Фотосинтез, хемосинтез, энергетический обмен

На этой странице вы узнаете

• Как заряжаются биологические аккумуляторы?
• Почему образуется молочная кислота в мышцах и куда она потом пропадает?
• Какую ошибку совершил Ян ван Гельмонт?

Представим, что клетка — не просто структура любого живого организма со своим строением, свойствами и функциями, а сложнейший химический завод. На этом заводе проходят одновременно тысячи всевозможных химических реакций. Некоторые направлены на создание, а другие — на разрушение сложных молекул. И самое удивительное, что все эти химические реакции протекают сходным образом, начиная от клеток бактерии до человека. Но чтобы этот химический завод работал без перерывов, требуется постоянный приток веществ и энергии. В этой статье разберемся, как работает химический завод под названием живая клетка.

Метаболизм

Метаболизм (от греч. метаболе — преобразование, изменение) — совокупность процессов, обеспечивающих преобразование веществ, энергии и информации в клетке и ее саморегуляцию, самообновление и самовоспроизведение.

Метаболизм складывается из двух взаимосвязанных и противоположных процессов.

Название процесса	Пластический обмен	Энергетический обмен
Как еще эти процессы называются?	Анаболизм=ассимиляция	Катаболизм=диссимиляция
Что происходит с веществами?	Вещества синтезируются.	Вещества расщепляются.
Каковы преобразования энергии?	АТФ расходуется.	АТФ образуется.
Примеры процессов	Фотосинтез, хемосинтез, биосинтез.	Гликолиз, окислительное фосфорилирование.

Равновесие между этими двумя процессами зависит от возраста. Например, у детей будут преобладать пластические процессы, так как их организм активно растет. У взрослых людей в норме эти два процесса находятся в балансе, но баланс может нарушиться из-за питания, физической и психоэмоциональной нагрузок. А у пожилых людей будет преобладать энергетический обмен, что и приводит к частичному разрушению тканевых структур.

Функции обмена веществ:

• Образование органических веществ, которые используются для роста и восстановление организма.
• Образование энергии, которая будет потрачена на работу всего организма.
• Запасание энергии и веществ.
• Удаление продуктов метаболизма из организма.

Биологический аккумулятор

Чтобы функционировала любая клетка живого организма, ей требуется энергия. Источником энергии служит своеобразный аккумулятор с неустойчивым строением — это АТФ. 

Вспомним уроки физкультуры и нормативы по бегу на короткую дистанцию. Когда мы бежим, наши мышцы начинают усиленно работать, используя энергию при распаде собственных молекул АТФ. Теперь вспомним, что происходит при остановке бега? Мы начинаем очень часто дышать. Это необходимо, чтобы кислород вступил в реакции окислительного фосфорилирования (об этом информация ниже) и быстро обеспечил полное восстановление израсходованной АТФ.

Итак, АТФ это единственный и универсальный источник энергии для любого живого организма.

Как говорилось выше, АТФ — это неустойчивая структура. Она способна разрушаться либо самопроизвольно, либо под действием ферментов. При отделении от молекулы одного остатка фосфорной кислоты выделяется большое количество энергии (40 кДж). Остатки фосфорной кислоты соединены между собой макроэргическими связями, они обозначаются “~”.

Как заряжаются биологические аккумуляторы? Биологические аккумуляторы АТФ заряжаются во время дыхания клетки, когда окисляется глюкоза, и во время фотосинтеза, при использовании световой энергии. При этих процессах образуются молекулы АТФ — главный источник энергии клетки. Во время энергетического обмена образуется 38 молекул АТФ. А при фотосинтезе — один из примеров пластического обмена веществ — образуется лишь 18 молекул АТФ.

Энергетический обмен

Катаболизм (от греч. катаболе — сброс вниз, разрушение) — это энергетический обмен, или совокупность реакций расщепления сложных соединений до более простых, сопровождающихся выделением энергии (образованием молекул АТФ).

Подготовительный этап

Где происходит?	В пищеварительной системе и в лизосомах клеток.
Что происходит?	Под действием ферментов полимеры распадаются на мономеры. Энергия рассеивается в виде тепла. АТФ не образуется!

Бескислородный этап (гликолиз)

На данном этапе ключевое место займут именно сахара (глюкоза, фруктоза). Потому что процесс расщепления глюкозы идет намного быстрее и легче, ведь нашему организму все время нужна энергия.

У вас может возникнуть вопрос, а почему не белки или жиры, они же тоже выполняют энергетическую функцию. Вопрос справедлив. Давайте разберемся.

Аминокислоты — это кирпичики нашего тела, поэтому, если их разрушать для извлечения энергии, организм разрушится. Из жиров можно добыть энергию, но они из-за своей гидрофобности очень медленно окисляются. При отсутствии кислорода энергию в виде АТФ из них не получить, а вот из глюкозы можно. 

Где происходит?	Цитоплазма клетки.
Какие условия?	Нет кислорода.
Что расщепляется?	Глюкоза.
Что образуется?	— 2 молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), это 2 половинки глюкозы.  — 2 молекулы АТФ.  — 2 протона водорода присоединяется к переносчику НАД — никотинамидадениндинуклеотид. Это кофермент, который выполняет роль личного водителя протонов водорода, то есть его функция заключается в их транспортировке от одного процесса к другому.

Дальнейшая судьба ПВК может быть различна, все зависит от того, какой тип дыхания у организмов: анаэробный (бескислородный) или аэробный (кислородный).

Например, взрослая особь паразитического червя аскариды человеческой предпочитает именно анаэробный путь преобразования молекул ПВК в энергию, потому что они малоподвижны и их организму хватает энергии.

Затем ПВК подвергнется преобразованию уже на внутренней мембране митохондрии, то есть во время последнего этапа энергетического обмена — окислительного фосфорилирования.

Но, если в клетку прекратится доступ кислорода, ПВК подвергнется брожению.

Почему образуется молочная кислота в мышцах и куда она потом пропадает? Вы, скорее всего, не раз ощущали на себе, что такое молочная кислота. Вспомните, как вы чувствуете себя на следующий день после хорошей тренировки. Да, в наших мышцах тоже происходит молочнокислое брожение.  В мышцах содержится большое количество гликогена, это сложный углевод. При долгой и усиленной работе, кровь не успевает снабдить мышцы достаточным количеством кислорода, что вынуждает мышечные клетки перейти на бескислородный способ получения АТФ. Образуется молочная кислота, которая и вызывает ту самую боль в мышцах.  Как только опять в мышечные клетки поступит достаточно кислорода, процесс брожения прекратится. Молочная кислота опять вернется в состояние ПВК, которая поступит в следующий этап энергетического обмена.

Окислительное фосфорилирование (кислородный этап, дыхание)

Это процесс синтеза молекул АТФ с обязательным участием ферментов и в присутствии кислорода на кристах митохондрии.

• ПВК поступает в кристы митохондрии.
• ПВК превращается в ацетилкофермент А (ацитил-КоА).
• Получившееся соединение, ацетил-КоА, направляется в замкнутый цикл ферментативных реакций — цикл Кребса, названный именем открывшего его немецкого биохимика. Цикл Кребса состоит из 8 стадий, в результате которых происходит полное окисление и образование 36 молекул АТФ, углекислого газа и атомов водорода.
• Молекулы переносчики НАД доставляют атомы водорода к внутренней мембране митохондрии.
• Атомы водорода теряют электроны и превращаются в протоны.
• Протоны водорода соединяются с кислородом, образуя метаболическую воду.

Метаболическая вода отличается от обычной воды тем, что она была выработана самим организмом, а не получена из окружающей среды.

Например, много метаболической воды образуется из жира, поэтому у верблюдов в горбах находится именно жир. 

Где происходит?	В кристах митохондрий.
Какие условия?	Наличие кислорода.
Что расщепляется?	2 молекулы ПВК.
Что образуется?	36 АТФ, углекислый газ и вода.

Фотосинтез

История изучения процесса фотосинтеза началась со Средних веков, а именно с научной работы бельгийского естествоиспытателя Ян ван Гельмонта. Он посадил в горшок с землей побег ивы. Конечно, он все предварительно взвесил. Побег ивы весил 2,25 кг, а земля 80 кг. В течение 5 лет он поливал побег только дождевой водой. Через пять лет ученый снова провел замеры. Оказалось, что масса побега выросла на 63,75 кг, а масса земли уменьшилась лишь на 56 г. 

Как растение увеличило свою массу на 64 кг? Ученый объяснил это тем, что масса увеличилась в результате поглощения воды. Так и возникла теория водного питания, которая, спустя столетие, получила полное опровержение. Давайте разберемся, почему Ян ван Гельмонт был неправ в своем выводе.

Фотосинтез — это процесс образования органического вещества из неорганических с использованием энергии Солнца. 

Реакции фотосинтеза протекают в хлоропластах. Они могут присутствовать в различных органах растений — плоды, стебли, листья.

Рассмотрим строение хлоропласта.

Состоит из мембран и ее складок — тилакоидов (дисков), образующих стопки — граны, внутри — строма.

Имеет: 2 мембраны, маленькие рибосомы, собственную кольцевую ДНК и РНК, пигмент — хлорофилл.

Функция: фотосинтез.

Может синтезировать белки и делиться.

Во время фотосинтеза используются только красная и синяя части спектра света, а зеленая проходит насквозь, поэтому растения и зеленые.

У высших растений выделяют следующие пигменты:

Вид пигмента	Распространение
Хлорофилл А	У всех фототрофов, кроме бактерий.
Хлорофилл В	У высших растений и зеленых водорослей.
Хлорофилл С	У бурых водорослей.
Каротиноиды	У всех фототрофов, кроме бактерий.

Световая фаза фотосинтеза

Растение должно в себя забрать свет как губка. Но как его забрать? В тилакоидах хлоропластах есть специальные фотоловушки, которые постоянно ловят световую волну. 

Фотоловушек всего два типа, их называют фотосистема 1 и фотосистема 2. Они начинают работать, как только на них попадут элементарные частицы света — фотоны. 

Как только фотоны попались, они начинают подзаряжать электроны хлорофилла. Электрон возбуждается и переходит на более высокий энергетический уровень. Затем передается по цепочке молекул-переносчиков при помощи ферментов на более низкий энергетический уровень. При переходе электрон теряет энергию. Эта энергия идет на создание АТФ и НАДФ. НАДФ — это переносчик атомов водорода.

Молекулы хлорофилла в фотоловушках теряют электроны, эта потеря восполняется за счет фотолиза (расщепления) воды. В результате фотолиза воды образуется кислород, который выделяется в атмосферу, а водород соединяется с переносчиком НАДФ и поступает в строму хлоропласта.  

Световая фаза необходима для преобразования световой энергии в химическую, в виде молекул АТФ и НАДФ 2Н. Эти молекулы идут на образование глюкозы в темновой фазе, а кислород — это побочный продукт распада молекул воды.

Темновая фаза фотосинтеза 

Эта фаза проходит в строме хлоропласта. Она не зависит от наличия света, и протекает параллельно со световой фазой, а также в ночное время суток. Обязательные компоненты для протекания темновой фазы — это АТФ, НАДФ 2Н, углекислый газ и вода.

В строме хлоропласта происходят циклические реакции соединения углекислого газа с водородом, с использованием энергии АТФ и НАДФ 2Н, в результате чего образуется глюкоза. Циклические реакции получили название — цикл Кальвина, по имени американского ученого, описавшего весь процесс. 

Избыток глюкозы может преобразоваться в крахмал, так растение накапливает энергию в виде органических соединений, образованных в ходе фотосинтеза. 

Небольшая часть органического вещества остается в листе. Остальные углеводы будут путешествовать по всему организму растения по ситовидным трубкам флоэмы, и поступать именно туда, где требуется энергия, например, для роста. 

Темновая фаза необходима для создания углеводов с использованием энергии молекул АТФ и НАДФ 2Н. 

Какую ошибку совершил Ян ван Гельмонт? Водная теория Ян ван Гельмонта является абсолютно неверной. Вода — это важный компонент для фотосинтеза, но именно как источник водорода. Водород и углекислый газ участвуют в создании органических веществ, которые и составили основную массу растения.

Хемосинтез

Можно ли создать первичное органическое вещество без световой энергии?

Фотосинтез — это не единственный способ создания органического вещества из неорганического. Некоторые бактерии научились использовать энергию, выделяемую при окислении минеральных веществ. Такой способ автотрофного питания называется хемосинтезом. 

Группа хемосинтетиков	Характеристика и их значение
Нитрифицирующие бактерии	Обитают в почве. Окисляют аммиак, который образовался при гниении органических остатков, до нитрита, затем до нитрата. В результате их деятельности повышается урожайность растений.
Серобактерии	Обитают в пресных и соленых водоемах. Окисляют сероводород до серы или до серной кислоты. Разрушают горные породы, металлические и каменные сооружения.
Железобактерии	Обитают в пресных и морских водоемах. Окисляют двухвалентное железо до трехвалентного. Образуют залежи марганца и железных руд.
Водородные бактерии	Окисляют водород до воды. Используется для очистки атмосферы от углекислого газа.

Фактчек

• Метаболизм — совокупность процессов, обеспечивающих преобразование веществ, энергии и информации в клетке и ее саморегуляцию, самообновление и самовоспроизведение.
• Обмен веществ состоит из двух взаимосвязанных процессов: катаболизм и анаболизм.
• АТФ — единственный и универсальный источник энергии для любого живого организма.
• Катаболизм — это энергетический обмен, или совокупность реакций расщепления сложных соединений до более простых, сопровождающихся выделением энергии.
• Энергетический обмен проходит в три этапа: подготовительный, гликолиз, окислительное фосфорилирование.
• Фотосинтез — это процесс образования органического вещества из неорганических с использованием энергии Солнца. Протекает в 2 фазы: световая и темновая.

Проверь себя

Задание 1. 
Во время катаболизма происходит:

1. фотолиз воды
2. органические вещества окисляются
3. синтезируются органические вещества
4. АТФ преобразуется в АДФ

Задание 2.
Чем характеризуется брожение?

1. синтезом 36 молекул АТФ
2. протеканием в митохондриях
3. протеканием при наличии кислорода
4. образованием молочной кислоты или этанола

Задание 3.
Во время световой фазы фотосинтеза происходит:

1. образование глюкозы
2. фотолиз воды
3. разложение молекул АТФ
4. соединение углекислого газа с протонами водорода

Задание 4. 
Темновая фаза фотосинтеза происходит:

1. на кристах митохондрий
2. в строме хлоропласт
3. в тилакоидах хлоропласта
4. в матриксе митохондрий

Ответы: 1. — 2; 2. — 4; 3. — 2; 4. — 2.