По благословению Святейшего Патриарха Московского и всея Руси Алексия II Автор С. Ю. Вертьянов ( E - mail : SergijV@ yandex. ru ) Под общей научной редакцией д.б.н. М. Г.

+ 6О2 но всем хорошо известно, что при смешивании углекислого газа и воды глюкоза не образуется. Фотосинтез – сложный многоступенчатый процесс, для прохождения которого необ­ходим не только солнечный свет и хлорофилл, но и ряд фер­ментов, энергия АТФ и молекулы-переносчики. Выделяют две фазы фотосинтеза – световую и темновую. Световая фаза фотосинтеза начинается с ос­вещения растений светом.

Солнечные фотоны, передавая свою энергию молекуле хлорофилла, переводят молекулу в возбуж­денное состояние: ее электроны, получая дополнительную энергию, переходят на более высокие орбиты. Отрыв таких возбужденных электронов может происходить значительно легче, чем невозбужденных. Молекулы-переносчики захваты­вают их и перемещают на другую сторону мембраны тилакоида (см. § 9).

Молекулы хлорофилла восполняют потерю электронов, отрыгивая их от молекул воды. В результате вода расщепляется на протоны и молекуляр­ный кислород: 2Н2О - 4е 4Н+ + О2 Процесс расщепления молекул воды до молеку­лярного кислорода, прото­нов и электронов под дей­ствием света называют фо­толизом. Молекулярный кислород легко диффунди­рует сквозь мембраны тила­коидов и выделяется в ат­мосферу.

Протоны неспо­собны к проникновению через мембрану и остаются внутри. Таким образом, снаружи мембраны накапливаются электроны, доставленные мо­лекулами-переносчиками с – возбужденных молекул хлорофилла, а внутри – протоны, образовавшиеся в результате фотолиза воды. Возникает разность потенциалов. В мембраны тилакоидов хлоропласта, так же как и во внутренние мембра­ны митохондрий, встроены ферменты-синтетазы, осуществляю­щие синтез АТФ.

В молекулярной структуре синтетаз растений также имеется каналец, через который могут проходить про­тоны. При достижении на мембране критической разности по­тенциалов протоны, влекомые силой электрического поля, про­тискиваются по канальцу АТФ-синтетазы, затрачивая энергию на синтез АТФ. Соединяясь на другой стороне мембраны с элек­тронами, протоны образуют атомарный водород.

Фотосинтез в хлоропластах весьма эффективен: он дает в 30 раз больше АТФ, чем кислородный гликолиз в митохон­дриях тех же растений. Таким образом, во время световой фазы фотосинтеза про­исходят следующие главные процессы: выделение в атмосфе­ру свободного кислорода, синтез АТФ и образование атомар­ного водорода. Протекание дальнейших реакций может происходить и в темноте, потому носит название темновой фазы. Темновая фаза.

Реакции этой фазы происхо­дят в строме хлоропласта при участии атомарного водорода и АТФ, образовавшихся в световой фазе, а также ферментов, постанавливающих СО2 до простого сахара — триозы (глицепальдегида) — и синтезирующих из нее глюкозу: 6СО2 + 24Н С6Н12О6(глюкоза) + 6Н2О Для образования одной молекулы глюкозы требуется 18 мо­лекул АТФ.

Комплекс реакций темновой фазы, осуществляе­мых ферментами (и коферментом НАД), носит название цик­ла Кальвина. Кроме глюкозы, из триозы могут синтезироваться жирные кислоты, аминокислоты и пр. Углеводы и жирные кислоты далее транспортируются в лейкопласты, где из них формиру­ются запасные питательные вещества – крахмал и жиры. С наступлением темноты растения продолжают процесс фо­тосинтеза, используя запасенные на свету соединения.

Когда этот запас исчерпывается, прекращается и фотосинтез. В ноч­ной темноте растения напоминают по типу обмена веществ жи­вотных: они поглощают кислород из атмосферы (дышат) и окисляют при помощи его запасенные днем питательные ве­щества. На дыхание растения используют в 20-30 раз меньше кислорода, чем выделяют в атмосферу в процессе фотосинтеза.

Количество энергии, производимой растениями, значительно превышает количество тепла, выделяющегося при сжигании всем населением планеты горючих полезных ископаемых. Ежегодно растительность планеты дает 200 млрд. т кислорода и 150 млрд. т органических соединений, необходимых человеку и животным. Хемосинтез. Большинство бактерий лишены хлорофилла.

Некоторые из них являются хемотрофами: для синтеза органи­ческих веществ они используют не энергию света, а энергию, высвобождающуюся при окислении неорганических соединений. Фотосинтез на мембранах тилакоидов хлоропластов Такой способ получения энергии и синтеза органических веществ назвали хемосинтезом (<греч. chemia химия). Явление хемосинтеза открыто в 1887 г. русским микробиологом С. Н. Виноградским. Нитрифицирующие бактерии.

В кор­невищах растений, главным образом, бобовых, живут особые клубеньковые бактерии. Они способны усваивать недоступный растениям атмосферный азот и обогащать почву аммиаком. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак клубеньковых бактерий до азотистой кислоты и далее – азотистую до азот­ной. В результате растения получают соли азотной кислоты, необходимые для синтеза аминокислот и азотистых оснований.

Водородные бактерии также широко распространены в почвах. Они окисляют молекулы водорода, образующиеся в результате бескислородного окисления орга­нических останков различными микроорганизмами: 2H 2 + O 2 à 2H 2O Железобактерии используют энергию, выс­вобождающуюся при окислении двухвалентного железа до трехвалентного (закисные соли до окисных).

Серобактерии обитают в болотах и «питаются» сероводородом. В результате окисления сероводорода выделяется необходимая для жизнедеятельности бактерий энергия и накап­ливается сера. При окислении серы до серной кислоты высво­бождается еще часть энергии. Суммарный выход энергии состав­ляет существенную величину – 666 кДж/моль. Огромное ко­личество серобактерий обитает в Черном море.

Его воды, начиная со стометровой глубины, насыщены сероводородом. Гетеротрофный тип обмена веществ. Человек и животные не способны синтезировать необходимые для жизнедеятельности органические вещества из неорганических и вынуждены погло­щать их с пищей. Такие организмы называют гетеротрофами (<греч. heteros другой). К гетеротрофам относятся также боль­шинство бактерий и грибы.

Вещества, поступившие с пищей, разлагаются в организмах животных на простые углеводы, ами­нокислоты, нуклеотиды, из которых далее синтезируются высо­комолекулярные соединения, необходимые для конкретного вида существ в конкретной фазе жизненного цикла. Часть поступив­ших с пищей молекул расщепляется до конечных продуктов, а высвобождающаяся энергия используется в процессах жизнеде­ятельности.

Некоторое количество энергии рассеивается в виде теплоты, служащей для поддержания температуры тела. Многие одноклеточные водоросли имеют миксотрофное (смешанное) питание. На свету они фотосинтезируют, а в тем­ноте переходят к фагоцитозу, т.е. становятся гетеротрофами. 1. Какова функция фотосинтеза в организмах растений? 2.

В чем состоит основное предназначение световой и темновой фаз? 3. Опишите обмен веществ растений в ночное время. 4. Чем отличаются хемотрофы от фототрофов, в чем их сход­ство? Приведите примеры хемотрофов. 5. Отличается ли человек от растений по типу обмена ве­ществ, кто такие гетеротрофы? § 16. Пластический обмен. Биосинтез белков.

Синтез и РНК В процессах метаболизма реализуется наследственная ин­формация. Клетка синтезирует только те вещества, которые за­писаны в ее генетической программе. Каждой группе клеток присущ свой комплекс химических соединений. Среди них осо­бенно важными для организма являются белки. Многие функции и признаки организма определяются его набором белков.

Белки-ферменты расщепляют пищу, отвеча­ют за поглощение и выделение солей, синтезируют жиры и углеводы, производят множество других биохимических пре­вращений. Белки определяют цвет глаз, рост – словом, вне­шнюю специфичность организмов. Большинство белков, вы­полняющих одни и те же функции, несколько различны даже у особей одного и того же вида (к примеру, белки групп кро­ви).

Но некоторые однофункциональные белки могут иметь сходное строение у далеких групп организмов (к примеру, инсулин собаки и человека). В процессе жизнедеятельности белковые молекулы посте­пенно разрушаются, теряют свою структуру – денатурируют. Их активность падает, и клетки заменяют их новыми. В ор­ганизмах постоянно происходит синтез необходимых белков.

Биосинтез белковых молекул – сложный ферментативный процесс, начинающийся в ядре и заканчивающийся на рибо­сомах. Центральную функцию в нем выполняют носители генетической информации – нуклеиновые кислоты ДНК и РНК. Генетический код. Последовательность нуклеотидов ДНК задает последовательность аминокислот в белках – их первичную структуру.