Обмен веществ и энергии в клетке
Любой живой организм, является открытой системой. Это означает, что для его существования необходим постоянный обмен с окружающей средой веществом, энергией и информацией.
Обмен веществом и энергией в клетке состоит из двух взаимосвязанных процессов:
1. Пластический обмен (ассимиляция). Объединяет все реакции синтеза происходящие в организме.
2.Энергетический обмен (диссимиляция). Объединяет все процессы расщепления веществ в организме.
В структуре обмена веществ и энергии выделяют три этапа:
1. Подготовительный этап. На этом этапе поступающие в организм вещества расщепляются до составных компонентов. Здесь происходит уничтожение чужеродной генетической программы, на основе которой построены эти вещества. Энергия, выделяемая на этом этапе, не запасается, а выделяется в окружающую среду в виде тепла.
2. Бескислородный (анаэробный). На этом этапе происходит расщепление глюкозы без участия кислорода, до более простых составляющих (молочная кислота, уксусная кислота, спирты и т.д.). На этом этапе происходит запасание энергии в виде 2-х молекул АТФ на одну молекулу глюкозы.
3. Кислородный (аэробный). Происходит расщепление веществ, полученных на бескислородном этапе, до углекислого газа и воды. На каждую молекулу глюкозы запасается 36 молекул АТФ.
В конечном итоге при расщеплении одной молекулы глюкозы запасается 38 молекул АТФ.
Питание
Процесс поступления в организм веществ, необходимых для построения тела и получения энергии называется питанием. По характеру питания все живые организмы делятся на 3 группы:
1. Автотрофные. Это организмы, которые сами синтезируют органические вещества для построения тела и получения энергии.
2. Гетеротрофные. Питаются готовыми органическими веществами, которые добывают из внешней среды.
3. Миксотрофные. При определенных условиях питаются автотрофно, а при определенных гетеротрофно.
Автотрофное питание
У растений и некоторых групп бактерий в качестве способа автотрофного питания используется фотосинтез.
Фотосинтез – процесс образования органических веществ при участии энергии света.
В процессе фотосинтеза принимают участие органоиды специального назначения – хлоропласты. Снаружи хлоропласт покрыт двойной мембраной (1), сходной по строению с клеточной. Его внутренняя полость заполнена желеобразной структурой – стромой (2). В строме располагаются элементарные функциональные единицы хлоропласта, называемые телакоидами (4). Они уложены в стопки – граны (3).
Строение хлоропласта
Телакоид образован двумя мембранами: наружной (1) и внутренней (2). Между этими мембранами располагается молекула хлорофилла (3). К наружной мембране прикреплен фермент АТФ-аза (4). Внутренняя полость телакоида называется «Н+ резервуар» (5).
Строение телакоида
Механизм процесса фотосинтеза
Квант света ударяет в молекулу хлорофилла и выбивает из нее в строму электрон богатый энергией. Хлорофилл выступает в качестве элемента, который переводит энергию света в энергию электронов. Этот электрон захватывается ионом водорода, и водород переходит в атомарное состояние. В таком виде он захватывается веществом никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ). Образуется НАДФ·Н2 (восстановленная форма), в виде которой водород запасается для последующего синтеза органических веществ. В Н+- резервуаре происходит диссоциация воды. Этот процесс называется фотолизом, так как происходит при участии световой энергии. Образовавшиеся ионы гидроксила (ОН -) отдают свои электроны и образуют воду и молекулярный кислород, который удаляется из растения как шлак. Отданные электроны поступают в молекулу хлорофилла и компенсируют убыль электронов от воздействия света. В Н+- резервуаре накапливаются ионы водорода, которые, проходя через мембраны телакоида, отдают свою энергию для синтеза АТФ из АДФ при участии АТФ-азы. В таком виде происходит накопление энергии для последующего синтеза органических веществ. Эта стадия фотосинтеза называется световой фазой, так как все процессы на данном этапе могут проходить только при участии световой энергии. Основными итогами данной фазы являются накопление водорода и энергии для синтеза органических веществ.
Вторая фаза фотосинтеза называется темновой фазой, так как при её осуществлении не требуется участие энергии света. В процессе этой фазы из углекислого газа, взятого из атмосферы, накопленного водорода и энергии, накопленной в виде АТФ в световую фазу, осуществляется синтез органических веществ в виде целлюлозы или крахмала. Вся совокупность этих реакций синтеза глюкозы, для последующей полимеризации, называется циклом Кальвина. Окончательное уравнение фотосинтеза: СО2 + Н2О + энергия света = (С6Н12О6)n + О2 ↑
Схема процесса фотосинтеза
а/ Световая фаза фотосинтеза.
.б/ Темновая фаза фотосинтеза.
У некоторых групп бактерий существует второй вариант процесса автотрофного дыхания – хемосинтез. В отличие от фотосинтеза при хемосинтезе энергия для образования органических веществ берется от электронов, перемещающихся в процессе окислительно-восстановительных реакций.