Фотосинтез и хемосинтез

Фотосинтез — процесс образования органических соединений из диоксида углерода (СО2) и воды с использованием и преобразованием энергии света. Происходит у зеленых растений, цианобактерий и водорослей.

Красный и синий свет улавливается фотосинтезирующим пигментом — хлорофиллом, встроенным во внутреннюю мембрану пластид или в складки цитоплазматической мембраны прокариот. Зеленый свет отражается от листа, поэтому мы видим листья зелеными.

Фотосинтез подразделяется на реакции, вызываемые светом, и реакции, связанные с фиксацией углерода. Их не совсем точно называют световой и темновой фазами.

Световая фаза — это этап, на котором энергия света, поглощенная хлорофиллом, преобразуется в химическую энергию АТФ и НАДФН2. Осуществляется на свету в мембранах гран при участии белков-переносчиков и АТФ-синтетазы.

Реакции, вызываемые светом, происходят на фотосинтетических мембранах гран хлоропластов:

• возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;

• восстановление акцепторов электронов — НАДФ+ до НАДФН2:

2Н+ + 4е - +НАДФ+ -> НАДФН2;

• фотолиз воды, происходящий при участии квантов света:

2Н2O-> 4Н++ 4е- + O2.

Процесс происходит внутри тилакоидов гран хлоропластов;

• протоны водорода Н+ накапливаются в Н+-резервуаре внутри граны. Их накопление на внутренней стороне мембраны приводит к нарастанию разности потенциалов. При этом внутренняя сторона мембраны заряжается положительно, за счет протонов, а наружная — отрицательно, за счет электронов;

• начинает работать протонная помпа, обеспечивающая движение протонов из тилакоидов в строму через канал АТФ-синтетазы под действием электрического поля. В строме же находится АДФ и остатки фосфорной кислоты, которые используются для синтеза АТФ.

Результатами световых реакций являются: образование кислорода, синтез АТФ, восстановление НАДФН2.

Темновая фаза — процесс преобразования СO2 в глюкозу в строме хлоропластов с использованием энергии АТФ и НАДФН2.

Реакции фиксации углерода — это последовательные преобразования СO2 в глюкозу:

• сначала происходит фиксация молекул С02 1-5-рибуло-зодифосфатом, при участии ферментов;

• затем диоксид постепенно восстанавливается до глюкозы при участии АТФ и НАДФН2 (Цикл Кальвина):

СO2 + 24Н -> С6Н12O6 + 6Н2O;

Рис. 12. Схема фотосинтеза

• помимо молекул глюкозы в строме образуются аминокислоты, нуклеотиды, спирты.

Суммарное уравнение фотосинтеза:

Значение фотосинтеза:

• фотосинтез обеспечивает производство исходных органических веществ, а следовательно, пищу для всех живых существ;

• в процессе фотосинтеза образуется свободный кислород, который необходим для дыхания организмов;

• кислородом образован защитный озоновый экран, предохраняющий организмы от вредного воздействия ультрафиолетового излучения;

• фотосинтез способствует снижению концентрации диоксида углерода в атмосфере.

Хемосинтез — образование органических соединений из неорганических за счет энергии окислительно-восстановительных реакций соединений азота, железа, серы. Существует несколько видов хемосинтетических реакций:

• окисление аммиака до азотистой и азотной кислот нитрифицирующими бактериями:

• превращение двухвалентного железа в трехвалентное железобактериями:

• окисление сероводорода до серы или серной кислоты серобактериями:

Выделяемая энергия используется для синтеза органических веществ.

Роль хемосинтеза: бактерии-хемосинтетики разрушают горные породы, очищают сточные воды, участвуют в образовании полезных ископаемых.

Биосинтез белка

Биосинтез белка — это один из видов пластического обмена, в ходе которого наследственная информация, закодированная в генах ДНК, реализуется в определенную последовательность аминокислот в белковых молекулах.

Этапы биосинтеза одного вида белка в клетке:

• сначала происходит синтез мРНК на определенном участке одной из цепей молекулы ДНК;

• мРНК выходит через поры ядерной мембраны в цитоплазму и прикрепляется к малой субъединице рибосом;

• к этой же субъединице рибосомы присоединяется ини-циаторная тРНК, антикодон которой взаимодействует со стартовым кодоном мРНК — АУГ, затем из малой и большой частиц формируется рабочая рибосома;

• на противоположном антикодону конце молекулы ини-циаторной тРНК находится аминокислота метионин (ее код — АУГ). Карбоксильная группа метионина присоединяется к аминогруппе следующей аминокислоты, доставленной на рибосому;

• при включении новой аминокислоты рибосома передвигается вперед на три нуклеотида. Аминокислоты, доставленные на рибосомы, ориентированы по отношению друг к другу так, что карбоксильная группа одной аминокислоты оказывается рядом с аминогруппой другой аминокислоты. В результате между ними образуется пептидная связь;

• рибосома движется вдоль мРНК, пока не достигнет одного из ее трех стоп-кодонов — УАА, УАГ или УГА;

• после этого полипептид покидает рибосому и направляется в цитоплазму. На одной молекуле мРНК находятся несколько рибосом, образующих полисому. Именно на полисомах и происходит одновременный синтез нескольких одинаковых полипептидных цепей;

• каждый этап биосинтеза катализируется соответствующим ферментом и обеспечивается энергией АТФ;

• биосинтез происходит в клетках с огромной скоростью (в организме высших животных в одну минуту образуется до 60 тыс. пептидных связей).

Точность белкового синтеза обеспечивается следующими механизмами:

• фермент аминоацил-тРНК-синтетазы обеспечивает связывание строго определенной аминокислоты с соответствующими молекулами транспортной РНК;

• транспортная РНК, присоединившая аминокислоту, своим антикодоном связывается с кодоном на информационной РНК в месте прикрепления рибосомы. Только после узнавания молекулой тРНК «своего» кодона аминокислота включается в растущую полипептидную цепь.