План:

1. Особливості процесу хемосинтезу.

2. Особливості процесу фотосинтезу.

Література: Загальна біологія: Підруч для 10 кл./ М.Є. Кучеренко та
інш. 2006. с. 115-120

Доступно только для пользователей

1. Автотрофні
організми для синтезу органічних сполук з неорганічних можуть використовувати
різні джерела енергії. Хемосинтезуючі організми, або хемотрофи (від
грец. хемейя — хімія та трофе - живлення), для синтезу органічних
сполук використовують енергію, яка вивільняється під час окиснення неорганічних
сполук. Натомість фотосинтезуючі організми, або фототрофи, для
цих процесів використовують енергію світла.

Хемосинтез — це тип жив­лення, за якого
органічні сполуки синтезуються з неорганічних із використанням енергії хімічних
реакцій. До хемотрофних організмів належать деякі групи бактерій: нітрифікуючі,
залізобактерії, без­колірні сіркобактерії та інші. Процес хемосинтезу відкрив у
1887 році видатний російський мікробіолог С.М. Виноградський (1856-1953).

Нітрифікуючі
бактерії послідовно
окиснюють аміак до нітритів (солі нітритної кислоти), а згодом — до нітратів
(солі нітратної кислоти). Залізобактерії одержують енергію за
рахунок окиснення сполук двовалентного феруму до тривалентного. Безколірні
сіркобактерії окиснюють сірководень та інші сполуки сульфуру до сульфатної
кислоти.

Яка роль хемотрофних
організмів у природі? Насам­перед вони відіграють важливу роль у процесах
перетворення хімічних елементів у біогеохімічному колообігу речовин.

Біогеохімічний
колообіг речовин — це обмін хімічними елементами і сполуками між; різними
компонентами біосфери внаслідок життєдіяльності різноманітних організмів, що
має циклічний характер.

При цьому більшість
процесів перетворення хімічних елементів у біосфері відбувається лише за участі
хемотрофних організмів.

2. Фотосинтез — це процес утворення органічних сполук з неорганічних завдяки
перетворенню світлової енергії в енергію хімічних зв'язків. До фототрофних
організмів нале­жать зелені рослини, деякі одноклітинні тварини (рос­линні
джгутикові) та прокаріоти — ціанобактерії, пурпурні та зелені бактерії.

Ви пам'ятаєте, що в
клітинах рослин фотосинтез відбувається в хлоропластах, які містять
фотосинтезуючі пігменти - хлорофіли. За своєю структурою вони нагадують
гем гемоглобіну, але в них замість феруму міститься магній.

Фотосинтез ґрунтується
на окиснювально-відновних реакціях, пов'язаних із перенесенням електронів від
сполук, які їх постачають, до сполук, які їх сприйма­ють, з утворенням
вуглеводів і виділенням в атмосферу молекулярного кисню.

У процесі фотосинтезу
у зелених рослин і ціано­бактерій беруть участь дві фотосистеми — перша
(І) і друга (II). Фотосистемою називають пігментну систему,
яка має особливі структури (так званий реак­ційний центр), в яких енергія
світла перетворюється на енергію хімічних зв'язків синтезованих сполук. До
складу реакційного центру входять молекули хлорофілу, сполуки,
здатні сприймати і віддавати електрони, та ін. Обидві фотосистеми пов'язані між
собою системою перенесення електронів. У процес фотосинтезу вони включаються
послідовно — спочатку фотосистема І, а згодом — фотосистема II.

У процесі фотосинтезу
виділяють дві фази - світло­ву і темнову. У світлову фазу реакції
перебігають у мембранах особливих структур хлоропластів — тилакоїдів лише на
світлі.

Фотосинтез починається з поглинання
світлової енергії пігментами фотосистеми І. Далі вона пере­дається в реакційний
центр і «збуджує» один з елект­ронів молекули хлорофілу. Молекули-переносники
транспортують цей електрон на зовнішню поверхню мембрани тилакоїда. Так цей
електрон набуває певної енергії.

У фотосистемі І
такий електрон
може пере­даватись особливій сполуці. Взаємодіючи з іонами гідрогену, електрони
відновлюють цю сполуку. Згодом вона постачає гідроген, необхідний для
відновлення СО₂ до глюкози (тобто сполуки, в хімічних зв'язках якої
запасається енергія).

Згадана сполука має
назву НАДФ⁺ (нікотинамід-аденіндинуклеотидфосфат, окиснена форма).
Реакція її відновлення має такий вигляд:

НАДФ⁺
+ е - + Н⁺ => НАДФ-Н

Крім того, «збуджений»
електрон, повертаючись на свій енергетичний рівень, може відновлювати фото­систему
І, заповнюючи «електронну вакансію», яка там утворилася.

Подібні процеси
відбуваються й у фотосистемі II. «Збуджені» електрони від реакційного центру
фотосистеми II передаються фотосистемі І, відновлю­ючи її. «Електронні вакансії»
в реакційному центрі фотосистеми II заповнюють електрони, які постачають молекули води. Під
дією світла за участю певних ферментів молекула води розщеплюється. При цьому
утворюються іони гідрогену, молекулярний кисень, який виділяється в атмосферу,
та електрони, що вико­ристовуються на відновлення фотосистеми II:

2Н₂0
=> 4Н⁺ + 0₂ + 4е-

Транспорт електронів у
світлових реакціях спряже­ний із перенесенням через мембрану іонів гідрогену,
але у протилежному напрямі: від зовнішньої поверхні мембрани тилакоїдів до
внутрішньої. Внаслідок цих процесів на мембрані тилакоїдів виникає різниця
електричних потенціалів (Δφ): на зовнішній поверхні мембрани накопичується
негативний електричний заряд, а на внутрішній — позитивний. Крім того, по
обидва боки цієї мембрани виникає також різниця кон­центрації іонів гідрогену
(Δ рН).

У мембрані тилакоїдів,
як і у внутрішній мемб­рані мітохондрій, міститься Н⁺-АТФаза, що
викори­стовує Δφ і Δ рН для синтезу АТФ з АДФ і фосфатної кислоти. Це
відбувається внаслідок того, що іони Н⁺ через канал у молекулі
ферменту, який забезпечує синтез АТФ, переносяться з внутрішньої поверхні
мембрани тилакоїдів на зовнішню. При цьому вони вивільняють певну кількість
енергії.

Реакції темпової
фази фотосинтезу перебігають у внутрішньому середовищі хлоропластів і
на світлі, і в темряві. За наявності вуглекислого газу, певних сполук та
енергії АТФ до СО₂, який надходить у хло­ропласти із зовнішнього
середовища, приєднується гідроген. Через низку послідовних реакцій за участю
специфічних ферментів утворюються моносахариди (зокрема, глюкоза). Згодом з них
синтезуються по­лісахариди (крохмаль, целюлоза тощо), які можуть відкладатися
про запас.

Сумарне рівняння
процесу фотосинтезу у зелених рослин має такий вигляд:

6С0₂
+ 6Н₂0 => С₆Н₁₂0₆ + 60₂

Значення фотосинтезу для існування
біосфе­ри важко переоцінити. Саме завдяки цьому процесові фотосинтезуючі
організми вловлюють з космосу світло­ву енергію Сонця і перетворюють її на
енергію < хімічних зв'язків синтезованих ними вуглеводів. Гетеротрофи
(тварини, гриби), споживаючи живих автотрофів або їхні рештки, разом з їжею
одержують енергію, яку ті запасли. Тому існування біосфери мож­ливе саме
завдяки фотосинтезу. Зелені рослини і ціа­нобактерії, вбираючи вуглекислий газ
і виділяючи кисень, впливають і на газовий склад атмосфери. Що­річно завдяки
фотосинтезу на Землі синтезується близько 150 млрд т вуглеводів і виділяється
понад 200 млрд. т вільного кисню, який забезпечує дихання всіх організмів. Крім
того, під дією космічних променів кисень перетворюється на озон (О₃),
утворюючи озоно­вий екран атмосфери. Він поглинає короткохвильові космічні
ультрафіолетові промені, які згубно діють на все живе на нашій планеті.