Первичный синтез органических веществ в клетке кратко
Обновлено: 28.06.2024
Первичная продукция на Земле создается в клетках зеленых растений под воздействием солнечной энергии (фотосинтез), а также в результате жизнедеятельности отдельных видов бактерий (хемосинтез). Следует подчеркнуть, что живые существа способны использовать только два вида энергии – световую (излучение Солнца) и химическую (энергию связей химических соединений). Этот признак и разделил живые организмы на фототрофы и хемотрофы.
5.2.1.Фотосинтез
Солнечную энергию способны непосредственно использовать только клетки зеленых растений, одноклеточных водорослей, зеленых и пурпурных бактерий. За счет этой энергии они синтезируют органические соединения: углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты и др. Такой биосинтез, который происходит благодаря энергии света, и называют фотосинтезом. Отметим, что зеленый цвет фотосинтезирующих клеток зависит от наличия в них хлорофилла, поглощающего свет в красной и синей частях спектра и пропускающего лучи, которые дают при их смешении зеленый цвет. Некоторые водоросли и бактерии имеют и иные светопоглощающие пигменты, что придает им бурый или пурпурный цвет. Среди них особое значение имеют цианобактерии, которые, по-видимому, были первыми фотосинтетиками в эволюции жизни на Земле.
В процессе фотосинтеза связывается энергия ФАР (см. 3.4.1), благодаря которой осуществляется сложная химическая реакция соединения воды и диоксида углерода в молекулы сахаров (в частности, глюкозы) с выделением свободного кислорода.
Согласно второму началу термодинамики, любые виды энергии в конечном счете переходят в тепловую форму и рассеиваются. Ряд химических реакций сопровождается выделением, рассеиванием энергии. Реакция же фотосинтеза идет против термодинамического градиента, т.е. сопровождается накоплением свободной энергии в органическом веществе за счет преобразования энергии фотонов солнечного света в энергию химических связей органического вещества (углеводов):
Схематически этот процесс представлен на рис. 5.2
Таким образом, растения суши непрерывно усваивают из атмосферного воздуха огромное количество диоксида углерода (около 200 млрд т в год) и выделяют 145 млрд т свободного кислорода, образуя около 1400 млрд т органического вещества. Именно им мы обязаны стабильностью газового состава атмосферы, а также сохранением определенного газового баланса. Общее количество ежегодно запасаемой растениями энергии оценивается значением 1,6 . 10 21 кДж.
С целью последующего синтеза более сложных органических веществ растения наряду с первичным строительным материалом — глюкозой, используют многие неорганические вещества: азотистые, фосфорные, сернистые соединения.
Рис. 5.2. Упрощенная схема фотосинтеза
Главным источником азота как элемента питания растений служат молекулы атмосферного азота: его способны фиксировать бактерии, живущие в корневых клубеньках, главным образом бобовых растений. Газообразный азот превращается при этом в аммиак — NH3и далее входит в состав аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и иных соединений.
Зеленый лист поглощает в среднем 75% падающей на него лучистой энергии. Но коэффициент использования ее на фотосинтез невысок: около 10 % при низкой освещенности и лишь 1-2%— при высокой. Остальная энергия переходит в тепловую, которая затрачивается на транспирацию и другие процессы.
Наиболее важные внешние факторы, влияющие на уровень фотосинтеза,— температура, свет, диоксид углерода и кислород. На уровне самого растения на этот процесс влияют содержание хлорофилла и воды, особенности анатомии листа, концентрация ферментов.
При повышении температуры на 10°С интенсивность фотосинтеза увеличивается в два раза, но лишь до 30-35°С, затем его интенсивность падает, и при 40-45°С фотосинтез вообще прекращается. Повышение концентрации СО2 ведет к усилению фотосинтеза, но лишь до известных пределов: при концентрации 5-10% фотосинтез ингибируется.
Те живые существа нашей планеты, которые не способны к фотосинтезу, используют для питания готовые органические вещества. К ним относятся все животные и человек, живущие благодаря трансформированной растениями энергии Солнца (за исключением хемо-синтезирующих микроорганизмов, о которых речь пойдет далее).
5.2.2 Хемосинтез
Сложные органические вещества для построения своих тел создают не только зеленые растения, но и бактерии, которые не содержат хлорофилла. Этот процесс- хемосинтез осуществляется благодаря энергии, выделяющейся при химических реакциях окисления различных неорганических соединений: сероводорода, водорода, аммиака, оксида железа (ІІ) и др. Образующаяся при этом энергия запасается в форме АТФ. К хемотрофам относятся серобактерии, нитрифицирующие бактерии, железобактерии, азотфиксирующие бактерии.
В качестве примера хемосинтеза рассмотрим окисление сероводорода и аммиака.
В водоемах, содержащих сероводород, живут бесцветные серобактерии. Энергии (Е), которая необходима для синтеза органических соединений из СО2, они получают в результате окисления сероводорода:
Свободная сера, выделяющаяся в результате этого, накапливается в клетках бактерий. Если сероводорода в последствии не хватает, серобактерии производят дальнейшее окисление содержащейся в них свободной серы до серной кислоты:
В целом энергетический эффект окисления сероводорода до серной кислоты (Е + Е 1 ) равен 666 кДж/моль сероводорода. Получаемая энергия используется для осуществления синтеза органического вещества из СО2 :
Синтез органического вещества бактериями может осуществляться как с использованием света, так и без него. В отличие от воды при фотосинтезе, донором водорода при хемосинтезе служит сероводород, а кислород при этом не выделяется.
В почве и различных водоемах широко распространены нитрифицирующие бактерии. Они добывают энергию путем окисления аммиака и азотистой кислоты, поэтому играют очень важную роль в круговороте азота в природе (см. 6.2). Аммиак, который образуется при гниении белков в почве или водоемах, окисляется нитрифицирующими бактериями (типа нитрозомонас). Этот процесс описывается таким уравнением:
Выделяющаяся энергия также используется для синтеза органических соединений. В последующем окисление азотистой кислоты до азотной осуществляется другой группой нитрифицирующих микроорганизмов, называемых нитробактером:
Процесс нитрификации происходит в почве в огромных масштабах и служит для растений источником нитратов. Кстати говоря, жизнедеятельность бактерий представляет собой один их важнейших факторов плодородия почв (см. 3.5.3).
Хемотрофы играют небольшую роль в первичном продуцировании органического вещества, но они имеют важное значение в круговороте химических элементов на планете.
Основная доля первичной продукции на Земле создается в клетках зеленых растений под воздействием солнечной энергии.
Этот процесс именуется фотосинтезом.
Некоторая часть первичной продукции нарабатывается бактериями за счет реализации химических процессов, которые именуются хемосинтезом.
Процесс фотосинтеза состоит в том, что в результате сложных химических реакций вода и диоксид углерода соединяются в молекулы сахаров (в частности, в молекулы глюкозы) с выделением свободного кислорода при поглощении кванта света.
Согласно второму началу термодинамики, любые виды энергии в конечном счете переходят в тепловую форму и рассеиваются.
Реакция фотосинтеза казалось бы идет против термодинамического градиента. Она сопровождается накоплением энергии в органическом веществе, образующемся из углекислого газа и воды. Но следует помнить, что эта реакция идет за счет преобразования энергии фотонов солнечного света в энергию химических связей органического вещества (Q) и тогда термодинамическое противоречие исчезает:
Схематически этот процесс представлен на рис. 2.4.
Таким образом, растения на нашей планете непрерывно усваивают из атмосферного воздуха огромное количество диоксида углерода. (около 200 млрд. т в год и выделяют 145 млрд. т свободного кислорода, образуя более 100 млрд. т органической материи ).
Именно растениям мы обязаны стабильностью газового состава атмосферы и ресурсами пищи и топлива на нашей планете.
Общее количество энергии, ежегодно запасаемой растениями на Земле, оценивается величиной 20,9 · 10 22 кДж.
В реакции фотосинтеза углекислый газ и вода не сразу превращаются в сахар. Первичным продуктом является так называемая фосфоглицериновая кислота (ФГК). Она превращается в фосфоглицериновый альдегид при присоединении молекулы СО к рибулезодифосфату СН2О (Р), в ходе реакции карбоксилирования.
Далее, в результате сложных химических процессов образуется фруктоза. Она является исходным материалом для образования других видов углеводов.
Синтез органического вещества может осуществляться и бактериями. Источником углерода для них является диоксид углерода, восстанавливающийся за счет молекулярного водорода или водорода, входящего в состав сероводорода или другого неорганического вещества.
Основная доля первичной продукции на Земле создается в клетках зеленых растений под воздействием солнечной энергии.
Этот процесс именуется фотосинтезом.
Некоторая часть первичной продукции нарабатывается бактериями за счет реализации химических процессов, которые именуются хемосинтезом.
Процесс фотосинтеза состоит в том, что в результате сложных химических реакций вода и диоксид углерода соединяются в молекулы сахаров (в частности, в молекулы глюкозы) с выделением свободного кислорода при поглощении кванта света.
Согласно второму началу термодинамики, любые виды энергии в конечном счете переходят в тепловую форму и рассеиваются.
Реакция фотосинтеза казалось бы идет против термодинамического градиента. Она сопровождается накоплением энергии в органическом веществе, образующемся из углекислого газа и воды. Но следует помнить, что эта реакция идет за счет преобразования энергии фотонов солнечного света в энергию химических связей органического вещества (Q) и тогда термодинамическое противоречие исчезает:
Схематически этот процесс представлен на рис. 2.4.
Таким образом, растения на нашей планете непрерывно усваивают из атмосферного воздуха огромное количество диоксида углерода. (около 200 млрд. т в год и выделяют 145 млрд. т свободного кислорода, образуя более 100 млрд. т органической материи ).
Именно растениям мы обязаны стабильностью газового состава атмосферы и ресурсами пищи и топлива на нашей планете.
Общее количество энергии, ежегодно запасаемой растениями на Земле, оценивается величиной 20,9 · 10 22 кДж.
В реакции фотосинтеза углекислый газ и вода не сразу превращаются в сахар. Первичным продуктом является так называемая фосфоглицериновая кислота (ФГК). Она превращается в фосфоглицериновый альдегид при присоединении молекулы СО к рибулезодифосфату СН2О (Р), в ходе реакции карбоксилирования.
Далее, в результате сложных химических процессов образуется фруктоза. Она является исходным материалом для образования других видов углеводов.
Синтез органического вещества может осуществляться и бактериями. Источником углерода для них является диоксид углерода, восстанавливающийся за счет молекулярного водорода или водорода, входящего в состав сероводорода или другого неорганического вещества.
Реакции синтеза органических веществ идут в клетке одновременно с процессами расщепления. Сложные специфические биополимеры (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты) синтезируются из простых веществ, образовавшихся в результате процессов диссимиляции.
Синтезируемые органические вещества используются для построения различных органоидов клетки, ферментов, секретов и запасных веществ, взамен израсходованных. Все эти процессы идут с поглощением энергии. Синтез веществ, идущий в клетке, называют биосинтезом или пластическим обменом.
На этом этапе на ряде промежуточных звеньев суммарно выделяется 2600 кДж энергии.
На образование 36 макроэргических связей при превращении АДФ в АТФ затрачивается 1440 кДж, или 54% освобождаемой энергии, которая переходит в потенциальную энергию АТФ. Следовательно, при кислородном расщеплении образуется в 13 раз больше энергии, чем при бескислородном, а клеткой в форме АТФ ее сберегается в 18 раз больше.
Суммарное уравнение полного расщепления глюкозы на двух этапах можно записать так:
Образовавшаяся при этом АТФ по каналам эндоплазматической сети направляется в другие участки клетки, где возникает в ней потребность. Таким образом, из образовавшейся энергии при расщеплении глюкозы для клетки суммарно сохраняется 80 кДж + 1440 кДж = 1520 кДж, или 55% энергии, которая переходит в потенциальную энергию и в дальнейшем используется клеткой. Поэтому реакция расщепления называется энергетическим обменом.
Фотосинтез (цв. табл. I) — это уникальный процесс образования органических соединений из неорганических веществ с использованием энергии света. Впервые процесс фотосинтеза и роль в нем хлорофилла растений описал выдающийся русский ученый Климент Аркадьевич Тимирязев (1843—1920). Фотосинтез — это сложный многоступенчатый процесс, протекающий в две фазы — световую и темновую.
Ионы ОН — , оставшиеся без противоионов водорода, отдают свои электроны другим ионам и превращаются в радикалы ОН (ОН =е — +ОН). Взаимодействуя между собой, они образуют воду и молекулярный кислород (40Н= 2Н2O+O2).
Процесс образования молекулярного кислорода при разложении воды под влиянием энергии света называется фотолизом воды. Его впервые изучил и описал советский ученый Александр Павлович Виноградов (1895 —1975), используя метод меченых атомов. По своему механизму фотолиз воды сходен с электролизом воды.
Темновая фаза фотосинтеза состоит из ряда последовательных ферментативных реакций по связыванию СO2, в результате которых образуется глюкоза, служащая исходным материалом для биосинтеза других органических веществ растения. Этот процесс идет за счет энергии АТФ при участии атомов водорода, образовавшихся в световую фазу (6СO2+24Н=С6Н12O6+6Н2O).
Суммарное уравнение фотосинтеза следующее:
Мембранная структура хлоропласта осуществляет при этом разграничение реакционноспособных веществ.
Продуктивность фотосинтеза — 1 г органического вещества на 1 м 2 листьев в 1 ч. Ежегодно в результате фотосинтеза образуется около 400 млрд. т органического вещества. Годовая потребность одного человека в кислороде обеспечивается функционированием 10—12 деревьев среднего возраста в течение вегетации. Установлено, что продуктивность фотосинтеза возрастает с повышением, до определенного уровня, интенсивности освещения, содержания СO2, температуры и влажности окружающего воздуха. Эти закономерности широко используют при выращивании растений в защищенном грунте.
Хемосинтез был открыт в 1888 г. русским биологом С. Н. Виноградским, доказавшим способность некоторых бактерий ассимилировать углекислоту за счет химической энергии. Существует несколько групп хемосинтезирующих бактерий, из которых наибольшее значение имеют нитрофицирующие, серобактерии и железобактерии. Например, нитрофицирующие бактерии получают энергию для синтеза органических веществ, окисляя аммиак до азотистой, а затем до азотной кислоты; серобактерии — окисляя сероводород до сульфатов, а железобактерии — превращая закисные соли железа в окисные. Освобожденная энергия аккумулируется в клетках хемосинтезирующих бактерий в форме АТФ. Процесс хемосинтеза, при котором из СO2 образуется органическое вещество, протекает аналогично темновой фазе фотосинтеза.
Благодаря жизнедеятельности бактерий — хемосинтетиков в природе накапливаются большие залежи селитры и болотной руды.
Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наиболее активен он в молодых растущих клетках, где синтезируются белки, идущие на построение их органоидов, а также в секреторных клетках, где синтезируются белки-ферменты и белки-гормоны.
Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Отрезок ДНК, состоящий из нескольких сот нуклеотидов, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Одна макромолекула ДНК содержит несколько сот генов. В молекуле записан код о последовательности аминокислот в белке в виде Определенно сочетающихся нуклеотидов. Сущность кода ДНК состоит в том, что каждой аминокислоте соответствует участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов — триплетов. Например, А — — Ц — А соответствует аминокислоте цистеину, А — А — Ц — лейцину, Т — Т — Т — лизину и т. д. Разных аминокислот 20, число возможных сочетаний из 4 нуклеотидов по 3 равно 64. Следовательно, триплетов с избытком хватит для всех аминокислот.
Биосинтез белка — сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.
Суть реакций матричного синтеза состоит в том, что новые молекулы белка синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре существующих молекул ДНК. В этих реакциях обеспечивается точная специфическая последовательность мономеров в синтезируемых полимерах.
В биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в различных частях клетки.
При этом против каждого нуклеотида одной из цепей ДНК встает комплементарный ему нуклеотид и-РНК. Молекулы и-РНК индивидуальны, каждая из них несет информацию одного гена.
Кодовый триплет. Аминокислота
АТФ является единым и универсальным источником энергии для всех клеточных реакций.
Биосинтез белка – важная часть пластического обмена всех клеток. Рассматривает данный процесс наука биология. В результате образуются специфичные вещества, характерные для данного организма. Происходит воспроизведение наследственной информации.
Последовательность процессов биосинтеза белка
Образование белка является многоступенчатым процессом.
Чтобы запустить реакции образования вещества, осуществляется целый ряд последовательных событий:
Транскрипция - это реакции переписывания наследственной информации с макромолекулы ДНК на матричную РНК. Ее называют также информационной. Краткое обозначение: м-РНК, и-РНК. Процесс протекает в ядре клетки.
Перемещение и-РНК к месту синтеза белка.
Трансляция - это перенос информации о чередовании нуклеотидов м-РНК на макромолекулу белка. Процесс идёт вне ядра.
Где происходит синтез белка
Образование высокомолекулярного соединения протекает в цитоплазме. Именно здесь находятся органоиды, на которых осуществляется данный процесс. Рибосома представляет собой две части: малую и большую. Чтобы биосинтез белка начался, необходимо доставить информацию из ядра в цитоплазму.
Ядро эукариот хранит информацию о первичной структуре природных полимеров. Её называют наследственной. Эта важная информация должна быть без искажения перенесена к месту синтеза белка.
С этой целью в ядре идут матричные реакции. На одной из цепей ДНК синтезируется и-РНК. Именно она является посредником между двумя частями клетки.
Этапы биосинтеза белка
Транскрипция
Процесс протекает в ядре. ДНК образована большим количеством нуклеотидов. Это единица макромолекулы. Она включает в свой состав 3 компонента:
углевод, представленный пентозой – дезоксирибозой;
минеральную кислоту – фосфорную;
органическое соединение, относящееся к классу азотистых оснований.
В составе ДНК могут содержаться 4 разных основания. Они имеют краткое обозначение, по первой букве названия:
Именно этими основаниями и отличаются нуклеотиды. Чередование 3 нуклеотидов образует триплет. Один триплет соответствует одной аминокислоте. Вопрос соответствия аминокислот триплетам изучен и указан в таблице генетического кода.
Последовательность триплетов в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты, отвечающей за синтез одного белка, называют геном. Между разными генами расположены триплеты, которые не соответствуют аминокислотам. Их называют стоп-кодонами. Они служат сигналом начала и окончания гена.
Для осуществления транскрипции, участок макромолекулы ДНК раскручивается. Он выполняет роль матрицы. На нём выстраивается и-РНК. Осуществляется синтез по принципу соответствия. Еще его называют комплементарностью.
РНК также имеет нуклеотидное строение. Вместо дезоксирибозы присутствует углевод рибоза. Содержится остаток ортофосфорной кислоты. Третьим компонентом является азотистое основание. Три основания одинаковые – А, Г, Ц в ДНК и РНК. Четвертое основание рибонуклеиновой кислоты – урацил (У).
Комплементарными основаниями являются: Т – А, А – У, Г – Ц, Ц – Г. В парах комплементарных оснований первое соответствует ДНК, второе – РНК. Таким образом, на макромолекуле ДНК по принципу соответствия выстраивается и-РНК. В дальнейшем цепь РНК транспортируется через ядерную мембрану к месту синтеза белка.
Трансляция
Процесс идет на органоидах – рибосомах. Они нанизываются на цепь и-РНК, передвигаются по ней не плавно, а прерывисто. Располагаются таким образом, что внутри рибосомы находится полностью 1-2 триплета. На одну РНК может одновременно нанизываться большое количество рибосом.
В процессе принимают участие т-РНК. Они имеют пространственную структуру, принимают форму трилистника. Верхняя часть листа, то есть молекулы, содержит антикодон. Это триплет, распознающий кодон (один триплет) и-РНК.
Каждая т-РНК транспортирует к рибосоме строго определенную аминокислоту. Если триплет-антикодон т-РНК распознает триплет-кодон и-РНК, тогда аминокислота встраивается в макромолекулу белка. Следующая т-РНК подтаскивает другую аминокислоту, снова идет процесс распознавания. В данном случае также идет матричный процесс сборки белка. РНК служит матрицей для синтеза белка.
Как только белковая молекула синтезирована, она освобождается от рибосомы. Правильное чередование аминокислот в макромолекуле образует первичную структуру белковой молекулы. Она является определяющей, поэтому так важен матричный синтез белков. Другие структуры белковые макромолекулы приобретают самопроизвольно.
Схема биосинтеза белка
Процессы, ведущие к синтезу белка, можно кратко изобразить на схеме:
Первый этап – реакции, идущие в кариоплазме. Раскручивание ДНК. Транскрипция. Образование м-РНК.
Второй этап – транспорт м-РНК к рибосомам.
Третий этап – реакции, идущие в цитоплазме. Трансляция. Биосинтез белковой молекулы, протекающий при участии РНК, клеточных органоидов – рибосом.
Заключение
В реакциях матричного синтеза происходит реализация наследственной информации. В каждом организме синтезируются специфичные белковые молекулы. Они вместе с углеводами и жирами накапливаются в плодах растений. В организмах животных выполняют множество разнообразных функций.
Читайте также: