Лекция 2. Транспорт веществ в растительных клетках.

Диффузия — это процесс ведущий к равномерному распределению молекул газов, растворенных веществ и растворителя, благодаря их постоянному движению. Диффузия всегда направлена от большей концентрации вещества к меньшей. Направление от большей концентрации к меньшей: газы, осмос (поры из белков аквапаринов). Благодаря осмотическому притоку воды в клетку в ней возникает гидростатическое давление - тургорное. Эта давление прижимает цитоплазму к клеточной стенке и растягивает ее. Тургорное давление всегда противодействует притоку воды в клетку. А давление, с которым вода протекает в клетку - сосущая сила. Сосущая сила заменяется водным потенциалом. Водный потенциал определяется как работа необходимая для того, чтобы поднять потенциал связанной воды до потенциала чистой (свободной) воды. Потенциал воды в растворе, почве, атмосфере меньше нуля. Потенциал чистой воды равен нулю. Величину плазматического потенциала можно определить плазмолизом (5 видов). Плазмолитический метод основан на подборе изотонического раствора, т.е. имеющего осмотический потенциал равный потенциалу клетки. Раствор, при котором начался плазмолиз имеет плазматический потенциал примерно равный осмотическому потенциалу клетки. Зная концентрацию внешнего раствора, можно будет найти осмотический потенциал. Величина осмотического потенциала позволяет судить о способности растения поглощать воду из почвы и удерживать ее, несмотря на действие атмосферы. Осмотический потенциал колеблется у разных растений в пределах от -5 до -200 бар. (10 - -30 в нашем регионе).

Неорганические вещества

Симпорт - совместное движение ионов в одну сторону

Унипорт - движение одного иона или вещества

Антипорт - разнонаправленное движение ионов

Органические вещества - активный транспорт пино- и фагоцитоз

Метаболизм растительных в клетках выглядит общим образом:

1. Внешний обмен - соглашение и выделение веществ клеткой

2. Внутренний обмен - все биохимические реакции

   1. Пластический обмен (ассимиляция/анаболизм). Это синтез белка, синтез крахмала, синтез глюкозы (фотосинтез), образование липидов (липогенез), синтез АК, ростовые факторы.

   2. Энергетический обмен. Преобразования АТФ (аэробные – пентозофосфатный путь)

Особенности метаболизма:

• Первичный - все обменные процессы, которые обеспечивают поддержание жизни

• Вторичный - все разнообразие которые обеспечивают приспособление растения

Фотосинтез. Сущность и значение. Ассимиляция неорганического углерода. Типы ассимиляции углерода.

Типы ассимиляции углерода

Анализ органического вещества показывает, что оно состоит на 45% из углерода. Именно поэтому вопрос об источнике питания организмов углеродом чрезвычайно важен. Все организмы можно разделить на автотрофные и гетеротрофные. Первичные организмы нашей планеты были гетеротрофами. Их последующая эволюция стала возможной благодаря тому, что часть из них приобрела ряд мутаций, которые обусловили появление автотрофных организмов и в первую очередь фотосинтетиков. Именно они в дальнейшем во многом предопределили эволюционную стратегию всего живого на Земле. Автотрофные организмы характеризуются способностью синтезировать органическое вещество из неорганических соединений. Гетеротрофные организмы строят органическое вещество своего тела из уже имеющихся готовых органических соединений, только перестраивая их. Иначе говоря, гетеротрофные организмы живут за счет автотрофных. Для того чтобы осуществить синтез органического вещества, необходима энергия. В зависимости от используемого соединения, а также от источников энергии различают следующие основные типы питания углеродом и построения органических веществ.

Давайте представим это в виде таблицы.

Тип питания	Источник углерода	Источник водорода	Источник энергии
гетеротрофный	Органическое вещество	Органическое вещество	Органическое вещество
Автотрофный 1. Фотосинтез	СО2	Н2О	Энергия квантов света
2. Бактериальный фотосинтез	СО2	Н2S, Н2	Энергия квантов света
3. Хемосинтез	СО2	Н2О, Н2S, NH3, Н2	Энергия химических связей

Зеленые растения как все живые организмы получают энергию, окисляя углеводы и другие органические вещества в процессе дыхания. Однако в отличие от большинства организмов зеленые растения из неорганических с помощью световой энергии. Этот процесс называют фотосинтезом. Уникальность этого процесса состоит в том, что световая энергия превращается в химическую, а выделяемый кислород используется на дыхании, в том числе и самих зеленых растений. Датой открытия считают 1771-1772 гг. Д. Пристли обнаружил, что зеленое растение «исправляет» воздух.

Общее уравнение фотосинтеза выглядит следующим образом:

6СО2 + 6Н2О свет С6Н12О6 +6О2

его составил на основании опытов ряда ученых и своих экспериментов Ж. Буссенго в 1840. А доказательство перехода и запасания энергии в химических связях предоставил К.А. Тимирязев. Появление фотосинтеза на нашей планете по своей значимости можно сравнить лишь с самим зарождением жизни, поэтому не случайно основоположник учения о фотосинтезе К.А. Тимирязев говорил о его глобальной (космической) роли для всего живого, эта идея была развита в работах В.И. Вернадского (учение о биосфере).

Фотосинтез осуществляется различными группами автотрофных организмов: высшими растениями, красными и бурыми водорослями, цианобактериями, зелеными и пурпурными бактериями. У высших растений фотосинтезирующий орган – лист.

В процессе фотосинтеза происходят превращения вещества и энергии. Таким образом, мы можем дать следующие определения фотосинтеза. С общей точки зрения фотосинтез – процесс образования органического вещества из неорганического при помощи световой энергии. С энергетической точки зрения - фотосинтез процесс поэтапной стабилизации внешней неустойчивой энергии квантов света во внутреннюю устойчивую энергию химических связей органических веществ, через промежуточные формы энергии: энергию электрона, рН, АТФ, НАДФН2.

С биохимической точки зрения – фотосинтез биохимический процесс превращения устойчивых молекул неорганических веществ СО2 и Н2О в молекулы органических веществ – углеводов.

Какова же роль процесса фотосинтеза и зеленых растений?

1. Накопление органической массы. 155 млрд. т. органических веществ или 95% от общего количества ежегодно образуется зелеными растениями, при этом он усваивают 200 млрд. т. СО2 и выделяют примерно 145 млрд. тонн. О2.

2. Обеспечение постоянства содержания СО2 в воздухе. Связывание СО2 в ходе фотосинтеза в значительной мере компенсирует его выделение в результате других процессов (дыхание, брожение, деятельность вулканов, производственная деятельность человечества).

3. Препятствие развитию парникового эффекта. Часть солнечного света отражается от поверхности Земли в виде тепловых инфракрасных лучей. СО2 поглощает инфракрасное излучение и тем самым сохраняет тепло на Земле. Повышение содержания СО2 в атмосфере может способствовать увеличению температуры, то есть создавать парниковый эффект. Это приведет к затоплению прибрежных зон из-за поднятия уровня мирового океана в результате таяния ледников в горах и на полюсах. Однако высокое содержание СО2 в воздухе активирует фотосинтез и, следовательно, концентрация СО2 в воздухе опять уменьшится.

4. Накопление кислорода в атмосфере. Первоначально в атмосфере Земли кислорода было очень мало. Сейчас его содержание составляет 21 % по объему воздуха. В основном, этот кислород является продуктом фотосинтеза. Ежегодно растения и другие фотосинтезирующие организмы поставляют в атмосферу примерно 120 млрд. тонн кислорода. Почти весь кислород воздуха образовался в результате фотосинтеза древних анаэробных автотрофных организмов. Современные зеленые растения выделяют днем в 20-30 раз больше кислорода. Чем тратят на дыхание в течение суток.

5. Озоновый экран. Озон (О3) образуется в результате фото диссоциации молекул кислорода под действием солнечной радиации на высоте около 25 км. Озон задерживает большую часть ультрафиолетовых лучей, губительных для всего живого.

Процесс фотосинтеза уникален не только в аспекте своей глобальной значимости для всего живого, но и в аспекте сложности, выделим ряд особенностей этого процесса:

1. В процессе фотосинтеза происходит перевод внешней энергии окружающей среды во внутреннюю энергию биологической системы.

2. Большая разно качественность форм энергии – начальной и конечной по времени жизни. Крайне неустойчивая энергия света и очень устойчивая энергия химических связей органических веществ.

3. Поэтапность стабилизации энергии, которая позволяет получить новое качество. Энергия химических связей может долго храниться и постепенно использоваться.

4. При многократных энергетических переходах значительная часть энергии теряется (законы термодинамики). Эта одна из причин того, что КПД фотосинтеза очень мал – около 1%.

5. Промежуточные формы энергии по времени жизни занимают промежуточное положение (особенно рН, АТФ) могут непосредственно использоваться на работу.

6. Многоступенчатость энергетических преобразований предполагает достаточно сложную организацию фотосинтетического аппарата – хлоропластов.

7. Энергетические преобразования могут осуществляться особыми молекулами – металлопорфиринами.

8. Условно процесс фотосинтеза разделяют на две фазы – световую и темновую фазы.

9. Световая фаза включает два этапа – фотофизический в котором происходят первые преобразования световой энергии в энергию электронов хлорофилла, фотохимический заключается в движении электрона по электрон-транспортной цепи, локализованной на мембране тилакоидов, в результате чего создается разность потенциалов, позволяющая синтезировать АТФ.

10. Непосредственно образование органических веществ идет в темновую фазу, которая представлена одним – биохимическим этапом – циклом Кальвина, в результате чего образуется глюкоза.

11. Процесс фотосинтеза является прерывистым, он не идет ночью и зимой.