых растений и других организмов создают более сложные молекулы, входящие в их состав. Чтобы обеспечить необходимую для этого энергию, клетки в процессе дыхания сжигают часть имеющегося в их распоряжении сырья. Из этого описания циклических превращений энергии в клетке становится ясно, что все живые организмы в конечном счете получают энергию от солнечного света, причем растительные клетки получают ее непосредственно от солнца, а животные - косвенным путем.

Изучение основных поставленных в этой статье вопросов упирается в необходимость подробного описания первичного механизма извлечения энергии, используемого клеткой. Большая часть ступеней сложных циклов дыхания и фотосинтеза уже исследована. Установлено, в каком именно органе клетки происходит тот или иной процесс. Дыхание осуществляется митохондриями, имеющимися в большом числе почти во всех клетках; фотосинтез обеспечивают хлоропласты - цитоплазматические структуры, содержащиеся в клетках зеленых растений. Молекулярные механизмы, которые находятся в этих клеточных образованиях, составляя их структуру и обеспечивая выполнение их функций, представляют собой следующий важный этап в изучении клетки.

Одни и те же хорошо изученные молекулы - молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) - переносят полученную за счет питательных веществ или солнечного света свободную энергию от центров дыхания или фотосинтеза во все участки клетки, обеспечивая осуществление всех процессов, протекающих с потреблением энергии. Впервые АТФ был выделен из мышечной ткани Ломаном около 30 лет назад. Молекула АТФ содержит три связанные между собой фосфатные группы. В пробирке концевую группу можно отделить от молекулы АТФ путем реакции гидролиза, в результате которой получается аденозиндифосфат (АДФ) и неорганический фосфат. В процессе этой реакции свободная энергия молекулы АТФ превращается в тепловую энергию, а энтропия при этом в соответствии со вторым законом термодинамики возрастает. В клетке, однако, концевая фосфатная группа в процессе гидролиза не просто отделяется, но переносится на особую молекулу, служащую акцептором. Значительная часть свободной энергии молекулы АТФ при этом сохраняется благодаря фосфорилированию молекулы-акцептора, которая теперь за счет возросшей энергии приобретает возможность участвовать в процессах, протекающих с потреблением энергии, например, в процессах биосинтеза или мышечного сокращения. После отщепления одной фосфатной группы в процессе этой сопряженной реакции АТФ превращается в АДФ. В термодинамике клетки АТФ можно рассматривать как богатую энергией, или «заряженную», форму носителя энергии (аденозинфосфата), а АДФ - как бедную энергией, или «разряженную», форму.

Вторичная «зарядка» носителя производится, конечно, тем или другим из двух механизмов, участвующих в извлечении энергии. В процессе дыхания животных клеток энергия, заключенная в питательных веществах, освобождается в результате окисления и расходуется на построение АТФ из АДФ и фосфата. При фотосинтезе в растительных клетках энергия солнечного света превращается в химическую энергию и расходуется на «зарядку» аденозинфосфата, т. е. на образование АТФ.

Эксперименты с использованием радиоактивного изотопа фосфора (Р 32) показали, что неорганический фосфат с большой скоростью включается в концевую фосфатную группу АТФ и вновь выходит из нее. В клетке почки обновление концевой фосфатной группы происходит так быстро, что ее период полупревращения занимает меньше 1 минуты; это соответствует чрезвычайно интенсивному обмену энергии в клетках этого органа. Следует добавить, что деятельность АТФ в живой клетке - отнюдь не черная магия. Химикам известны многие аналогичные реакции, при помощи которых происходит перенос химической энергии в неживых системах. Сравнительно сложная структура АТФ, по-видимому, возникла только в клетке - для обеспечения наиболее эффективной регуляции химических реакций, связанных с переносом энергии.

Роль АТФ в фотосинтезе удалось выяснить лишь недавно. Это открытие позволило в значительной мере объяснить, каким образом фотосинтезирующие клетки в процессе синтеза углеводов связывают солнечную энергию - первичный источник энергии всех живых существ.

Энергия солнечного света передается в виде фотонов, или квантов; свет различной окраски, или разной длины волны, характеризуется различной энергией. При падении света на некоторые металлические поверхности и поглощении его этими поверхностями фотоны в результате столкновения с электронами металла передают им свою энергию. Этот фотоэлектрический эффект можно измерить благодаря возникающему при этом электрическому току. В клетках зеленых растений солнечный свет с определенными длинами волн поглощается зеленым пигментом - хлорофиллом. Поглощенная энергия переводит электроны в сложной молекуле хлорофилла с основного энергетического уровня на более высокий уровень. Подобные «возбужденные» электроны стремятся вновь возвратиться на свой основной стабильный энергетический уровень, отдавая при этом поглощенную ими энергию. В чистом препарате хлорофилла, выделенного из клетки, поглощенная энергия вновь испускается в форме видимого света, аналогично тому, как это происходит в случае других фосфоресцирующих или флуоресцирующих органических и неорганических соединений.

Таким образом, хлорофилл, находясь в пробирке, сам по себе не способен запасать или использовать энергию света; энергия эта быстро рассеивается, как если бы произошло короткое замыкание. Однако в клетке хлорофилл стерически связан с другими специфическими молекулами; поэтому, когда он под влиянием поглощения света приходит в возбужденное состояние, «горячие», или богатые энергией, электроны не возвращаются в свое нормальное (невозбужденное) энергетическое состояние; вместо этого электроны отрываются от молекулы хлорофилла и переносятся молекулами - переносчиками электронов, которые передают их друг другу по замкнутой цепи реакций. Проделывая этот путь вне молекулы хлорофилла, возбужденные электроны постепенно отдают свою энергию и возвращаются на свои прежние места в молекуле хлорофилла, которая после этого оказывается готовой к поглощению второго фотона. Тем временем энергия, отданная электронами, используется на образование АТФ из АДФ и фосфата - иными словами, на «зарядку» аденозинфосфатной системы фотосинтезирующей клетки.

Переносчики электронов, служащие посредниками в этом процессе фотосинтетического фосфорилирования, еще не вполне установлены. Один из таких переносчиков, по-видимому, содержит рибофлавин (витамин В 2) и витамин К. Другие предварительно отнесены к цитохромам (белки, содержащие атомы железа, окруженные порфириновыми группами, которые по расположению и строению напоминают порфирин самого хлорофилла). По крайней мере два из этих переносчиков электронов способны обеспечить связывание части переносимой ими энергии для восстановления АТФ из АДФ.

Такова основная схема превращения энергии света в энергию фосфатных связей АТФ, разработанная Д. Арноном и другими учеными.

Однако в процессе фотосинтеза происходит, помимо связывания солнечной энергии, еще и синтез углеводов. В настоящее время полагают, что некоторые из «горячих» электронов возбужденной молекулы хлорофилла вместе с ионами водорода, происходящими из воды, вызывают восстановление (т. е. получение дополнительных электронов или атомов водорода) одного из переносчиков электронов - трифосфопиридиннуклеотида (ТПН, в восстановленной форме ТПН-Н).

В процессе ряда темновых реакций, названных так потому, что они могут происходить в отсутствие света, ТПН-Н вызывает восстановление двуокиси углерода до углевода. Большую часть необходимой для этих реакций энергии доставляет АТФ. Характер этих темновых реакций исследован главным образом М. Кальвином и его сотрудниками. Одним из побочных продуктов первоначального фотовосстановления ТПН служит ион гидроксила (ОН —). Хотя мы еще не располагаем полными данными, предполагается, что этот ион отдает свой электрон одному из цитохромов в цепи фотосинтетических реакций, конечным продуктом которых оказывается молекулярный кислород. Электроны движутся по цепи переносчиков, внося свой энергетический вклад в образование АТФ, и, в конце концов растратив всю свою избыточную энергию, попадают в молекулу хлорофилла.

Как и следовало ожидать на основании строго закономерного и последовательного Характера процесса фотосинтеза, молекулы хлорофилла расположены в хлоропластах не беспорядочно и, уж конечно, не просто суспендированы в наполняющей хлоропласты жидкости. Напротив, молекулы хлорофилла образуют в хлоропластах упорядоченные структуры - граны, между которыми располагается разделяющее их переплетение волокон или мембран. Внутри каждой граны плоские молекулы хлорофилла лежат стопками; каждую молекулу можно считать аналогичной отдельной пластинке (электроду) элемента, граны - элементам, а совокупность гран (т. е. весь хлоропласт) - электрической батарее.

Хлоропласты содержат также все те специализированные молекулы - переносчики электронов, которые вместе с хлорофиллом участвуют в извлечении энергии из «горячих» электронов и используют эту энергию для синтеза углеводов. Извлеченные из клетки хлоропласты могут осуществлять весь сложнейший процесс фотосинтеза.

Эффективность этих миниатюрных фабрик, работающих на солнечной энергии, поразительна. В лаборатории при соблюдении некоторых специальных условий можно показать, что в процессе фотосинтеза до 75% света, падающего на молекулу хлорофилла, превращается в химическую энергию; правда, цифру эту нельзя считать вполне точной, и по этому поводу еще происходят дебаты. В поле вследствие неодинаковой освещенности листьев солнцем, а также по ряду других причин эффективность использования солнечной энергии гораздо ниже - порядка нескольких процентов.

Таким образом, молекула глюкозы, представляющая собой конечный продукт фотосинтеза, должна содержать довольно значительное количество солнечной энергии, заключенной в ее молекулярной конфигурации. В процессе дыхания гетеротрофные клетки извлекают эту энергию, постепенно расщепляя молекулу глюкозы, с тем чтобы «законсервировать» содержавшуюся в ней энергию во вновь образующихся фосфатных связях АТФ.

Существуют разные типы гетеротрофных клеток. Одни клетки (например, некоторые морские микроорганизмы) могут жить без кислорода; другим (например, клеткам мозга) кислород абсолютно необходим; третьи (например, мышечные клетки) более разносторонни и способны функционировать как при наличии кислорода в среде, так и при его отсутствии. Кроме того, хотя большинство клеток предпочитает использовать в качестве основного горючего глюкозу, некоторые из них могут существовать исключительно за счет аминокислот или жирных кислот (главным сырьем для синтеза которых служит все та же глюкоза). Тем не менее расщепление молекулы глюкозы в клетках печени можно считать примером процесса получения энергии, типичным для большинства известных нам гетеротрофов.

Общее количество энергии, содержащейся в молекуле глюкозы, определить весьма просто. Сжигая определенное количество (пробу) глюкозы в лаборатории, можно показать, что при окислении молекулы глюкозы образуется 6 молекул воды и 6 молекул двуокиси углерода, причем реакция сопровождается выделением энергии в виде тепла (примерно 690 000 калорий на 1 грамм-молекулу, т. е. на 180 граммов глюкозы). Энергия в форме тепла, конечно, бесполезна для клетки, которая функционирует при практически постоянной температуре. Постепенное окисление глюкозы в процессе дыхания происходит, однако, таким образом, что большая часть свободной энергии молекулы глюкозы сохраняется в удобной для клетки форме.

В итоге клетка получает более 50% всей освободившейся при окислении энергии в форме энергии фосфатных связей. Такой высокий к. п. д. выгодно отличается от того, который обычно достигается в технике, где редко удается превратить в механическую или электрическую энергию более одной трети тепловой энергии, получаемой при сгорании топлива.

Процесс окисления глюкозы в клетке делится на две основные фазы. Во время первой, или подготовительной, фазы, называемой гликолизом, происходит расщепление шестиуглеродной молекулы глюкозы на две трехуглеродные молекулы молочной кислоты. Этот, казалось бы, простой процесс состоит не из одной, а по меньшей мере из 11 ступеней, причем каждая ступень катализируется своим особым ферментом. Может показаться, что сложность этой операции противоречит афоризму Ньютона «Natura entm simplex esi» («природа проста»); однако следует помнить, что назначение этой реакции заключается не в том, чтобы просто расщепить молекулу глюкозы пополам, а в том, чтобы выделить из этой молекулы заключенную в ней энергию. Каждый из промежуточных продуктов содержит фосфатные группы, и в итоге в процессе реакции используются две молекулы АДФ и две фосфатные группы. В конечном счете в результате расщепления глюкозы образуется не только две молекулы молочной кислоты, но, кроме того, еще и две новые молекулы АТФ.

К чему это приводит в энергетическом выражении? Термодинамические уравнения показывают, что при расщеплении одной грамм-молекулы глюкозы с образованием молочной кислоты выделяется 56 000 калорий. Поскольку при образовании каждой грамм-молекулы АТФ связывается 10000 калорий, эффективность процесса улавливания энергии составляет на этой ступени около 36 % - весьма внушительная цифра, если исходить из того, с чем обычно приходится иметь дело в технике. Однако эти 20 000 калорий, превращенные в энергию фосфатных связей, представляют собой лишь ничтожную часть (около 3%) всей энергии, заключенной в грамм-молекуле глюкозы (690 000 калорий). Между тем многие клетки, например, анаэробные клетки или мышечные клетки, находящиеся в состоянии активности (и в это время неспособные к дыханию), существуют за счет этого ничтожного по своей эффективности использования энергии.

После расщепления глюкозы до молочной кислоты аэробные клетки продолжают извлекать большую часть оставшейся энергии в процессе дыхания, во время которого трехуглеродные молекулы молочной кислоты расщепляются на одноуглеродные молекулы двуокиси углерода. Молочная кислота, или, вернее, ее окисленная форма - пировиноградная кислота, претерпевает еще более сложный ряд реакций, причем каждая из этих реакций опять-таки катализируется особой ферментной системой. Сначала трехуглеродное соединение распадается с образованием активированной формы уксусной кислоты (ацетилкофермента А) и двуокиси углерода. Затем «двухуглеродный фрагмент» (ацетилкофермент А) соединяется с четырехуглеродным соединением, щавелевоуксусной кислотой, в результате чего получается лимонная кислота, содержащая шесть атомов углерода. Лимонная кислота в процессе ряда реакций вновь превращается в щавелевоуксусную кислоту, и три углеродных атома пировиноградной кислоты, «поданные» в этот цикл реакций, в конечном счете дают молекулы двуокиси углерода. Эта «мельница», которая «перемалывает» (окисляет) не только глюкозу, но также молекулы жиров и аминокислот, предварительно расщепленные до уксусной кислоты, известна под названием цикла Кребса или цикла лимонной кислоты.

Впервые цикл был описан Г. Кребсом в 1937 г. Открытие это представляет собой один из краеугольных камней современной биохимии, и его автор был удостоен в 1953 г. Нобелевской премии.

Цикл Кребса позволяет проследить окисление молочной кислоты до двуокиси углерода; однако одним этим циклом нельзя объяснить, каким образом заключенные в молекуле молочной кислоты большие количества энергии удается извлечь в форме, пригодной для использования в живой клетке. Этот процесс извлечения энергии, сопровождающий цикл Кребса, в последние годы интенсивно изучается. Общая картина более или менее выяснилась, однако многие детали еще предстоит исследовать. По-видимому, в течение цикла Кребса электроны при участии ферментов отрываются от промежуточных продуктов и передаются по ряду молекул-переносчиков, объединяемых под общим названием дыхательной цепи. Эта цепь ферментных молекул представляет собой конечный общий путь всех электронов, отторгнутых от молекул питательных веществ в процессе биологического окисления. В последнем звене этой цепи электроны в конце концов соединяются с кислородом и образуется вода. Таким образом, распад питательных веществ при дыхании представляет собой процесс, обратный процессу фотосинтеза, при котором удаление электронов из воды приводит к образованию кислорода. Более того, переносчики электронов в дыхательной цепи химически весьма сходны с соответствующими переносчиками, участвующими в процессе фотосинтеза. Среди них имеются, например, рибофлавиновые и цитохромные структуры, сходные с аналогичными структурами хлоропласта. Тем самым подтверждается афоризм Ньютона о простоте природы.

Как и при фотосинтезе, энергия электронов, переходящих по этой цепи к кислороду, улавливается и используется для синтеза АТФ из АДФ и фосфата. Собственно говоря, это происходящее в дыхательной цепи фосфорилирование (окислительное фосфорилирование) изучено лучше, чем фосфорилирование, происходящее при фотосинтезе, которое открыто сравнительно недавно. Твердо установлено, например, существование в дыхательной цепи трех центров, в которых происходит «зарядка» аденозинфосфата, т. е. образование АТФ. Таким образом, на каждую пару электронов, отщепленных от молочной кислоты в течение цикла Кребса, образуется в среднем по три молекулы АТФ.

На основании общего выхода АТФ в настоящее время можно рассчитать термодинамическую эффективность, с которой клетка извлекает энергию, ставшую ей доступной благодаря окислению глюкозы. Предварительное расщепление глюкозы на две молекулы молочной кислоты дает две молекулы АТФ. Каждая молекула молочной кислоты в конечном счете передает в дыхательную цепь шесть пар электронов. Поскольку каждая пара электронов, проходящая по цепи, вызывает превращение трех молекул АДФ в АТФ, в процессе собственно дыхания образуется 36 молекул АТФ. При образовании каждой грамм-молекулы АТФ связывается, как мы уже указывали, около 10 000 калорий и, следовательно, 38 грамм-молекул АТФ связывают примерно 380000 из 690000 калорий, содержавшихся в исходной грамм-молекуле глюкозы. Эффективность сопряженных процессов гликолиза и дыхания можно, таким образом, считать равной по крайней мере 55%.

Чрезвычайная сложность процесса дыхания служит еще одним указанием на то, что участвующие в нем ферментные механизмы не могли бы функционировать, если бы составные части были просто перемешаны в растворе. Подобно тому, как молекулярные механизмы, связанные с фотосинтезом, имеют определенную структурную организацию и заключены в хлоропласте, так и органы дыхания клетки - митохондрии - представляют собой такую же структурно упорядоченную систему.

В клетке в зависимости от ее типа и характера ее функции может находиться от 50 до 5000 митохондрий (клетка печени содержит, например, около 1000 митохондрий). Они достаточно велики (3-4 микрона в длину), чтобы их можно было видеть в обычный микроскоп. Однако ультраструктура митохондрий различима лишь в электронный микроскоп.

На электронных микрофотографиях можно видеть, что митохондрия имеет две мембраны, причем внутренняя мембрана образует складки, заходящие в тело митохондрии. Проведенное недавно исследование митохондрий, выделенных из клеток печени, показало, что молекулы ферментов, участвующих в цикле Кребса, расположены в матриксе, или растворимой части внутреннего содержимого митохондрий, тогда как ферменты дыхательной цепи в форме молекулярных «ансамблей» расположены в мембранах. Мембраны состоят из чередующихся слоев молекул белка и липидов (жиров); такое же строение имеют мембраны в гранах хлоропластов.

Таким образом, существует явное сходство в строении этих двух главных «силовых станций», от которых зависит вся жизнедеятельность клетки, ибо одна из них «запасает» солнечную энергию в фосфатных связях АТФ, а другая превращает энергию, заключенную в питательных веществах, в энергию АТФ.

Успехи современной химии и физики позволили недавно уточнить пространственное строение некоторых больших молекул, например, молекул ряда белков и ДНК, т. е. молекул, содержащих генетическую информацию.

Следующий важный этап изучения клетки состоит в том, чтобы выяснить расположение больших ферментных молекул (которые сами представляют собой белки) в мембранах митохондрий, где они находятся вместе с липидами - расположение, обеспечивающее надлежащую ориентацию каждой молекулы катализатора и возможность ее взаимодействия с последующим звеном всего рабочего механизма. «Монтажная схема» митохондрии уже ясна!

Современные сведения относительно силовых установок клетки показывают, что она оставляет далеко позади не только классическую энергетику, но и новейшие, гораздо более блистательные достижения техники.

Электроника достигла поразительных успехов в компоновке и уменьшении размеров составных элементов счетно-решающих устройств. Однако все эти успехи не идут ни в какое сравнение с совершенно невероятной миниатюрностью сложнейших механизмов превращения энергии, выработанных в процессе органической эволюции и имеющихся в каждой живой клетке.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Преизобильное ращение тучных дерев,
которые на бесплодном песку корень
свой утвердили, ясно изъявляет, что
жирными листами жирный тук из воздуха
впитывают...
М. В. Ломоносов

Как энергия запасается в клетке? Что такое метаболизм? В чем суть процессов гликолиза, брожения и клеточного дыхания? Какие процессы проходят на световой и темновой фазах фотосинтеза? Как связаны процессы энергетического и пластического обмена? Что представляет собой хемосинтез?

Урок-лекция

Способность преобразовывать одни виды энергии в другие (энергию излучения в энергию химических связей, химическую энергию в механическую и т. п.) относится к числу фундаментальных свойств живого. Здесь мы подробно рассмотрим, каким образом реализуются эти процессы у живых организмов.

АТФ - ГЛАВНЫЙ ПЕРЕНОСЧИК ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ . Для осуществления любых проявлений жизнедеятельности клеток необходима энергия. Автотрофные организмы получают исходную энергию от Солнца в ходе реакций фотосинтеза, гетеротрофные же в качестве источника энергии используют органические соединения, поступающие с пищей. Энергия запасается клетками в химических связях молекул АТФ (аденозинтрифосфат) , которые представляют собой нуклеотид, состоящий из трех фосфатных групп, остатка сахара (рибозы) и остатка азотистого основания (аденина) (рис. 52).

Рис. 52. Молекула АТФ

Связь между фосфатными остатками получила название макроэргической, поскольку при ее разрыве выделяется большое количество энергии. Обычно клетка извлекает энергию из АТФ, отщепляя только концевую фосфатную группу. При этом образуется АДФ (аденозиндифосфат), фосфорная кислота и освобождается 40 кДж/моль:

Молекулы АТФ играют роль универсальной энергетической разменной монеты клетки. Они поставляются к месту протекания энергоемкого процесса, будь то ферментативный синтез органических соединений, работа белков - молекулярных моторов или мембранных транспортных белков и др. Обратный синтез молекул АТФ осуществляется путем присоединения фосфатной группы к АДФ с поглощением энергии. Запасание клеткой энергии в виде АТФ осуществляется в ходе реакций энергетического обмена . Он тесно связан с пластическим обменом , в ходе которого клетка производит необходимые для ее функционирования органические соединения.

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ (МЕТАБОЛИЗМ) . Метаболизм - совокупность всех реакций пластического и энергетического обмена, связанных между собой. В клетках постоянно идет синтез углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот. Синтез соединений всегда идет с затратой энергии, т. е. при непременном участии АТФ. Источниками энергии для образования АТФ служат ферментативные реакции окисления поступающих в клетку белков, жиров и углеводов. В ходе этого процесса высвобождается энергия, которая аккумулируется в АТФ. Особую роль в энергетическом обмене клетки играет окисление глюкозы. Молекулы глюкозы претерпевают при этом ряд последовательных превращений.

Первый этап, получивший название гликолиз , проходит в цитоплазме клеток и не требует кислорода. В результате последовательных реакций с участием ферментов глюкоза распадается на две молекулы пировиноградной кислоты. При этом расходуются две молекулы АТФ, а высвобождающейся при окислении энергии достаточно для образования четырех молекул АТФ. В итоге энергетический выход гликолиза невелик и составляет две молекулы АТФ:

С 6 Н1 2 0 6 → 2С 3 Н 4 0 3 + 4Н + + 2АТФ

В анаэробных условиях (при отсутствии кислорода) дальнейшие превращения могут быть связаны с различными типами брожений .

Всем известно молочнокислое брожение (скисание молока), которое происходит благодаря деятельности молочнокислых грибков и бактерий. По механизму оно сходно с гликолизом, только окончательным продуктом здесь является молочная кислота. Этот тип окисления глюкозы происходит в клетках при дефиците кислорода, например в интенсивно работающих мышцах. Близко по химизму к молочнокислому и спиртовое брожение. Различие заключается в том, что продуктами спиртового брожения являются этиловый спирт и углекислый газ.

Следующий этап, в ходе которого пировиноградная кислота окисляется, до углекислого газа и воды, получил название клеточное дыхание . Связанные с дыханием реакции проходят в митохондриях растительных и животных клеток, и только при наличии кислорода. Это ряд химических превращений до образования конечного продукта - углекислого газа. На различных этапах такого процесса образуются промежуточные продукты окисления исходного вещества с отщеплением атомов водорода. При этом освобождается энергия, которая «консервируется» в химических связях АТФ, и образуются молекулы воды. Становится понятным, что именно для того, чтобы связать отщепленные атомы водорода, и требуется кислород. Данный ряд химических превращений достаточно сложный и происходит с участием внутренних мембран митохондрий, ферментов, белков-переносчиков.

Клеточное дыхание имеет очень высокую эффективность. Происходит синтез 30 молекул АТФ, еще две молекулы образуются при гликолизе, и шесть молекул АТФ - как результат превращений продуктов гликолиза на мембранах митохондрий. Всего в результате окисления одной молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ:

C 6 H 12 O 6 + 6Н 2 0 → 6CO 2 + 6H 2 O + 38АТФ

В митохондриях происходят конечные этапы окисления не только сахаров, но также белков и липидов. Эти вещества используются клетками, главным образом когда подходит к концу запас углеводов. Вначале расходуется жир, при окислении которого выделяется существенно больше энергии, чем из равного объема углеводов и белков. Поэтому жир у животных представляет собой основной «стратегический резерв» энергетических ресурсов. У растений же роль энергетического резерва играет крахмал. При хранении он занимает значительно больше места, чем энергетически эквивалентное ему количество жира. Для растений это не служит помехой, поскольку они неподвижны и не носят, как животные, запасы на себе. Извлечь же энергию из углеводов можно гораздо быстрее, чем из жиров. Белки выполняют в организме многие важные функции, поэтому вовлекаются в энергетический обмен только при исчерпании ресурсов сахаров и жиров, например при длительном голодании.

ФОТОСИНТЕЗ . Фотосинтез - это процесс, в ходе которого энергия солнечных лучей преобразуется в энергию химических связей органических соединений. В растительных клетках связанные с фотосинтезом процессы протекают в хлоропластах. Внутри этой органеллы находятся системы мембран, в которые встроены пигменты, улавливающие лучистую энергию Солнца. Основной пигмент фотосинтеза - хлорофилл, который поглощает преимущественно синие и фиолетовые, а также красные лучи спектра. Зеленый свет при этом отражается, поэтому сам хлорофилл и содержащие его части растений кажутся зелеными.

В фотосинтезе выделяют две фазы - световую и темновую (рис. 53). Собственно улавливание и преобразование лучистой энергии происходит во время световой фазы. При поглощении квантов света хлорофилл переходит в возбужденное состояние и становится донором электронов. Его электроны передаются от одного белкового комплекса к другому по цепи переноса электронов. Белки этой цепи, как и пигменты, сосредоточены на внутренней мембране хлоропластов. При переходе электрона по цепи переносчиков он теряет энергию, которая используется для синтеза АТФ. Часть возбужденных светом электронов используется для восстановления НДФ (никотинамидадениндинуклеотифосфат), или НАДФ·Н.

Рис. 53. Продукты реакций световой и темновой фаз фотосинтеза

Под действием солнечного света в хлоропластах происходит также расщепление молекул воды - фотолиз ; при этом возникают электроны, которые возмещают потери их хлорофиллом; в качестве побочного продукта при этом образуется кислород:

Таким образом, функциональный смысл световой фазы заключается в синтезе АТФ и НАДФ·Н путем преобразования световой энергии в химическую.

Для реализации темновой фазы фотосинтеза свет не нужен. Суть проходящих здесь процессов заключается в том, что полученные в световую фазу молекулы АТФ и НАДФ·Н используются в серии химических реакций, «фиксирующих» СОг в форме углеводов. Все реакции темновой фазы осуществляются внутри хлоропластов, а освобождающиеся при «фиксации» углекислоты АДФ и НАДФ вновь используются в реакциях световой фазы для синтеза АТФ и НАДФ·Н.

Суммарное уравнение фотосинтеза имеет следующий вид:

ВЗАИМОСВЯЗЬ И ЕДИНСТВО ПРОЦЕССОВ ПЛАСТИЧЕСКОГО И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА . Процессы синтеза АТФ происходят в цитоплазме (гликолиз), в митохондриях (клеточное дыхание) и в хлоропластах (фотосинтез). Все осуществляющиеся в ходе этих процессов реакции - это реакции энергетического обмена. Запасенная в виде АТФ энергия расходуется в реакциях пластического обмена для производства необходимых для жизнедеятельности клетки белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Заметим, что темновая фаза фотосинтеза - это цепь реакций, пластического обмена, а световая - энергетического.

Взаимосвязь и единство процессов энергетического и пластического обмена хорошо иллюстрирует следующее уравнение:

При чтении этого уравнения слева направо получается процесс окисления глюкозы до углекислого газа и воды в ходе гликолиза и клеточного дыхания, связанный с синтезом АТФ (энергетический обмен). Если же прочесть его справа налево, то получается описание реакций темновой фазы фотосинтеза, когда из воды и углекислоты при участии АТФ синтезируется глюкоза (пластический обмен).

ХЕМОСИНТЕЗ . К синтезу органических веществ из неорганических, кроме фотоавтотрофов, способны и некоторые бактерии (водородные, нитрифицирующие, серобактерии и др.). Они осуществляют этот синтез за счет энергии, выделяющейся при окислении неорганических веществ. Их называют хемоавтотрофами. Эти хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в биосфере. Например, нитрифицирующие бактерии переводят недоступные для усвоения растениями соли аммония в соли азотной кислоты, которые хорошо ими усваиваются.

Клеточный метаболизм составляют реакции энергетического и пластического обмена. В ходе энергетического обмена происходит образование органических соединений с макроэргическими химическими связями - АТФ. Необходимая для этого энергия поступает от окисления органических соединений в ходе анаэробных (гликолиз, брожение) и аэробных (клеточное дыхание) реакций; от солнечных лучей, энергия которых усваивается на световой фазе (фотосинтез); от окисления неорганических соединений (хемосинтез). Энергия АТФ расходуется на синтез необходимых клетке органических соединений в ходе реакций пластического обмена, к которым относятся и реакции темновой фазы фотосинтеза.

• В чем заключаются различия между пластическим и энергетическим обменом?
• Как преобразуется энергия солнечных лучей в световую фазу фотосинтеза? Какие процессы проходят в темновую фазу фотосинтеза?
• Почему фотосинтез называют процессом отражения планетно-космического взаимодействия?

Способность к фотосинтезу - основной признак зеленых растений.Растения как все живые организмы должны питаться, дышать, удалять ненужные вещества, расти, размножаться, реагировать на изменения окружающей среды . Все это обеспечивается работой соответствующих органов организма. Обычно органы формируют системы органов, которые совместной работой обеспечивают выполнение той или иной функции живого организма. Таким образом, живой организм можно представить как биосистему. Каждый орган в живом растении выполняет определенную работа.Корень поглощает из почвы воду с минеральными веществами и укрепляет растение в почве. Стебель выносит листья к свету. По стеблю передвигается вода, а также минеральные и органические вещества. В хлоропластах листа на свету из неорганических веществ образуются органические вещества, которыми питаются клетки всех органов растения . Листья испаряют воду.

Если нарушается работа какого-либо одного органа организма, то это может вызвать нарушение работы других органов и всего организма. Если, например, через корень перестанет поступать вода, то все растение может погибнуть. Если в растении не образуется достаточно хлорофилла в листьях, то оно не сможет синтезировать для своей жизнедеятельность достаточное количество органических веществ.

Таким образом жизнедеятельность организма обеспечивается взаимосвязанной работой всех систем органов. Жизнедеятельность - это все процессы, которые протекают в организме.

Благодаря питанию организм живет и растет. В процессе питания из окружающей среды поглощаются необходимые вещества. Далее в организме они усваиваются. Из почвы растения поглощают воду и минеральные вещества. Надземные зеленые органы растений из воздуха поглощают углекислый газ. Вода и углекислый газ используются растениями для синтеза органических веществ, которые используются растением для обновления клеток тела, роста и развития.

В процессе дыхания происходит газообмен. Из окружающей среды поглощается кислород, а из организма выделяется углекислый газ и пары воды. Кислород необходим всем живым клеткам для выработки энергии.

В процессе обмена веществ образуются ненужные организму вещества, которые выделяются в окружающую среду.

Когда растение достигает определенных размеров и необходимого для ее вида возраста, если оно находится в достаточно благоприятных условиях среды, то оно приступает к размножению. В результате размножения увеличивается количество особей.

В отличие от подавляющего большинства животных растения растут в течение всей жизни.

Приобретение организмов новых свойств называется развитием.

На питание, дыхание, обмен веществ, рост и развитие, а также размножение оказывают влияние условия среды обитания растения. Если они не достаточно благоприятны, то растение может плохо расти и развиваться, его процессы жизнедеятельности будут подавлены. Таким образом, жизнедеятельность растений зависит от окружающей среды.

Вопрос 3­_Клеточная оболочка, её функции, состав, структура. Первичная и вторичная оболочка.

Клетка любого организма, представляет собой целостную живую систему. Она состоит из трех неразрывно связанных между собой частей: оболочки, цитоплазмы и ядра. Оболочка клетка осуществляет непосредственное взаимодействие с внешней средой и взаимодействие с соседними клетками (в многоклеточных организмах).Оболочка клеток . Оболочка клеток имеет сложное строение. Она состоит из наружного слоя и расположенной под ним плазматической мембраны.У растений, а также у бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов на поверхности клеток расположена плотная оболочка, или клеточная стенка. У большинства растений она состоит из клетчатки. Клеточная стенка играет исключительно важную роль: она представляет собой внешний каркас, защитную оболочку, обеспечивает тургор растительных клеток: через клеточную стенку проходит вода, соли, молекулы многих органических веществ.

Клеточная оболочка или стенка - жёсткая оболочка клетки, расположенная снаружи от цитоплазматической мембраны и выполняющая структурные, защитные и транспортные функции. Обнаруживается у большинства бактерий, архей, грибов и растений. Животные и многие простейшие не имеют клеточной стенки.

Функции клеточной оболочки:

1. Транспортная функция обеспечивает избирательную регуляцию обмена веществ между клеткой и внешней средой, поступления веществ в клетку (за счет полупроницаемости мембраны), а также регуляцию водного баланса клетки

1.1. Трансмембранный транспорт (т. е. через мембрану) :
- Диффузия
- Пассивный транспорт = облегченная диффузия
- Активный = избирательный транспорт (с участием АТФ и ферментов) .

1.2. Транспорт в мембранной упаковке:
- Экзоцитоз - выделение веществ из клетки
- Эндоцитоз (фаго- и пиноцитоз) - поглощение веществ клеткой

2) Рецепторная функция .
3) Опорная («скелет») - поддерживает форму клетки, придает прочность. Это, главным образом, функция клеточной стенки.
4) Изоляция клетки (ее живого содержимого) от окружающей среды.
5) Защитная функция.
6) Контакт с соседними клетками. Объединение клеток в ткани .