Биосинтез углеводов — фотосинтез

 

Вспомните

 

  из каких этапов состоит биосинтез белка;

 

  как идёт процесс «сборки» молекулы белка.

 

   Понятие о фотосинтезе. В биосинтезе белка образуется полимерная молекула из готовых мономеров — аминокислот, уже имеющихся в клетке. Этот процесс осуществляется за счёт внутренней энергии клетки, заключённой в химических связях молекул АТФ. Биосинтез углеводов происходит принципиально иначе — он совершается за счёт энергии солнечного света. Этот процесс называют фотосинтезом (греч. photos — «свет» и synthesis — «соединение»).

 

Фотосинтез — процесс образования органических веществ из неорганических за счёт энергии солнечного света.

 

   Важнейшую роль в процессе фотосинтеза играют пигмент хлорофилл и другие пигменты, которые помогают хлорофиллу улавливать свет. Затем в ходе синтетических процессов световая энергия превращается в энергию химических связей. Этот процесс протекает в хлоропластах клеток зелёных растений.

 

   Хлоропласты — внутриклеточные органоиды (пластиды), которые благодаря пигменту хлорофиллу окрашены в зелёный цвет. В растительной клетке обычно содержится от 15 до 50 хлоропластов и более.

 

   Хлоропласты имеют сложное строение. От цитоплазмы они отделены двойной мембраной, обладающей избирательной проницаемостью. Внутренняя среда хлоропласта — строма (греч. stroma — «подстилка», «ковёр») содержит молекулы ДНК, РНК, нуклеотиды, белки, рибосомы. Там же происходит отложение запасного полисахарида — крахмала в виде зёрен. Внутренняя мембрана хлоропласта, врастая внутрь стромы, создаёт мешковидные уплощённые структуры — тилакоиды.

 

   Тилакоиды располагаются друг над другом (как стопка монет). Такие стопки называют гранами. Число гран в хлоропластах у разных растений различно — от 40 до 150.

 

Молекулы хлорофилла и других фотосинтезирующих пигментов встроены во внутреннюю мембрану тилакоида. Поэтому эту мембрану называют наружная мембрана

 

    Первая фаза фотосинтеза — световая осуществляется на внутренней мембране и в полости тилакоида. Под влиянием энергии солнечного света молекула хлорофилла возбуждается и один из её электронов переходит на более высокий энергетический уровень. Богатый энергией электрон участвует в окислительно-восстановительных реакциях  отдаёт избыточную энергию, проходя по цепи переносчиков электронов — различных белков, встроенных во внутреннюю мембрану тилакоида.

Отдаваемая электроном энергия используется на синтез молекул АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. При этом световая энергия преобразуется в химическую и запасается в молекулах АТФ. Это один из главных моментов световых реакций фотосинтеза.    Солнечная энергия способствует также расщеплению молекул воды на водород и кислород. Этот процесс называют фотолизом (от греч. photos — «свет» и lysis — «растворение»). Схематически он выглядит следующим образом:   

Молекулы хлорофилла, потерявшие электроны, присоединяют электроны, образующиеся при расщеплении молекул воды. Протоны (Н*) соединяются с нуклеотидом АДФ* — переносчиком ионов водорода и электронов — и восстанавливают его до НАДФ*Н Энергия, заключённая в молекулах НАДФ*Н, затем используется в реакциях синтеза углеводов. Молекулярный кислород, образующийся в результате фотолиза, выделяется в окружающую среду. Таким образом, важнейшим итогом световой фазы является синтез богатых энергией соединений — АТФ и НАДФ*Н.   

 

Вторая фаза фотосинтеза — темновая, сущность которой заключается в связывании С02 воздуха, может осуществляться как на свету, так и без участия света, поскольку в качестве источника энергии используются образовавшиеся в процессе световой стадии АТФ и НАДФ Н. Эта фаза происходит в строме хлоропласта.

    Реакции темновой фазы начинаются со связывания молекулы углекислого газа с имеющимся в хлоропластах пятиуглеродным сахаром акцептором С02. В результате образуется шестиуглеродное соединение, которое существует в течение очень короткого времени, а затем распадается на две молекулы трёх углеродной органической кислоты. Эти процессы начинаются в строме хлоропласта и продолжаются в цитоплазме, где образовавшиеся трёхуглеродные соединения после ряда последовательных реакций превращаются в молекулу сахара — глюкозы. Итоговое равнение фотосинтеза имеет следующий вид:   

Сложный поэтапный процесс фотосинтеза идёт непрерывно, пока клетки, содержащие хлорофилл, получают энергию солнечного света.

 

    Условия протекания и значение фотосинтеза. На скорость фотосинтеза влияют внешние условия среды: интенсивность освещения, концентрация углекислого газа и температура. Если эти параметры достигают оптимальных величин, происходит усиление фотосинтеза. Благодаря фотосинтезу примерно 1—1,5 % энергии Солнца, поглощённой зелёными растениями, запасается в молекулах органических соединений. фотосинтезирующие организмы дают пищу гетеротрофам, а также поставляют в атмосферу кислород, необходимый для дыхания всем живым организмам. Установлено, что кислород, содержащийся в современной атмосфере Земли, — продукт фотосинтеза.    Фотосинтез — уникальный процесс создания зелёными клетками растений органических веществ из неорганических, притом идущий в огромных масштабах на суше и в воде.

Фотосинтез — единственный на нашей планете процесс превращения энергии солнечного света в энергию химических связей органических веществ.

Таким способом энергия Солнца, поступающая из космоса, преобразуется и запасается клетками фотосинтезирующих организмов в виде углеводов, белков и липидов, обеспечивая жизнедеятельность всего населения живого мира — от бактерий до человека.

 

Вот почему выдающийся русский учёный-естествоиспытатель К.А. Тимирязев роль зелёных растений на Земле назвал космической.

 

1. В чём отличие биосинтеза углеводов от биосинтеза белка?

2. Откуда берётся кислород, в большом количестве поставляемый в атмосферу растениями?

3. Закончите утверждение, выбрав наиболее точную характеристику из предложенных.

В фотосинтезе роль света заключается в том, что он:

а) возбуждает молекулу хлорофилла;

б) разлагает воду;

в) соединяется с хлорофиллом;

г) связывается с углекислым газом.

 

Хемосинтез

Синтез органических соединений из углекислого газа и воды, осуществляемый не за счет энергии света, а за счет энергии окисления неорганических веществ, называется хемосинтезом. К хемосинтезирующим организмам относятся некоторые виды бактерий.

Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до азотистой, а затем до азотной кислоты (NH3 → HNO2 → HNO3).

Железобактерии превращают закисное железо в окисное (Fe2+ → Fe3+).

Серобактерии окисляют сероводород до серы или серной кислоты (H2S + ½O2 → S + H2O, H2S + 2O2 → H2SO4).

В результате реакций окисления неорганических веществ выделяется энергия, которая запасается бактериями в форме макроэргических связей АТФ. АТФ используется для синтеза органических веществ, который проходит аналогично реакциям темновой фазы фотосинтеза.

Хемосинтезирующие бактерии способствуют накоплению в почве минеральных веществ, улучшают плодородие почвы, способствуют очистке сточных вод и др.