|
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.
| 
