§ 11 Биосинтез углеводов — фотосинтез

Биосинтез белка создает полимерную молекулу из готовых мономеров — аминокислот, уже имеющихся в клетке. Этот процесс осуществляется за счет внутренней энергии клетки (АТФ).

Биосинтез углеводов идет принципиально иначе. В клетках растений мо­номеры — моносахариды — образуются из неорганических веществ (углекисло­го газа и воды). Осуществляется этот процесс с помощью энергии света, посту­пающей в клетку из внешней среды. Этот процесс называют фотосинтезом (от греч. photos — «свет» и synthesis — «соединение»).

Созданные в клетке моносахариды (глюкоза, фруктоза) как первичные продукты фотосинтеза используются затем для биосинтеза различных полиса­харидов, сложных белковых соединений, жирных кислот, нуклеиновых кислот и многих других органических соединений.

Фотосинтез — процесс, чрезвычайно важный для всего живого населе­ния планеты. Он происходит в клетках зеленых растений с помощью пигмен­тов (хлорофилла и других), находящихся в пластидах.

Хлоропласты — это внутриклеточные органоиды (пластиды), которые благодаря пигменту хлорофиллу окрашены в зеленый цвет. В растительной клетке обычно содержится от 15 до 50 хлоропластов.

Хлоропласта имеют сложное строение. От цитоплазмы они отделены двойной мемб­раной, обладающей избирательной проницаемостью. Полость хлоропласта — строма (греч. stroma — «подстилка», «ковер») представляет собой белковое образование. Внутренняя мембрана хлоропласта, врастая внутрь стромы, создает мешковидные уплощенные структуры — тилакоиды (рис. 16)

Тилакоиды заполнены жидкостью. На мембранах тилакоида размещаются молекулы хлорофилла и других вспомогательных пигментов (каротиноиды). Поэтому их называют фотосинтезирующими мембранами. Местами тилакоиды, связанные между собой в це­почку плоских мешочков (дисков), располагаются друг над другом (как стопка монет). Такие стопки называют гранами. Число гран в хлоропластах у разных растений различ­но: от 40 до 150. Все граны хлоропласта обычно соединены между собой ламеллами — одиночными пластинчатыми тилакоидами.

Фотосинтез — сложный многоступенчатый процесс. Начало ему задает свет. Многолетние исследования фотосинтеза показали, что он включает в се­бя две стадии: световую и темновую.

Первая стадия фотосинтеза — световая. Под действием энергии света молекулы хлорофилла (и других соединений, называемых переносчиками) возбуждаются и теряют электроны. Часть электронов, захваченных фермента­ми, способствует образованию АТФ путем присоединения остатка фосфорной кислоты (Ф) к АДФ. Другая часть электронов принимает участие в расщепле­нии (разложении) воды на молекулярный кислород, ионы водорода и электро­ны. Разложение воды происходит внутри хлоропласта.

Образовавшийся при расщеплении воды водород с помощью электронов присоединяется к веществу, способному транспортировать водород в пределах хлоропласта. Таким веществом является сложное органическое соединение из группы ферментов — окисленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат, или НАДФ. Присоединив водород, НАДФ восстанавливается до НАДФ • Н. В такой химической связи запасается энергия, и заканчивается первая стадия фото­синтеза.

Участие энергии света здесь является обяза­тельным усло­вием. Поэтому данную стадию называют еще стадией световых реакций.

Кислород, образующийся на первой стадии фотосинтеза как побочный продукт при расщеплении воды, выводится наружу или используется клеткой для дыхания.

Вторая стадия фотосинтеза — темновая. Здесь используются образо­вавшиеся в процессе световых реакций продукты. С их помощью происходит преобразование углекислого газа в простые углеводы — моносахариды. Их со­здание идет путем большого количества реакций восстановления С0₂ за счет энергии АТФ и восстановительной возможности НАДФ • Н. В результате этих реакций образуются молекулы глюкозы (C₆H₁₂O₆), из которых путем полиме­ризации создаются полисахариды — целлюлоза, крахмал, гликоген и другие сложные органические соединения. Поскольку все реакции на этой стадии идут без участия света, ее называют стадией темповых реакций.

Все световые реакции (первая стадия фотосинтеза) происходят на мемб­ранах хлоропласта — в тилакоидах, а темновые (вторая стадия фотосинтеза) — между мембранами внутри хлоропласта — в строме (рис. 17).

Сложный поэтапный процесс фотосинтеза идет непрерывно, пока зеле­ные клетки получают световую энергию.

На скорость фотосинтеза влияют внешние условия среды: интенсив­ность освещения, концентрация углекислого газа и температура. Если эти па­раметры достигают оптимальных величин, происходит усиление фотосинте­за. Благодаря фотосинтезу примерно 1-1,5% энергии Солнца, получаемой зелеными растениями, запасается в органических молекулах. Фотосинтезирующие организмы дают пищу гетеротрофам, а также кислород, необходи­мый для дыхания всем живым существам на планете. Установлено, что 21% кислорода в современной атмосфере Земли создан главным образом путем фотосинтеза.

Ф отосинтез — уникальный процесс создания зелеными клетками органи­ческих веществ из неорганических, притом идущий в огромных масштабах на суше и в воде. Ежегодно растения связывают 1,7 млрд т углерода, образуя при этом более 150 млрд т органического вещества и выделяя около 200 млрд т кислорода.

.Фотосинтез — единственный на нашей планете процесс превращения энергии солнечного света в энергию химических связей органических веществ. Таким способом энергия Солнца, поступившая из космоса, преобразуется и за­пасается клетками зеленых растений в углеводах, белках и липидах, обеспечи­вая жизнедеятельность всего гетеротрофного населения живого мира — от бак­терий до человека.

Вот почему выдающийся русский ученый-естествоиспытатель К.А. Тими­рязев эту роль зеленых растений для жизни на Земле назвал космической.

1. В чем отличие биосинтеза углеводов от биосинтеза белков?

2. Откуда берется кислород, в большом количестве поставляемый в атмосферу растениями?

3*. Закончите утверждение, выбрав наиболее точную характеристику из предложенных.

• В фотосинтезе роль света заключается в том, что он... а) возбуждает хлорофилл; б) расщепляет воду;

в) соединяется с хлорофиллом; г) связывается с углекислым газом.