Обмен веществ и превращения энергии в клетке. Фотосинтез

Обмен веществ и превращения энергии в клетке. Фотосинтез

В начале урока процитируем замечательный фрагмент из книги выдающегося русского врача Залманова Абрама Соломоновича "Тайная мудрость человеческого организма". Этот философский текст будет служить эпиграфом.

«Число химических элементов, составляющих живой организм, равняется 16, в 2 раза больше числа космических форм энергии. Число же живущих на нашей планете видов огромно. Вегетативный мир представляет собой почти неисчислимую цепь вариаций в структуре, цвете, запахе, продолжительности жизни, в адаптации к климату, сопротивляемости…

Возникает проблема: как, какой силой создаются миллионы комбинаций 16 химических элементов при содействии крошечных частичек каких-то минеральных субстанций?

Сравните эти два порядка феноменов: 8 форм космической энергии, 16 химических элементов и миллионы живых видов… Это потрясающее несоответствие между количеством энергетических сил, числом химических элементов, составляющих живой организм, логически и математически приводит к мысли о существовании особой формы жизненной энергии, которая организует бесчисленные вариации миллионов видов… Клетка — это колыбель и источник различных энергетических проявлений».

Процесс обмена веществ и энергии является основным свойством живого. В цитоплазме клеток органов и тканей постоянно идет процесс синтеза сложных органических соединений. Одновременно с этим происходит их распад с выделением энергии и образованием простых веществ.

Совокупность всех биохимических реакций, происходящих в организме, называется обменом веществ, или метаболизмом. Обмен веществ в клетке включает в себя процессы ассимиляции и диссимиляции.

Под ассимиляцией понимается процесс образования организмом веществ, при котором расходуется энергия. Это происходит в ходе синтеза сложных органических веществ из более простых.

В клетке постоянно синтезируются белки из аминокислот, жиры — из глицерина и жирных кислот, углеводы — из моносахаридов, нуклеотиды — из азотистых оснований и сахаров. Все эти реакции идут с затратами энергии.

Совокупность реакций расщепления сложных органических соединений до более простых молекул является второй стороной обмена веществ и называется диссимиляцией. Энергия при этом высвобождается.  Часть энергии идет на синтез богатых энергетическими связями молекул аденозинтрифосфорной кислоты. Расщепление органических веществ осуществляется в цитоплазме и митохондриях с участием кислорода. Энергия необходима для синтеза всех веществ организма, поддержания его структурной организации, активного транспорта веществ внутри клеток, для передачи нервных импульсов, поддержания постоянной температуры тела. Энергия расходуется на создание структурных элементов клеток, обеспечение их жизнедеятельности, роста и развития.

Реакции ассимиляции и диссимиляции тесно связаны между собой и внешней средой. Из внешней среды организм получает питательные вещества, а во внешнюю среду выделяет продукты распада. Нужно отметить, что обмен веществ и энергии осуществляется на всех уровнях организма: клеточном, тканевом и организменном.

Все процессы обмена веществ в живом организме осуществляются с участием ферментов. Фермент катализирует только одну реакцию, действует только на один тип связи. Этим обеспечивается регуляция процессов дыхания, пищеварения, фотосинтеза, биосинтеза и других реакций.

В процессе обмена веществ постоянно происходит превращение энергии: потенциальная энергия сложных органических соединений, поступивших с пищей, превращается в тепловую, механическую и электрическую.

Рассмотрим этапы энергетического обмена: подготовительный, бескислородный и кислородный.

Подготовительный этап энергетического обмена происходит в цитоплазме клеток. Под действием ферментов сложные углеводы расщепляются на молекулы глюкозы, фруктозы. Жиры расщепляются до глицерина и жирных кислот. Белки — до аминокислот, а нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. При этом выделяется небольшое количество энергии, которое рассеивается в виде тепла.

Бескислородный этап энергетического обмена представляет собой многоступенчатое расщепление глюкозы без участия кислорода. В результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на две молекулы пировиноградной кислоты, которые затем восстанавливаются в молочную кислоту. В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и аденозинтрифосфорная кислота.

Следующий, третий этап энергетического обмена называется кислородным дыханием. Этот этап расщепления проходит на кристах митохондрий. Вещества предыдущего этапа расщепляются до конечных продуктов распада — воды и углекислого газа. В результате расщепления двух молекул молочной кислоты образуются 36 молекул АТФ. Основным условием нормального течения кислородного расщепления является целостность мембран в митохондриях. Кислородное дыхание считается основным этапом в обеспечении клетки кислородом: он в 20 раз эффективнее бескислородного этапа.

По способу получения энергии все организмы делятся на автотрофные и гетеротрофные.

У автотрофов в основе процесса питания лежит фотосинтез.

В 1903 г. в Лондонском королевском обществе выдающийся русский ученый Климент Аркадьевич Тимирязев прочитал лекцию под названием «Космическая роль растения». Он обобщил собственные многолетние исследования в области фотосинтеза и привел доказательства того, что фотосинтез, осуществляемый зелеными растениями, является первоисточником органического вещества и энергии. Это открытие стало крупнейшим вкладом в мировое учение о неразрывной связи и единстве живой и неживой материи, которая участвует в непрерывном круговороте как веществ, так и энергии на планете.

Фотосинтез осуществляется в хлоропластах зеленых растений. Хлоропласты находятся в клетках плодов и стеблей, но главным образом они заполняют клетки листьев, которые являются основным органом растений. Именно листья более всего приспособлены к фотосинтезу.

Хлоропласты клетки, благодаря зеленому пигменту хлорофиллу, окрашены в зеленый цвет. В растительной клетке бывает от 15 до 50 хлоропластов. Хлоропласты сложно устроены. Важно отметить богатый химический состав этих структур. Они содержат белок, углеводы, липиды, ДНК, хлорофилл. Многие белки хлоропластов обладают ферментативной активностью. Внутреннее строение хлоропластов было раскрыто с использованием электронного микроскопа. Оказалось, что хлоропласты окружены двойной мембраной. Их внутреннее пространство заполнено бесцветным содержимым и пронизано мембранами. У большинства  растений хлоропласты имеют граны, где и сосредоточен  зеленый пигмент хлорофилл.

Фотосинтез, протекающий на гранах хлоропласта, — сложный многоступенчатый процесс. Начало ему задает свет. Начинается световая фаза фотосинтеза.         

Под действием энергии света молекулы хлорофилла возбуждаются и теряют электроны. Часть электронов способствуют образованию аденозинтрифосфорной кислоты, а другая часть принимает участие в разложении воды на молекулярный кислород, ионы водорода и электроны. Разложение воды происходит внутри хлоропласта. Образовавшийся при расщеплении воды водород с помощью электронов присоединяется к веществу, которое способно транспортировать водород в пределах хлоропласта.

Таким веществом является сложное органическое соединение никотинамидадениндинуклеотидфосфат.

Присоединив водород, это вещество восстанавливается, запасается энергия и заканчивается первая стадия фотосинтеза. Кислород, который образуется на первой стадии фотосинтеза, выводится наружу или используется клеткой для дыхания.

Дальше начинается вторая стадия фотосинтеза, ее называют темновой фазой. Для ее протекания свет не нужен. Продукты, образовавшиеся в процессе световой фазы, используются для фиксации углекислого газа в простые углеводы. Их создание идет путем большого количества реакций восстановления углекислого газа за счет энергии аденозиндифосфорной кислоты. В результате этих реакций образуются молекулы глюкозы. В дальнейшем из молекул глюкозы образуются целлюлоза, крахмал, гликоген и другие сложные вещества.

Только с помощью зеленых растений энергия Солнца может накапливаться в виде энергии химических связей. Таким образом, богатые энергией органические вещества, которыми питаются и за счет которых получают энергию животные и человек, первоначально создаются в зеленом листе. Можно сказать, что практически вся живая материя на Земле является результатом фотосинтеза.

Исследования ученых доказали, что почти весь кислород атмосферы образован в процессе фотосинтеза. Следовательно, процессы дыхания и горения стали возможны только после того, как возник фотосинтез. Все это позволяет говорить о космическом значении фотосинтеза. Появление свободного кислорода в атмосфере Земли вызвало значительные изменения во всей живой природе. Возникли аэробные организмы, способные усваивать кислород. На поверхности Земли процессы приняли биогеохимический характер, изменился состав атмосферы, появился озоновый экран, защищающий Землю от космических лучей. Фотосинтез имеет важнейшее значение и в жизни самого растительного организма — он является процессом воздушного питания растений.

Чтобы лучше представить себе масштабы и значение фотосинтеза, приведем несколько цифр. Французский исследователь Дювиньо установил, что ежегодно в процессе фотосинтеза растениями суши образуется 30 млрд тонн органического вещества. Он считает, что на долю лесов приходится 20 млрд тонн органики, в лугах и степях синтезируется 3 млрд тонн, и даже в пустыне  создается около тонны этого ценнейшего органического вещества. Энергия, которая накапливается в процессе фотосинтеза за один год, приблизительно в 100 раз больше энергии сгорания всего добываемого в мире за этот же период угля.

Необходимо отметить, что исследование фотосинтеза привлекает в настоящее время внимание все большего числа биологов, физиков, химиков, математиков. Познание молекулярных механизмов фотосинтеза имеет большое значение для обеспечения человечества экологически чистой энергией за счет практически неиссякаемого источника — солнечного излучения.