Обмен веществ в растительной клетке
Основные реакции пластического обмена в растительной клетке: фотосинтез, биосинтез белков. Энергетический обмен включает общий для всех организмов процесс клеточного дыхания.
Фотосинтез – это процесс образования на свету зелеными растениями глюкозы и кислорода из углекислого газа и воды. Впервые в 1871-1875 гг. научное описание процессов фотосинтеза были раскрыты в трудах русского ученого Тимирязева К.А. (1843-1920). Совокупность процессов фотосинтеза можно описать суммарным уравнением:
6СО2 + 6Н2О → С6H12О6 + 6O2
Фотосинтез происходит в хлоропластах. Его оболочка состоит из двух мембран (наружная и внутренняя), внутренняя мембрана образует ламеллы (мембранные полости и трубочки), группы ламелл образуют граны, в строме (внутренняя среда хлоропласта) имеется молекула ДНК и рибосомы.
Мембраны гран хлоропластов содержат зеленый пигмент хлорофилл. В состав молекулы хлорофилла входит магний: C55H72O5N4Mg. Функция хлорофилла – поглощение солнечного света и превращение его в энергию химических связей. От избытка света и окисления кислородом хлорофилл защищают вспомогательные фотосинтетические пигменты: каротиноиды.
Фотосинтез состоит из двух фаз:световой (для ее протекания необходим солнечный свет) итемновой (она может протекать как на свету, так и в темноте).
Световая фаза проходит в гранах хлоропластов, где синтезируются АТФ и НАДФ-Н+ (переносчик водорода). Часть энергия солнечного света запасается в виде АТФ. Другая часть энергии идет на разложение молекулы воды на кислород и водород, водород накапливается в виде молекул НАДФ-Н+.
2H2O + 4 НАДФ-Н → 4 НАДФ-Н+ + 4 е– + O2
Водород необходим для превращения углекислого газа в углевод. Побочным продуктом разложения воды на свету является кислород. Кислорода в процессе фотосинтеза выделяется в 20-30 раз больше по сравнению с поглощением в одновременно идущем дыхании.
Реакции темновой фазы протекают в строме хлоропласта. В темновую фазу фотосинтеза происходит превращение оксида углерода в углевод (глюкозу) с использованием АТФ и НАДФ-Н+.
Значение фотосинтеза: создал и поддерживает газовый состав атмосферы, препятствует увеличению концентрации CO2, за счет образования озона из кислорода защищает живое от коротковолнового УФ-излучения, делает энергию и углерод доступными для гетеротрофных организмов.
За фотосинтезом следует биосинтез. Он протекает на мембранах эндоплазматической сети с помощью ферментных систем. В реакциях биосинтеза принимают участие глюкоза, вода и ионы минеральных веществ (K+, Na+, Ca+2, PO4–3, NН4+, NO3–, NO2–), которые усваиваются корнями растений из почвы. На биосинтез тратится 50% глюкозы, образованной при фотосинтезе. Из этих веществ синтезируются органические соединения: белки, сложные углеводы, липиды.
Синтез белка (трансляция) является самым сложным из биосинтетических процессов. Синтез белка происходит на рибосомах, состоящих из двух субъединиц, образованных белком и рибосомной РНК.
Процесс синтеза белка протекает в пять этапов.
1. Активация аминокислот. Используя энергию АТФ, аминокислоты соединяются с определённой, взаимодействующей только с ними транспортной РНК.
2. Инициация белковой цепи. Информационная РНК, содержащая информацию о данном белке, связывается с рибосомой и транспортной РНК, несущей аминокислоту.
3. Элонгация. Полипептидная цепь удлиняется за счёт последовательного присоединения аминокислот.
4. Терминация – завершения синтеза цепи.
5. Сворачивание и взаимодействие с небелковыми компонентами. Чтобы принять обычную форму и приобрести соответствующие функции, белок должен образовать определённую пространственную конфигурацию. Этому способствует включение в состав белковой молекулы небелковых элементов, например железа в структуру гемоглобина.
Клеточное дыхание– это процесс окисления, в результате, которого энергия, выделяемая при распаде органических веществ (как правило, глюкоза), запасается в виде молекул АТФ. Часть энергии (45%) по второму закону термодинамики рассеивается в виде тепла. Общее уравнение процесса клеточного дыхания:
С6H12О6 + 6O2 → 6СO2 + 6Н2О + 38АТФ
Большинству живых организмов для протекания процессов клеточного дыхания необходим кислород, по этому признаку их относят к аэробам, дыхание соответственно называется аэробным (кислородным). У более древних организмов (бактерий) дыхание может происходить без участия кислорода. Такие организмы относят к анаэробам, а бескислородное дыхание называют анаэробным.
Для большинства клеток животных организмов характерно кислородное дыхание, которое протекает в три этапа.
1-ый подготовительный этапсостоит в том, что сложные полимерные органические вещества превращаются в более простые мономеры (белки – в смесь аминокислот, полисахариды – в моносахариды, жиры – в смесь глицерина и жирных кислот). Расщепление происходит в лизосомах, в желудочно-кишечном тракте многоклеточных животных.
2-ой бескислородный этап– гликолиз – ферментативная реакция расщепления глюкозы на две молекулы пировиноградной кислоты. Гликолиз – фаза окисления глюкозы общая для анаэробного и аэробного дыхания. Осуществляется в цитоплазме.
При полном отсутствии кислорода или его недостатке процесс расщепления глюкозы не останавливается на пировиноградной кислоте. Переносчики водорода, при отсутствии кислорода, отдают водород молекуле пировиноградной кислоты восстанавливая ее до молочной кислоты. Образование молочной кислоты происходит в мышечных клетках животных организмов при длительных физических нагрузках.
3-ий кислородный этаппредставляет собой цепь превращений (три стадии), в результате которых образуются неорганические вещества (СO2 и Н2O). Для его протекания необходимо присутствие кислорода. Кислородный этап клеточного дыхания проходит в митохондриях.
Первая стадия кислородного этапа – окисление пировиноградной кислоты. Осуществляется в матриксе митохондрий.
Вторая стадия кислородного этапа – цикл Кребса – комплекс взаимосвязанных циклических реакций. В результате энергия химических связей накапливается в молекулах переносчиков водорода (НАД Н, ФАД*H2) и АТФ. При этом образуется углекислый газ, атомы водорода и электроны.
Третья стадиякислородного этапа – дыхательную цепь – проходит на кристах митохондрий с использованием комплекса ферментов. При этом атом водорода включается в цепь последовательных реакций, конечный результат которых – синтез АТФ и Н2О.
При полном распаде одной молекулы глюкозы до СО2 и Н2О синтезируется 38 молекул АТФ, что соответствует 55%-му усвоению энергии, которая выделяется при полном окислении глюкозы.