ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ
В клетке постоянно происходит обмен веществ и энергии с окружающей средой. Обмен веществ (метаболизм) - основное свойство живых организмов. На клеточном уровне метаболизм включает два процесса: ассимиляцию (анаболизм) и диссимиляцию (катаболизм). Эти процессы происходят в клетке одновременно (рис. 1).
Рис.1. Общая характеристика обмена веществ.
Ассимиляция (пластический обмен) - совокупность реакций биологического синтеза. Из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества, характерные для данной клетки. Синтез веществ в клетке происходит с использованием энергии, заключенной в молекулах АТФ.
Диссимиляция (энергетический обмен) - совокупность реакций расщепления веществ. При расщеплении высокомолекулярных соединений выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза.
По типу ассимиляции организмы могут быть автотрофными, гетеротрофными и миксотрофными.
Автотрофная ассимиляция
Автотрофные организмы способны синтезировать органические вещества из неорганических (СО2 и Н2О). К ним относят зеленые растения и микроорганизмы. В зависимости от того, какой источник энергии используется автотрофными организмами для синтеза органических веществ, их делят на две группы: фототрофы и хемотрофы.
Фотосинтез
Зеленые растения - фототрофы. Для ассимиляции они используют энергию, выделяемую при окислении неорганических веществ. Зеленые растения имеют в хлоропластах хлорофилл. При участии хлорофилла происходит фотосинтез. Фотосинтез - процесс преобразования солнечной энергии в потенциальную энергию химических связей в органических веществах. Фотосинтез состоит из двух фаз: световой и темновой (рис. 2).
Рис. 2. Характеристика процесса фотосинтеза
Световая фаза. Под действием света молекула хлорофилла, находящаяся в гранах хлоропласта, получает избыток энергии. Часть этой энергии идет на расщепление (фотолиз) молекулы воды.
Н2O H+ +OH- (+энергия света)
Ионы водорода присоединяют к себе электрон, превращаются в свободный атом водорода.
H+ + e H
Водород Н идет на восстановление белка - переносчика НАДФ+ (никотинамидадениндинуклеотид фосфат).
НАДФ+ + Н НАДФ*H
НАДФ*Н переходит в строму хлоропласта, где участвует в синтезе углеводов, в частности, глюкозы.
Ионы ОН-, отдав электрон, превращаются в свободные радикалы, которые взаимодействуют друг с другом, образуют воду и свободный кислород. Другая часть энергии используется для синтеза АТФ из АДФ.
Таким образом, в световую фазу фотосинтеза образуются:
1) богатое энергетическими связями вещество - АТФ;
2) свободный кислород - О2;
3) происходит присоединение Н (водорода) к переносчику, образуется НАДФ*Н.
Реакции световой фазы идут без участия ферментов.
Темновая фаза. В темновой фазе происходит связывание СО2. В реакциях темновой фазы участвуют молекулы АТФ и атомы водорода, образовавшиеся в процессе фотолиза и связанные с молекулами-переносчиками. Реакции этой фазы происходят в строме хлоропластов при участии ферментов (Цикл Кальвина, рис. 48).
6 СO2 +24 H+ C6H12O6 + 6H2O
Полученные в результате темновой фазы фотосинтеза молекулы моносахарида - глюкозы через ряд ферментативных реакций превращаются в полисахариды. Так энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей сложных органических веществ.
Рис. 3. Основные этапы цикла Кальвина
Суммарная реакция фотосинтеза:
6 СO2 + H2 О C6H12O6 + 6O2
В результате фотосинтеза образуются органические вещества и кислород атмосферы.
Хемосинтез
Синтез органических веществ у автотрофных бактерий идет с использованием энергии, выделяющейся при химических реакциях окисления неорганических соединений: сероводорода, серы, аммиака, азотистой кислоты. Источник водорода для восстановления СО2 – вода. Этот процесс называется хемосинтезом.
К группе автотрофов-хемосинтетиков относят нитрифицирующие бактерии. Одна группа бактерий получает энергию, необходимую для синтеза органических веществ, в результате реакции окисления аммиака в азотистую кислоту.
Рис. 4. Основные виды хемосинтезирующих бактерий
Хемосинтезирующие бактерии (рис.4) играют важную роль в круговороте веществ в природе.
Гетеротрофная ассимиляция
Гетеротрофные организмы строят органические вещества своего тела из уже имеющихся готовых органических веществ. К гетеротрофам относят животных, грибы, некоторых бактерий.
Гетеротрофные организмы способны строить свои специфические белки, жиры, углеводы только из белков, жиров, углеводов, которые они получают с пищей. В процессе пищеварения эти вещества распадаются до мономеров. Из мономеров в клетках синтезируются вещества, характерные для данного организма. Все эти реакции идут при участии ферментов и с использованием энергии АТФ.
Рис. 5. Схема превращения веществ и энергии в гетеротрофном организме