Обмен веществ.

Метаболизм–совокупность химических и энергетических реакций в клетке, включающая все способы поступления веществ в клетку и выделение продуктов обмена. Складывается из двух процессов.

Ассимиляция (анаболизм) – процесс синтеза органических веществ, характерных для данного организма (А+В=АВ–Е) Идет с участием ферментов и поглощением энергии. Совокупность энергетических реакций синтеза органических веществ, идущих на построение клетки и обновление ее состава – пластический обмен. У растений – фотосинтез, у животных–биосинтез белка.

Различают: автотрофы–синтез органических веществ из неорганических. Гетеротрофы–синтез собственных органических веществ из поступающих с пищей. Миксотрофы – синтез, как у автотрофов, так и у гетеротрофов.

Диссимиляция (катаболизм) - процесс расщепления сложных веществ до более простых (АВ=А+В+Е) Идет с участием ферментов и выделением энергии, необходимой для синтеза АТФ и обогревание организма. Совокупность химических реакций распада крупных органических веществ до простых и других с выделением энергии – энергетический обмен. Различают: анаэробные (не используют для расщепления кислород), аэробные (используют кислород). В процессах ассимиляции и диссимиляции должна быть одинаковая скорость.

Фотосинтез.

Фотосинтез – синтез органических веществ из неорганических (вода и углекислый газ), идущий с использованием света.

У растений идет в хлоропластах, у фотосинтезирующих бактерий – на фотосинтезирующих мембранах при бактериохлорофилле.

История изучения.

В середине XVΙΙΙ в. английский ученый Пристли Эрзер доказал, что растения на свету усваивают СО₂ , выделяют кислород и органические вещества..

Во второй половине XΙX века Тимирязев доказал, что энергия солнечного света вводится в цепь фотохимических превращений через зеленый пигмент растений.

1937г. - Хилл привел биохимическое доказательство существования темновой фазы.

1941г - Виноградов и Рубен доказали, что источником кислорода является вода, а не СО₂.

Середина XX века: доказано существование окислительно – восстановительных реакций, двух фотосистем, фосфорелировании и цикле Кальвина.

Фотосистема – совокупность молекул фотосинтезирующих пигментов и белков-переносчиков, упакованных в мембраны тилакоидов гран.

Существует 2 типа ФС: ФС-1 – реакционный центр хлорофилл Р700; ФС-2 – реакционный центр хлорофилл Р680.

Фазы фотосинтеза.

1. Световая – поглощение и преобразование энергии.

2. Темновая – превращение веществ и синтез углеводов.

Ι. Световая фаза ― это совокупность фотохимических реакций, в результате которых энергия кванта света преобразуются в энергию химических связей.

Осуществляется на свету, в тилакоидах гран. Световые реакции начинаются с поглощения кванта хлорофиллом Р680.

Последовательность.

1. Поглощение кванта молекулой хлорофилла Р680

2. Квант улавливают молекулы ФС-2 и переходят в возбужденное состояние, электроны переходят на более высокий энергетический уровень на акцептор Q.

3. Электроны достигают РЦ ФС-2, откуда парами переносятся на акцептор Q. От Q электроны «спускаются» по ЭТЦ, состоящей из цитохромов. Энергия идет на синтез АТФ из АДФ и Ф (нециклическое фосфорилирование).

4. Р680, потерявшая свои электроны, возмещает их электронами H₂O. Фотолиз ―процесс расщепления воды, в рез образуются электроны и протоны (2H₂O→ 4e- +4H⁺+O₂↑). Протоны не проникают через мембраны митохондрий, а накапливаются внутри, образуя электронное поле, используемое для заполнения « электронных дыр» в ФС2.

5. Энергия в ФС1 будет способствовать выбиванию более труднодоступных электронов на внешнюю орбиту.

6. От РЦ ФС1(Р680) электроны передаются акцептору Р340, который передает их белку ферредоксину, и они идут в двух направлениях: электроны возвращаются в ЭТЦ, в ФС 1 при этом происходит синтез АТФ (циклическое фосфорилирование) или электроны выходят за пределы мембран тилакоида .

7. По обе стороны мембраны тилакоида, создается разнозаряженное электронное поле. При достижении критической разности потенциалов, протоны выходят по каналу, встроенному в мембрану тилакоида, наружу.

8. Протоны на мембране соединяются с электронами, образуя атомарный водород, который используется для восстановления НАДФ⁺.

Результаты световой фазы:

1. Образование кислорода,

2. Синтез АТФ,

3. Образование НАДФ·Н_2.

Факторы, влияющие на скорость фотосинтеза:

1. Свет. Скорость фотосинтеза прямо пропорциональна интенсивности света. При повышении интенсивности скорость реакции увеличивается.

2. Время. Чем больше продолжительность действия света, тем обширнее идет реакция.

3. Концентрация СО₂. Норма концентрации 0,3 – 0,4%. При концентрации до 0,1% скорость увеличивается.

4. Вода. Донор электронов и протонов. При уменьшении содержания воды в устьях, они закрываются и СО₂ не может проникнуть в клетку.

5. Температура. Оптимум температуры +25°С в средней полосе. При понижении температуры снижается работоспособность клетки.

6. Питание растений (наличие Mg²⁺, Fe²⁺).

ΙΙ. Темновая фаза. Происходит в строме хлоропласта, без света, с участием АТФ и НАДФН происходит восстановление CO₂ до глюкозы (C₆H₁₂O₆).

Последовательность:

1. Фиксация СО₂ рибулозодифосфатом. Нестойкое соединение, распадающееся на 2 молекулы. РБФ + CO₂ = 2 ФГК. Т.к. каждая молекула ФГК содержит три атома углерода, то этот цикл принято называть С₃ путем.

2. Восстановление ФГК до ФГА. Для этого используется способности НАДФ·Н₂ и АТФ.

3. Образование глюкозы. 2 ФГА через ряд промежуточных реакций используются для синтеза глюкозы. 2 ФГА → С₆ →С₆Н₁₂О₆.

4. Восстановление рибулозотрифосфата. Оставшаяся часть ФГА идет на регенерацию рибулозотрифосфата при затрате основной части АТФ. 5 ФГА → 3 РТФ.

6 СО₂ + 12 НАДФ·Н₂ +12 АТФ = С₆Н₁₂О₆ + 12 НАДФ⁺ + 12 АДФ + 12 Ф + 6 Н₂О.

С₄ – путь фотосинтеза.

Кроме цикла Кальвина, существует другой путь фиксации. У некоторых растений первый продукт фиксации не С₃, а С₄ оксалоацетат. Оксалоацетат превращается в малат или аспартат, которые переносит СО₂ к РБФ цикла Кальвина. У С₄ растений начало фотосинтеза в клетках пучков, а С₃ – в клетках мезофилла. Эти растения экономично фиксируют углекислый газ. Они более приспособлены к экстремальным условиям (пустынные растения).

Значение фотосинтеза:

1. Основной способ синтеза органических веществ из неорганических.

2. Фотосинтезирующие организмы являются пищей для гетеротрофов.

3. Преобразование солнечной энергии в энергию химических связей.

4. Способствует сохранению равновесия в биосфере.