Особенности пластического и энергетического обменов растительной клетки. Фотосинтез

Хлоропласты – это утолщенные овальные или круглые образования, расположенные в цитоплазме растительной клетки. В каждой клетке находится 40-50 хлоропластов. Они покрыты двойной мембраной, а внутри них размещаются плоские мешочки – тилакоиды. В тилакоидах находятся хлорофиллы, переносчики электронов и ферменты, участвующие в световой фазе фотосинтеза, а также АДФ, АТФ, НАДФ⁺ и НАДФ-Н. Десятки тилакоидов плотно уложены в стопки, которые называются гранами. Во внутреннем пространстве между гранами – в строме – размещаются ферменты, участвующие в восстановлении СО₂ до глюкозы за счет энергии продуктов световой фазы фотосинтеза – АТФ и НАДФ-Н. Хлоропласты имеют свой собственный генетический аппарат – молекулы ДНК – и автономно воспроизводятся внутри клеток.

Под воздействием солнечного света растения сине-зеленые бактерии и водоросли способны синтезировать органические вещества – углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты. Биосинтез, происходящий при использовании световой энергии, называют фотосинтезом. Организмы, способные к фотосинтезу, называют фотоавтотрофами. А человек, животные и грибы неспособны синтезировать органические вещества из неорганических соединений, их называют гетеротрофами.

Фотосинтез. Преобразование энергии света в энергию химических связей

Поток солнечных лучей несет волны света разной длины. Растения с помощью молекулы хлорофилла поглощают волны света красной и синей частей спектра. Волны света зеленой части спектра хлорофилл пропускает не задерживая, и поэтому у растений зеленый цвет.

С помощью энергии света электрон в составе хлорофилла переносится на более высокий энергетический уровень. Далее этот высокоэнергетический электрон, как по ступенькам, перескакивает по цепи переносчиков электронов, теряя энергию. Энергия электронов при этом расходуется на «зарядку» своего рода биологических «аккумуляторов» – АТФ. При передаче электроном своей энергии к АДФ присоединяется еще один фосфат: АДФ + Ф → АТФ. При расщеплении АТФ ферментом аденозинтрифосфатазой (АТФазой) концевой фосфат отщепляется и освобождается энергия:

.

В растительной клетке АТФ используется для транспорта воды и солей, для деления клеток, роста и движения, для синтеза в растениях молекул глюкозы, крахмала, целлюлозы и иных органических соединений. Однако для синтеза в растениях органических веществ необходим еще один биологический «аккумулятор», запасающий энергию света НАДФ-Н. Потерявшая энергию окисленная форма этого соединения представляет собой НАДФ⁺ («над-эф-плюс»). Теряя один атом водорода и один электрон, НАДФ-Н превращается в НАДФ⁺ и восстанавливает углекислый газ (при участии молекул воды) до глюкозы С₆Н₁₂0₆; недостающие протоны (Н⁺) берутся из водной среды. Этот процесс можно записать в виде химического уравнения:

.

Однако при смешивании углекислого газа и воды глюкоза не образуется. Для этого нужна не только НАДФ-Н, но и энергия АТФ и соединение, связывающее СО₂, которое используется на этапах синтеза глюкозы, а также ряд ферментов – биологических катализаторов этого процесса.

Фотолиз воды. Энергия света расходуется также на расщепление молекулы воды – фотолиз (реакция Роберта Хилла). При этом образуются протоны (Н⁺), электроны и свободный кислород:

.

Электроны, образующиеся при фотолизе, восполняют потери их хлорофиллом. Часть электронов при участии протонов восстанавливает НАДФ⁺ до НАДФ-Н. Кислород – побочный продукт этой реакции. Когда растения используют энергию солнечного света, кислород им не нужен. Однако в отсутствие солнечного освещения растения становятся аэробами. В ночной темноте они потребляют кислород и окисляют запасенные днем глюкозу, фруктозу, крахмал и другие соединения, уподобляясь в этом животным.

Световая и темновая фазы фотосинтеза. В процессе фотосинтеза различают световую и темновую фазы.

В световой фазе энергия света преобразуется в энергию химических связей АТФ и НАДФ-Н, и происходит фотолиз воды.

В темновой фазе с участием АТФ и НАДФ происходит восстановление CO₂ до глюкозы (C₆H₁₂O₆). Хотя свет не требуется для осуществления данного процесса, он участвует в его регуляции.