1. Охарактеризуйте особенности обмена веществ в растительной клетке. Раскройте суть процесса фотосинтеза и его планетарное значение.

Растительная клетка имеет много общих черт как в строении, так и метаболических процессах с животной клеткой. Структурные различия заключаются наличием у растительной клетке целлюлозной оболочки, большой по объему вакуоли, отсутствием центриолей при делении. Функциональные различия, в основном, относятся к клеткам содержащих пигменты, способные усваивать кванты света и трансформировать усвоенную лучистую энергию в химическую энергии АТФ (аденозинтрифосфат) и восстановленный НАДФ∙Н (никотинамид-адениндинуклеотидфосфат), которые используются на образование органических веществ из неорганических двуокиси углерода ( СО₂) и воды ( Н₂О). Образованные органические вещества в этом процессе, называемого фотосинтезом, затем превращаются в многообразные органические вещества идущие на жизненные процессы как самой клетки ( автотрофия), так и клеток растения, которые не содержат пигментов и зависят от поступления готовых питательных веществ (гетеротрофия). Отсюда, основной особенностью обмена веществ растительной клетки является её способность улавливать световую энергию с участием пигментов и запасать эту энергию в химические связи органических веществ АТФ и НАДФ∙Н. Однако надо отметить, что эта способность закодирована в геноме любой растительной клетки фотосинтезирующего растения (тотипотентность), но в силу дифференцировки и специализации в выполнении функций (клетки корня, меристематических, проводящих, покровных и запасающих тканей и др.) не реализуется, находится в репрессированном состоянии. Так что по сути можно признать все клетки растений, генетически потенциально автотрофны. Этим свойством не обладает ни одна клетка животного организма.

Фотосинтез - процесс образования органических соединений из неорганических благодаря превращению световой энергии в энергию химических связей.

В настоящее время известно, что фотосинтез проходит две стадии, но только одна из них — на свету. Доказательства двухстадийности процесса впервые были получены в 1905 году английским физиологом растений Ф. Ф. Блэклином, который исследовал влияние освещенности и температуры на объем фотосинтеза. Фотосинтез в растениях осуществляется в хлоропластах. Он включает преобразования энергии (световой процесс), превращение вещества (темновой процесс). Световой процесс происходит в тилакоидах, темновой — в строме хлоропластов. Обобщенное циркулирование фотосинтеза выглядит следующим образом: свет 6СO₂ + 12H₂О → C₆H₁₂O₆ + 6H₂О + 6O₂ Два процесса фотосинтеза выражаются отдельными уравнениями: 12H₂О → 12H₂ + 6O₂ + энергия АТФ (световой процесс) 12H₂ + 6O₂ + энергия АТФ → С₆H₁₂O₆ + H₂О (темновой процесс) Фотосинтез — единственный процесс в биосфере, ведущий к увеличению ее свободной энергии за счет внешнего источника. Запасенная в продуктах фотосинтеза энергия — основной источник энергии для человечества. Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется 150 млрд. тонн органического вещества и выделяется около 200 млн. тонн свободного кислорода. Круговорот кислорода, углерода и других элементов, вовлекаемых в фотосинтез, поддерживает современный состав атмосферы, необходимый для жизни на Земле. Фотосинтез препятствует увеличению концентрации СO2, предотвращая перегрев Земли вследствие так называемого «парникового эффекта». Поскольку зеленые растения представляют собой непосредственную или опосредованную базу питания всех других гетеротрофных организмов, фотосинтез удовлетворяет потребность в пище всего живого на нашей планете. Он — важнейшая основа сельского и лесного хозяйства. Квадратный метр поверхности листьев в течение одного часа продуцирует около одного грамма сахара; это значит, что все растения, по приблизительной оценке, изымают из атмосферы от 100 до 200 млрд. тонн С в год. Около 60 % этого количества поглощают леса, занимающие 30 % непокрытой льдами поверхности суши, 32 % — окультуренные земли, а оставшиеся 8 % — растения степей и пустынных мест, а также городов и поселков.

Фотосинтез - процесс образования органических соединений из неорганических благодаря превращению световой энергии в энергию химических связей.

К фототрофным организмам принадлежат зеленые растения (высшие растения, водоросли), некоторые животные (жгутиковые), а также неко­торые прокариоты - цианобактерии, пурпурные и зеленые серобактерии.

В клетках высших растений фотосинтез происходит в специальных органеллах - хлоропластах, содержащих пигменты. Основными фото- синтезирующими пигментами являются хлорофиллы.

В основе фотосинтеза лежат окислительно-восстановительные ре­акции, связанные с переносом электронов от соединений - поставщиков электронов к соединениям, которые их принимают, а также с образова­нием углеводов и выделением в атмосферу молекулярного кислорода.

В процессе фотосинтеза у зеленых растений и цианобактерий прини­мают участие фотосистемы: первая (I) и вторая (II), имеющие реакцион­ные центры, в состав которых входят молекулы хлорофилла, соедине­ния, способные принимать и отдавать электроны и другие вещества. Фо­тосистемы связаны между собой системой переноса электронов; они вклю­чаются последовательно - сначала фотосистема I, затем - фотосистема II.

Процесс фотосинтеза происходит в две фазы - световую и темновую. В световой фазе реакции протекают на свету в мембранах тилакоидов - особых структур хлоропластов. Фотосинтез начинается с поглощения све­товой энергии светопоглощающими пигментами фотосистемы I. Далее реакционный центр «возбуждает» один из электронов хлорофилла. Молекулами-переносчиками этот электрон переносится на наружную повер­хность мембраны, приобретая определенную потенциальную энергию.

1) В фотосистеме I электроны, взаимодействуя с ионами гидрогена, имеющимися в окружающей среде, восстанавливают это соединение. Впоследствии оно становится поставщиком гидрогена, необходимого для восстановления С0₂ до глюкозы. Упомянутое выше соединение называ­ется НАДФ⁺ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат, окисленная фор­ма).- Реакция его восстановления имеет такой вид:

Атомарный водород потом используется для построения глюкозы.

2) На фотосистеме II происходит распад воды. Под действием света при участии ферментов молекула воды расщепляется на ионы гидрогена, молекулярный кислород (выделяющийся в атмосферу) и электроны (используются на восстановление фотосистемы II):

2Н₂О → 4Н⁺ + О₂ + 4е

Этот процесс называется фотолизом.

Ионы гидрогена Н⁺, присоединяя электроны с высоким энергетичес­ким уровнем, превращаются в атомарный гидроген, который использу­ется в последующих реакциях фотосинтеза.

3) Далее происходит превращение энергии электронов в энергию АТФ: АДФ + Ф + энергия АТФ.

Энергия АТФ используется для построения глюкозы.

Реакции темновой фазы фотосинтеза протекают внутри хлороплас- тов и на свету, и в темноте. При наличии углекислого газа, определенных соединений и энергии АТФ, запасающейся в ходе световых реакций, гид­роген присоединяется к С0₂, поступающему в хлоропласты из внешней среды. Через ряд последовательных реакций при участии специфических ферментов образуются моносахариды (в частности, глюкоза), из которых затем синтезируются полисахариды (крахмал, целлюлоза).

Значение фотосинтеза:

1. Вследствие фотосинтеза на Земле образуется ежегодно до 200 млрд тонн сухого вещества, за счет которого поддерживается жизнедеятель­ность всех гетеротрофных организмов.

2. При фотосинтезе в атмосферу выделяется кислород, а поглощается уг­лекислый газ. Таким образом, зеленые растения обеспечивают жизнь на Зем­ле, играя на ней, по словам К. А. Тимирязева, роль космического фактора.

3. Фотосинтез препятствует увеличению концентрации углекислого газа в атмосфере, предупреждая перегрев Земли из-за парникового эффекта.

4. Кислород фотосинтеза не только обеспечивает дыхание живых существ, но и защищает их от жесткого ультрафиолетового излуче­ния озоновым экраном.