Внутриклеточные биохимические процессы.

Для осуществления биохимических реакций необходим обмен веществ в клетке, называемый метаболизм. Процесс поступления веществ в клетку называется анаболизмом или ассимиляцией. Иначе этот процесс ещё называется пластическим обменом. Распад веществ в организме называется катаболизмом или диссимиляцией. При этом освобождается энергия. Она запасается у прокариот в цитоплазме, а у эукариот в митохондриях в виде АТФ. Поступление в клетку веществ – эндоцито з и выделение продуктов метаболизма – экзоцитоз. Эндоцитоз осуществляется несколькими способами. Поступление жидких коллоидных частиц называется пиноцитозом, а крупных твёрдых частиц – фагоцитозом. Для того, чтобы внешние молекулы поступили в клетку, они должны сначала быть связаны с рецепторами гликокаликса. Цитолемма начинает выпячиваться, затем её края сближаются и смыкаются, отщепляя пузырёк, несущий в себе захваченные молекулы. Образуется эндосома, которая погружается в цитоплазму и встречается с лизосомами. Их мембраны сливаются. В возникшей вторичной лизосоме вещества, поступившие в клетку, подвергаются расщеплению.

              Экзоцитоз обеспечивает выведение крупномолекулярных соединений. Сначала они группируются в комплексе Гольджи в виде транспортных пузырьков и направляются к клеточной поверхности. Затем мембрана пузырька встраивается в цитолемму и содержимое пузырька оказывается за пределами клетки.

              Синтез белков определяется участком ДНК (геном) с определённой последовательностью нуклеотидов. Наследственная информация, заключённая в ДНК, передаётся по наследству благодаря её самоудвоению (репликации). Далее следует процесс транскрипции, т.е. переписывания в последвательность РНК. Транскрипция осуществляется в ядре. При переносе с одного гена ДНК на информационную (иРНК) может переписываться множество молекул иРНК. Далее иРНК переносит информацию о нуклеотидной последовательности ДНК к рибосомам. Небольшие транспортные тРНК присоединяют молекулы аминокислот, переносят её к рибосоме и узнают триплет, соответствующий этой аминокислоте в молекуле иРНК. В середине молекулы тРНК имеется группировка из трёх азотистых оснований, называемая антикодоном, Антикодон может связаться с определённой группировкой трёх оснований на иРНК – с кодоном. При сближении молекул антикодон тРНК узнаёт кодон иРНК и соединяется с ним. Генетический код имеет ряд свойств. Он триплетен: три нуклеотида определяют присоединение к полипептидной цепи одной аминокислоты. При этом одна и та же аминокислота может кодироваться разными триплетами. Код универсален, т.е. все живые организмы имеют один и тот же код.

Дыхание клетки

           Совокупность биохимических реакций, результатом которых является утилизация энергии химических связей органических веществ, называется дыханием. Если этот процесс идёт без участия молекулярного кислорода, то это анаэробное дыхание, а если с участием, то аэробное. Анаэробное дыхание менее эффективное, чем аэробное. В результате окисления биологических молекул клетка получает энергию, необходимую для её жизнедеятельности. Это окисление осуществляется с помощью аденозинтрифосфата (АТФ) – нуклеотида, состоящего из аденина, рибозы и трёх остатков ортофосфорной кислоты. При отщеплении от АТФ одной ортофосфатной группы образуется аденозиндифосфорная кислота (AДФ) и фосфат и выделяется свободная энергия, которая используется клеткой для осуществления работы: биосинтез, активный транспорт веществ через биологические мембраны, движение и передача генетической информации.

           Распад пищевых продуктов (катаболизм) происходит в три стадии. На первой, аэробной стадии они расщепляются до мономеров. Белки распадаются на аминокислоты, полисахариды – на простые сахара (например, на глюкозу и фруктозу), жиры – на высшие карбоновые кислоты и глицерол. После этого полученные мономеры -моносахариды и аминокислоты всасываются в кровь, в лимфу – жиры. Выделяющаяся при этом энергия реализуется в виде теплового эффекта. Во второй, анаэробной стадии глюкоза расщепляется на две карбоновые кислоты: сначала пировиноградную, затем – молочную. Глюкоза транспортируется через плазматическую мембрану и цитоплазму клетки. В цитоплазме происходит её анаэробное расщепление или гликолиз – многоступенчатый ферментативный процесс. Гликолиз является наиболее быстрым способом получения АТФ, однако энергетический эффект этого процесса невелик (КПД = 35%). Однако не это является определяющим в гликолизе. У анаэробных организмов от гликолиза это единственный способ получение энергии. Это не только прокариоты, но и некоторые гельминты. Анаэробный путь гликолиза важен и для аэробных организмов, так как позволяет получать АТФ коротким путём при дефиците кислорода. Другой путь бескислородного расщепления глюкозы называется брожением.

Дальнейшие этапы окисления происходят в митохондриях. Химическим итогом второй стадии катаболизма является образование ацетил-СоА. При гликолизе это соединение образуется в результате взаимодействия пирувата с коэнзимом-А. При этом в клетке происходит накопление 2 АТФ. В третьей, аэробной стадии происходит полное окисление молочной кислоты до воды и углекислого газа. При этом энергия электронов используется для образования 36АТФ.    

5.6.2. Фотосинтез

                 Жизнь на Земле возможна благодаря световой, главным образом, солнечной энергии. Эта энергия преобразуется в энергию химических связей органических веществ, образующихся в процессе фотосинтеза. Фотосинтезом обладают все растения и некоторые прокариоты (фотосинтезирующие бактерии и сине зелёные водоросли). Такие организмы называются фототрофами. Энергию для фотосинтеза даёт свет, который улавливается особыми молекулами –фотосинтетическими пигментами. Поскольку при этом поглощается свет лишь определённой длины волны, часть световых волн не поглощается, а отражается. В зависимости от спектрального состава отражённого света пигменты приобретают окраску – зелёную, жёлтую, красную и др. Различают три типа фотосинтетических пигментов – хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины.       Наиболее важным пигментом является хлорофилл. Основой является плоское порфириновое ядро, образованное четырьмя пиррольными кольцами, соединёнными между собой метиловыми мостиками, с атомом магния в центре. Имеются различные хлорофиллы типа- A. У высших растений, зелёных и эвгленовых водорослей имеется хлорофилл-В, который образуется из хлорофилла - А. Бурые и диатомовые водоросли вместо хлорофилла-B содержат хлорофилл-С, а красные водоросли – хлорофилл-Д. Другую группу пигментов образуют каротиноиды, имеющие окраску от жёлтой до красной. Они содержатся во всех окрашенных пластидах (хлоропластах, хромопластах) растений. Причём в зелёных частях растений хлорофилл маскирует каротиноиды, делая их незаметными до наступления холодов. Осенью зелёные пигменты разрушаются и каротиноиды становятся хорошо заметными. Каротиноиды синтезируют фототрофные бактерии и грибы. Фикобилины присутствуют у красных водорослей и цианобактерий.

Световая стадия фотосинтеза

                  Хлорофиллы и другие пигменты в хлоропластах образуют специфические светособирающие комплексы. Путём электромагнитного резонанса они передают собранную энергию на особые молекулы хлорофилла. Эти молекулы под действием энергии возбуждения отдают электроны молекулам других веществ – переносчикам, а затем отнимают электроны у белков и далее, от воды. Расщепление воды в процессе фотосинтеза называется фотолизом. Это происходит в полостях тилакоидов. Протоны через специальные каналы проходят в строму. При этом выделяется энергия, необходимая для синтеза АТФ:

                  2Н₂О = 4е + 4Н⁺ + О₂

                  АДФ + Ф = АТФ

Участие энергии света здесь является обязательным условием, поэтому данную стадию называют световой стадией. Кислород, образующийся как побочный продукт выводится наружу и используется клеткой для дыхания.

Темновая стадия фотосинтеза

Следующие реакции протекают в строме хлоропласта. Из углекислого газа и воды происходит образование моносахаридов. Сам по себе данный процесс противоречит законам термодинамики, но поскольку при этом участвуют молекулы АТФ, то за счёт этой энергии синтез глюкозы является реальным процессом. Позже, из её молекул создаются полисахариды – целлюлоза, крахмал и другие сложные органические молекулы. Суммарное уравнение фотосинтеза можно представить в следующем виде:

                    6СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Особенно много крахмала откладывается в хлоропластах днём при интенсивном течении фотосинтетических процессов, ночью же крахмал расщепляется до растворимых форм и используется растением.