Хемосинтез.

Хемосинтез - способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ служат процессы окисления различных неорганических веществ: аммиака, сероводорода, серы, водорода и соединений железа. Источником водорода для восстановления является вода.

Открыт русским ученым С. Н. Виноградским в 1887 году.

Нитрифицирующие бактерии способны окислять аммиак, образующийся при гниении органических остатков, до азотистой, а затем до азотной кислоты. 2NH₃ + 3O₂ = 2HNO₂ + 2H₂O + 663 кДж; 2HNO₂ + O₂ = 2HNO₃ + 142кДж. Азотная кислота, реагируя с минеральными соединениями почвы, образует нитраты, которые хорошо усваиваются растениями.

Бесцветные серобактерии окисляют сероводород и накапливают серу. 2H₂S + O₂ = 2H₂O + 2S + 272кДж. При недостатке Н₂S, бактерии окисляют серу до серной кислоты.

2S+ 3O₂ + 2 H₂O = 2 H₂SO₄ + 636 кДж.

Железобактерии окисляют двухвалентное железо до трехвалентного:4FeCO₃ + O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃ + 4CO₂ + 324 кДж.

Водородные бактерии используют энергию, выделяющуюся при окислении водорода:

2H₂ + O₂ = 2H₂O + 235 кДж.

Экологическая роль:

1. Нитрифицирующие бактерии в почве и в водоемах участвуют в круговороте азота в биосфере.

2. Серобактерии, образующие серную кислоту, способствуют разрушению и выветриванию горных пород, разрушению каменных и металлических сооружений, выщелачиванию руд и серных месторождений.

3. Серобактерии, окисляющие до сульфатов, участвуют в очищении промышленных сточных вод.

4. В результате деятельности железобактерий образуется Fe(OH)₃, отложения которого образуют болотную железную руду.

5. Водородные бактерии используются для получения дешевого пищевого и кормового белка и для регенерации атмосферы в замкнутых системах жизнеобеспечения.

Диссимиляция.

Диссимиляция – совокупность химических реакций окисления органических веществ, сопровождаемая выделением энергии в виде макроэргических связей АТФ.

Основной путь получения энергии: АТФ + H₂O = АДФ + Ф +30,6 кДж.

Энергия используется для осуществления работы.

Синтез АТФ происходит в процессе фосфорилирования – присоединения РО₃ к АДФ.

Энергия для фосфорилирования образуется в процессе энергетического обмена.

У анаэробов процесс протекает в 2 этапа (подготовительный, бескислородный), у аэробов в 3 этапа (подготовительный, бескислородный, кислородный).

Аэробное дыхание.

Этапы:

1. Подготовительный. Органические вещества, поступающие с пищей, подвергаются ферментативному расщеплению. Выделяющаяся энергия рассеивается в виде теплоты, а простые вещества используются как строительный материал или подвергаются расщеплению на более простые вещества.

2. Бескислородный (гликолиз). Происходит в цитоплазме, не нуждается в кислороде и не связан с мембранами. Заключается в ферментативном расщеплении. Основной источник энергии – глюкоза, при ее недостатке используются жиры (первый резерв), затем белки (второй резерв). Гликолиз – анаэробный, многоступенчатый, ферментативный процесс распада глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты. В процессе гликолиза глюкоза также теряет 4 атома водорода, т.е. происходит окисление. В процессе синтезируются 2 АТФ. Общий выход энергии составляет 200 кДж (60% используется на тепло, 40% - 2 молекулы АТФ).

Σ C₆H₁₂O₆ + 2 АДФ + 2Ф + 2 НАД⁺ = 2 С₃Н₄О₃ + 2 АТФ + 2 НАД·Н₂ +Н₂О.

У анаэробов происходит следующее:

1. У животных (мышцы) и у бактерий ПВК окисляется до молочной кислоты, выделяется 2АТФ. Молочно-кислое брожение С₃Н₄О₄ + НАД·Н₂ = С₃Н₆О₃ + 2 АТФ.

2. У растений и дрожжей. Спиртовое брожение: ПВК = СО₂ + СН₃СОН. СН₃СОН + НАД·Н₂= С₂Н₅ОН + НАД⁺ + 2 АТФ.

Ни спиртовое, ни молочно-кислое брожение не дают дополнительной энергии т.к. значительная часть энергии глюкозы не освобождается, а остается в конечных продуктах. У анаэробов это единственный способ получения энергии.

3. Кислородный этап. ПВК поступает в митохондрии, где происходит аэробное окисление: ПВК + О₂ = Н₂О + СО₂ + 38 АТФ.

1. Окислительное декарбоксилирование. ПВК, АТФ, и ферменты находятся в матриксе митохондрии.

• Окисление (отщепление Н₂) и декарбоксилирование (отщепление СО₂) от ПВК. Атом Н₂ соединяется с НАД⁺, образуя НАД·Н₂, отправляется в дыхательным цепям.

• ПВК соединяется с коА, и образуя ацетилКофермент А.

• АцетилКОА вовлекается в цепи Кребса. Цикл Кребса – цикл ферментативных окислительных реакций три - и ди-карбоновых кислот. Цикл начинается образованием лимонной кислоты, заканчивается образованием щавелевоуксусной кислоты. В цикле из одной молекулы из АцетилКОА получается 2 молекулы углекислого газа, АТФ, ФАД·Н₂, 3 НАД·Н₂, которые направляются в дыхательные цепи до окисление до воды и АТФ.

Таким образом, глюкоза расщепляется до СО₂, а энергия частично используется для АТФ, но в основном запасается в ФАД·Н₂ и НАД·Н₂. Эти молекулы транспортируют Н₂ к внутренней мембране митохондрии, передают электроны в дыхательные цепи.

2. Окислительное фосфорилирование. Заключается в превращении энергии ФАД·Н₂ и НАД·Н₂ в ходе гликолиза и цикла Кребса в энергию химических связей АТФ, водород окисляется молекулярным кислородом, образуя воду. Роль кислорода заключается в переводе ФАД·Н₂ и НАД·Н₂ в ФАД⁺ и НАД⁺, благодаря чему они являются акцепторами водорода. Эти процессы происходят в дыхательных цепях. Дыхательная цепь – многоступенчатая цепь переноса электронов от ФАД·Н₂ и НАД·Н₂ к их конечному акцептору О₂. При взаимодействии водорода с ФАД·Н₂ и НАД·Н₂, один из них присоединяется к ФАД+ и НАД+, а другой диссоциирует на протон и электрон. Протоны временно остаются в среде и используются позже. Электроны направляются в ЭТЦ, встроенную во внутреннюю мембрану клетки. Дыхательная цепь состоит из цитохромов, которые содержат железо, которое является переносчиком электронов. Цитохромы легко окисляются и восстанавливаются. При переходе от одной молекулы к другой в определенных участках цепи, освобождается энергия и используется для синтеза АТФ т.к. реакции фосфорилирования сопровождаются окислением, данный процесс получил название фосфорилирования.

М еханизм транспорта электронов.

Последовательность.

1. Электроны от ФАД·Н приходят к КоQ при этом происходит первое фосфорилирование АТФ.

2. От КоQ электроны переходят к цитохромам в-с₁-с-а-а₃, при этом валентность железа меняется. В ходе транспорта электронов происходит синтез АТФ.

3. Электроны переходят на внутреннюю мембрану крист, где они присоединяются к О₂, образуя анион.

4. На противоположных сторонах крист образуется разнозаряженное поле. На внешней стороне положительный заряд, на внутренней – отрицательный. Возникает мембранный потенциал. Когда разница становится 200 мВт, в АТФ–синтетазе открывается протонный канал. Через него протоны, создавая высокий уровень энергии, который расходуется на синтез АТФ. Протоны взаимодействуют с кислородом, образуя воду. 4Н⁺ + О₂ = 2Н₂О.

Гипотезы синтеза АТФ.

1. Химическое сопряжение. Синтез АТФ связан с переходом электронов в дыхательные цепи.

2. Хемосинтетическая. Синтез АТФ обеспечивается наличием мембранного потенциала по обе стороны крист.

3. Синтетическая. Синтез АТФ при переходе электронов в дыхательные цепи и наличию мембранного потенциала.

Таким образом, при окислении одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.

Суммарное уравнение. С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 38 АДФ + 38 Ф = 6СО₂ + 38 АТФ + 44 Н₂О.

Учитывая, что терминальная макроэргическая связь в молекуле АТФ сохраняет около 40 кДж, полное окисление сохраняет 1520 кДж.