13. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В ОРГАНИЗМЕ: пластический обмен (фотосинтез, синтез белка)

• Что такое метаболизм?
• В чём суть пластического обмена?
• В каких органоидах клетки происходят фотосинтез и синтез белка?

Пластический обмен — это все реакции синтеза веществ, необходимых для нормальной жизнедеятельности (рис. 49). По способу получения таких веществ живые организмы разделяют на две группы: гетеротрофы и автотрофы.

Гетеротрофы — это организмы, использующие в качестве источника углерода и одновременно источника энергии готовые органические вещества, получаемые извне. К ним относятся животные, грибы, многие бактерии.

По способу получения органических веществ гетеротрофов разделяют на паразитов, сапротрофов и голозойные организмы.

Паразиты получают вещества из живых организмов, нанося им вред, например: дизентерийная амёба, бычий цепень, петров крест.

Сапротрофы питаются органическими веществами мёртвых организмов, всасывая их через клеточную стенку, например: многие грибы, бактерии гниения.

Голозойные организмы поедают пищу (органические вещества), переваривают её и усваивают путём всасывания. Голозойные организмы подразделяют на травоядных, плотоядных и всеядных.

Автотрофы — это организмы, способные самостоятельно синтезировать необходимые органические вещества, используя в качестве источника углерода углекислый газ.

Автотрофов разделяют на фотосинтетиков, использующих для синтеза органических веществ энергию света (зелёные растения и цианобактерии) и хемосинтетиков, синтезирующих органические вещества за счёт энергии химических связей (некоторые виды бактерий). Существуют также миксотрофы, обладающие смешанным питанием и в отсутствие света способные питаться гетеротрофно (эвглена зелёная).

Фотосинтез. Фотосинтез — это, как уже говорилось, способ питания зелёных растений и некоторых бактерий (рис. 50). В процессе фотосинтеза с участием неорганических веществ — углекислого газа (С02) и воды (Н20) за счёт энергии солнечного света образуются органическое вещество глюкоза (С6Н1206) и кислород (02), который выделяется в окружающую среду. Суммарная реакция фотосинтеза:

6С0₂ + 6Н₂0 + энергия света —> С₆Н₁₂0₆ + 60₂↗.

Фотосинтез в растительных клетках осуществляется в хлоропластах. Это сложный и многоступенчатый процесс, в котором можно выделить две фазы: световую и темновую.

В световую фазу молекулы хлорофилла захватывают фотоны света, и большая часть их энергии используется растением для синтеза АТФ. Молекула хлорофилла, захватив фотон, на очень короткое время возбуждается, в результате чего один из её электронов получает избыток энергии. Этот электрон перемещается по цепи белков-переносчиков, находящихся в мембране тилакоида, и его энергии хватает для синтеза двух молекул АТФ. Этот процесс эффективен, и в хлоропластах образуется гораздо больше АТФ, чем в митохондриях растительной клетки.

В световую фазу идёт также другой важный процесс — фотолиз воды. При фотолизе молекулы Н20 распадаются не на протон и гидроксил-ион, а на протон, электроны (они поступают к молекулам хлорофилла) и молекулярный кислород. Именно при фотолизе воды выделяется в качестве побочного продукта тот кислород, которым дышит большинство живых существ на Земле:

40Н -> 0₂ + 2Н₂О

Образовавшиеся в ходе фотолиза воды протоны запасаются в составе особых молекул-переносчиков протонов (НАДФН). Эти молекулы доставят протоны в реакции темновой фазы, где они будут использоваться для синтеза углеводов. На этом световая фаза фотосинтеза заканчивается, и в результате в хлоропласте накапливаются богатые энергией соединения.

Темповая фаза фотосинтеза. Реакции темновой фазы протекают в строме хлоропластов, причём от освещённости они не зависят. В строму из пластид поступают богатые энергией вещества, в частности АТФ, а также С02, который попадает в клетки листьев через устьица. В результате многоступенчатых реакций в темновую фазу С02 восстанавливается до глюкозы, затрачивая при этом энергию, запасённую в световую фазу:

6С0₂ + 24Н+ + АТФ -> С₆Н₁₂0₆ + 6Н₂0.

Фотосинтез продуктивен, но хлоропласты листа захватывают для участия в этом процессе всего один квант света из 100 тыс. Тем не менее этого достаточно для того, чтобы зелёное растение могло синтезировать 1 г глюкозы в час с поверхности листьев площадью 1 м2.

Общепланетарное значение фотосинтеза заключается в том, что большинство наземных пищевых цепей начинается именно с фотосинтетиков и без фотосинтеза жизнь на Земле в её современном виде очень быстро прекратится.

Хемосинтез. Хемосинтетики — это автотрофы, способные синтезировать необходимые им органические соединения из неорганических за счёт энергии химических реакций окисления, происходящих в их организме. Захватываемые хемосинтетиками вещества окисляются, а образующаяся энергия используется на синтез сложных органических молекул из С02 и Н20. Этот процесс носит название хемосинтеза.

Важнейшая группа хемосинтезирующих организмов — нитрифицирующие бактерии. Исследуя их, русский микробиолог Сергей Николаевич Виноградский в 1887 г. открыл процесс хемосинтеза. Обитая в почве, эти бактерии окисляют аммиак, образующийся при гниении органических остатков, до азотистой кислоты:

2NH₃ + 30₂ -> 2HN0₂ + 2Н₂О + 635 кДж,

а образующуюся при этом энергию используют в своей жизнедеятельности. Затем другие бактерии этой группы окисляют азотистую кислоту до азотной:

2HN0₂ + 0₂ -> 2HN0₃ + 151,1 кДж.

Взаимодействуя с минеральными веществами почвы, азотистая и азотная кислоты образуют соли (нитриты, нитраты), являющиеся важнейшими компонентами минерального питания высших растений.

В результате деятельности других видов бактерий в почве происходит образование фосфатов, также используемых высшими растениями.

Синтез белка. Важнейший процесс пластического обмена — синтез белка (рис. 51). Синтезировать белки могут все клетки, кроме утерявших ядро, например клетки зрелых эритроцитов человека.

Первичная структура белка определяется ядерной ДНК. Информация о последовательности аминокислот в одной пептидной цепи заложена в участке ДНК, называемом геном. Код ДНК един для всех организмов. Каждой аминокислоте соответствует три нуклеотида, образующих триплет, или кодон. Имеет место явная избыточность кода: существуют 64 комбинации триплетов, тогда как аминокислот только 20 видов. Есть также триплеты, которые обозначают начало и конец синтеза белка.

Синтез белка начинается с транскрипции, т. е. с синтеза иРНК по матрице одной из цепей ДНК. Процесс идёт по принципу комплементарности с помощью фермента РНК-полимеразы, начиная с определённого участка ДНК. Синтезированная иРНК направляется в цитоплазму к рибосомам, где и происходит сборка белковой молекулы.

К рибосомам подходят аминокислоты в соединении с тРНК, имеющей структуру, похожую на лист клевера. В этой структуре есть акцепторный «стебель», к которому и прикрепляется аминокислота. В центральной петле молекулы тРНК находится участок, который называют антикодоном, он определяет, какую аминокислоту может переносить эта тРНК. Существует более 60 видов тРНК.

Процесс синтеза белка называют трансляцией. Собранные в полисомы рибосомы двигаются по иРНК; движение происходит последовательно, по триплетам. В месте контакта рибосомы с иРНК работает фермент, собирающий белок из аминокислот, доставляемых к рибосомам тРНК. При этом происходит сравнение кодона иРНК с антикодоном тРНК: если они комплементарны, фермент (синтетаза) «сшивает» аминокислоты пептидной связью, а рибосома продвигается вперёд на один кодон.

Таким образом, трансляция — это перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот синтезируемого белка.

Подсчитано, что все белки организма млекопитающего могут быть закодированы всего 2% ДНК, содержащимися в его клетках. А для чего же нужны остальные 98% ДНК? Оказывается, каждый ген устроен гораздо сложнее, чем считали раньше, и содержит не только тот участок, в котором закодирована структура какого-либо белка, но и специальные участки, способные включать

и выключать работу каждого гена. Вот почему все клетки, например, человеческого организма, имеющие одинаковый набор хромосом, способны синтезировать разные белки: в одних клетках синтез белков идёт с помощью одних генов, а в других задействованы совсем иные гены. Итак, в каждой клетке реализуется только часть генетической информации, содержащейся в её генах.

Кроме того, огромное количество генов, доставшихся нам от далёких, совсем не похожих на нас предков, сохраняется в нашем генотипе, не проявляя себя внешне.

Запомнить: пластический обмен; гетеротрофы, автотрофы, миксотрофы, паразиты, сапрофиты; фазы фотосинтеза; хемосинтетики; ген; транскрипция; трансляция)

По способу получения органических веществ, т. е. по способу питания, все существа на Земле подразделяют на гетеротрофов и автотрофов. Автотрофы способны самостоятельно синтезировать необходимые органические вещества за счёт энергии солнечного света — фотосинтетики и за счёт энергии химических превращений — хемосинтетики. Синтез белка — важнейший процесс ассимиляции, включающий в себя транскрипцию и трансляцию.

Думай, делай выводы, действуй

Проверь свои знания

1. Какие существуют типы питания?
2. Кто такие автотрофы?
3. Какие процессы происходят в темновую фазу фотосинтеза?
4. Чем фотосинтетики отличаются от хемосинтетиков?
5. Что такое ген?
6. Что происходит в процессе трансляции?

Выполни задания

1. Перечислите и охарактеризуйте этапы фотосинтеза.
2. Опишите этапы биосинтеза белка.

Обсуди с товарищами

1. Как понять выражение: «Дрова, уголь — «консервы» солнечной энергии»?
2. Какова роль зелёных растений в обеспечении условий для жизни на нашей планете?
3. Можно ли отнести азотофиксирующие бактерии к автотрофам?

Выскажи мнение

Можно ли считать рибосомы «сборочными цехами» в технологической цепочке производства белка?