Фотосинтез — превращение энергии света в энергию химических связей

Единство химического состава организмов

Множество простейших и микроорганизмов представляют собой существующие отдельно друг от друга клетки. Тело всех многоклеточных — растений, животных и человека — построено из большего или меньшего числа клеток, которые составляют сложный организм. Независимо от того, представляет собой клетка целостную живую систему или ее часть, она наделена набором признаков и свойств, общим для всех клеток.

Уровни организации живой природы

Выделяют следующие уровни организации живой природы — молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный.

Молекулярный уровень. Как бы сложно или просто ни было строение любого живого организма, они все состоят из одинаковых химических элементов и одинаковых молекулярных соединений. В составе растительных и животных организмов найдено до 70 химических элементов, примерно столько же распространены и в минеральном мире. Но в неживой природе преобладают вещества с атомными и ионными кристаллическими решетками. В живой природе – молекулярные - нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и другие. На молекулярном уровне происходят различные процессы жизнедеятельности живых организмов: обмен веществ, превращение энергии. На этом уровне осуществляется передача наследственной информации, образуются отдельные органоиды и происходят другие процессы. Структура синтезируемых макромолекул обладает видовой и индивидуальной специфичностью.

Клеточный уровень. Структурное и функциональное единство всех живых организмов составляет клетка. Отдельные органоиды в составе клетки выполняют определенную функцию. Функции органоидов взаимосвязаны и выполняют единые процессы жизнедеятельности.

Организменный уровень. В каждом отдельном организме происходят все жизненные процессы, характерные для всех живых организмов, — питание, дыхание, обмен веществ, раздражимость, размножение и т. д. Самостоятельный организм оставляет потомство. Только целостная система органов, специализированно выполняющих различные функции, образует отдельный самостоятельный организм.

Популяционно-видовой уровень. Совокупность особей одного вида пли группы, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других совокупностей того же вида, составляет популяцию.

Биогеоценотический уровень. Совокупность организмов разных видов и различной сложности организации, приспособленных к одинаковым условиям природной среды, называется биогеоценозом, или природным сообществом. Биогеоценоз включает неорганические, органические соединения и живые организмы. Между компонентами биогеоценоза осуществляется обмен веществами и энергией.

Биосферный уровень. Совокупность всех живых организмов на нашей планете и общей природной среды их обитания составляет биосферный уровень. На биосферном уровне происходит круговорот веществ и энергии на Земле с участием всех живых организмов биосферы.

Содержание некоторых химических элементов в почве и живых организмах

Химический элемент	В почве, %	В живых организмах, %
кислород
углерод
водород	0,5	9,9
азот	0,1	0,3
кальций	1,37	0,3
калий	1,36	0,3
кремний		0,15
фосфор	0,08	0,07
магний	0,63	0,07
сера	0,08	0,05
железо	3,8	0,02
алюминий	7,1	0,02
натрий	0,63	0,02
хлор	0,01	0,01
марганец	0,08	0,001
титан	0,46	0,0001

В состав живой и неживой природы входят одни и те же химические элементы. Однако их количественное содержание отличается. В живых организмах 98% их химического состава приходится на четыре элемента — углерод, кислород, азот, водород. В составе живых организмов почти в 10 раз больше углерода, в два раза кислорода, в три раза – азота. В то же время весьма распространенные в природе элементы – Al, Si, Ti – содержатся в организмах в очень маленьких количествах. Это объясняется тем, в виде каких веществ находятся элементы в живой и неживой природе. Элементы углерод, водород, кислород, азот участвуют в образовании сложных органических молекул, из которых состоят живые организмы. В состав неживой природы входят большей частью минеральные вещества, одним из главных компонентов является оксид кремния (поэтому кремния в неживой природе в 220 раз больше!). Макроэлементы – те химические элементы, которые содержатся в клетках в больших количествах. Это - С, Н, О, N, также сюда можно отнести Mg, K, Ca, Na, P, S. Микроэлементы – те, содержание которых в организмах мало: Fe, Al, Na, Mn и др.

Фотосинтез — превращение энергии света в энергию химических связей

В отличие от человека и животных, все зеленые растения и часть бактерий способны синтезировать органические вещества из неорганических соединений. Такой тип обмена веществ называется автотрофным (греч. autos сам + trophe пища). В зависимости от вида энергии, используемой автотрофами для синтеза органических молекул, их делят на фототрофов и хемотрофов. Фототрофы используют энергию солнечного света, а хемотрофы — химическую энергию, высвобождающуюся при окислении ими различных неорганических соединений.

Зеленые растения являются фототрофами. Их хлоропласты содержат хлорофилл, позволяющий растениям осуществлять фотосинтез — преобразование энергии солнечного света в энергию химических связей синтезируемых органических соединений. Из всего спектра солнечного излучения молекулы хлорофилла поглощают красную и синюю часть, а зеленая составляющая достигает сетчатки наших глаз. Поэтому большинство растений мы видим зелеными.
Для осуществления фотосинтеза растения поглощают из атмосферы углекислый газ, а из водоемов и почвы — воду, неорганические соли азота и фосфора.

Но всем хорошо известно, что при смешивании углекислого газа и воды глюкоза не образуется. Фотосинтез — сложный многоступенчатый процесс, для прохождения которого необходим не только солнечный свет и хлорофилл, но и ряд ферментов, энергия АТФ и молекулы-переносчики. Выделяют две фазы фотосинтеза — световую и темновую.

В световой фазе фотоны, передавая свою энергию молекуле хлорофилла, переводят молекулу в возбужденное состояние: ее электроны теперь легко отрываются. Молекулы-переносчики захватывают их и перемещают на другую сторону мембраны. Молекулы хлорофилла восполняют потерю электронов, отрывая их от молекул воды. В результате вода расщепляется на протоны и молекулярный кислород:

2Н2О – 4е- = 4Н+ + О2

Молекулярный кислород выделяется в атмосферу. Протоны не способны к проникновению через мембрану и остаются внутри.

Таким образом, снаружи мембраны накапливаются электроны, доставленные молекулами-переносчиками с возбужденных молекул хлорофилла, а внутри — протоны, образовавшиеся в результате разложения воды. Возникает разность потенциалов. Когда она достигает критической величины, протоны под действием электрического поля протискиваются по канальцу фермента-синтетазы, затрачивая энергию на синтез АТФ. Соединяясь на другой стороне мембраны с электронами, протоны образуют атомарный водород.

Протекание дальнейших реакций может происходить и в темноте, потому носит название темновой фазы. В них участвуют атомарный водород, АТФ и ферменты. В результате синтезируется глюкоза.

Кроме глюкозы возможно образование предельных кислот, аминокислот и др. Глюкоза и предельные кислоты далее транспортируются в лейкопласты, где из них формируются запасные питательные вещества — крахмал и жиры.

Ежегодно растительность планеты дает 200 млрд. т кислорода и 150 млрд. т органических соединений, необходимых человеку и животным.

Синтез органических веществ из неорганических осуществляется зелеными растениями и некоторыми бактериями в процессах фотосинтеза или хемосинтеза. Процесс фотосинтеза происходит в хлоропластах в присутствии зеленого пигмента листа – хлорофилла – при участии ряда ферментов. При этом используется энергия света. Суммарное уравнение фотосинтеза:

хлорофилл, свет

6 СО2 + 6 Н2О à C6H12O6 + 6 O2

ферменты

Глюкоза превращается в крахмал по уравнению: n C6H12O6 à (C6H10O5)n + n H2O

Далее углеводы могут превращаться в жиры и формировать запасные питательные вещества.

ДНК

Современная биология утверждает, что одна из главных черт жизни - это самовоспроизводимость. Генетическая информация записана в цепи молекулы ДНК.

Структура молекулы ДНК была изучена в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком. Они установили, что молекула ДНК состоит из двух цепей, образующих двойную закрученную спираль. К полимерному остову спиральной цепи ДНК (состоит из чередующихся остатков фосфата и углевода дезоксирибозы) "прикреплены" нуклеотидные остатки. Водородные связи возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи. Эти основания составляют комплементарные пары (от лат. complementum - дополнение). Образование водородных связей между комплементарными парами оснований обусловлено их пространственным соответствием. В каждой клетке человека содержится 46 молекул ДНК, которые распределены в 23 парах хромосом. Хромосомы — это структуры, по которым распределена полная молекула ДНК. Суммарная длина всех 46 молекул ДНК в одной клетке человека равна около 2 метров. Полная же длина всех молекул ДНК в теле взрослого человека, состоящего из 5х1013 клеток, составляет 1011 км, что в тысячу раз превышает расстояние от Солнца до Земли.

Генетический код. Последовательность нуклеотидов ДНК задает последовательность аминокислот в белках — их первичную структуру. Молекулы ДНК являются матрицами для синтеза всех белков.

Отрезок ДНК, несущий информацию о первичной структуре конкретного белка, называют геном. Соответствующую последовательность нуклеотидов — генетическим кодом белка.

Код универсален. Генетическому коду свойственна универсальность для всех организмов на Земле. Одинаковые аминокислоты кодируются одними и теми же триплетами нуклеотидов у бактерий и слонов, водорослей и лягушек, черепах и лошадей, птиц и даже человека.

Единство генетического кода служит аргументом в пользу единого эволюционного пути всего живого на Земле.

Ошибка хотя бы в одном триплете приводит к серьезным нарушениям в организме. У больных серповидной анемией (их эритроциты имеют не дисковую, а серповидную форму) из 574 аминокислот белка гемоглобина одна аминокислота заменена другой в двух местах. В результате белок имеет измененную третичную и четвертичную структуру. Нарушенная геометрия активного центра, присоединяющего кислород, не позволяет гемоглобину эффективно справляться со своей задачей — связывать кислород в легких и снабжать им клетки организма.

Белки

Белки - незаменимый строительный материал. Все клеточные мембраны содержат белок, роль которого здесь разнообразна. Из белка кератина состоят волосы, ногти, когти, шерсть, перья, копыта, наружный слой кожи.

Многие белки обладают сократительной (двигательной) функцией. Например, белки актин и миозин входят в состав мышечных волокон высших организмов.

Велика роль белков в транспорте веществ. Примером транспортных белков можно назвать гемоглобин, который переносит кислород из лёгких к остальным тканям и углекислый газ от тканей к лёгким, а также гомологичные ему белки, найденные во всех царствах живых организмов. В мышцах эту функцию берет на себя еще один транспортный белок - миоглобин. Белки плазмы крови переносят питательные вещества.

Белок может играть и запасающую функцию. К таким белкам относят ферритин (запас железа), овальбумин - белок яйца, казеин - белок молока, зеин - белок семян кукурузы.

Белки-гормоны выполняют функцию регуляции. Гормоны - биологически активные вещества, которые оказывают влияние на обмен веществ. Одним из наиболее известных белков-гормонов является инсулин. Он снижает содержание сахара в крови, способствует синтезу гликогена в печени и мышцах, увеличивает образование жиров из углеводов, влияет на обмен фосфора, обогащает клетки калием. Регуляторной функцией обладают белковые гормоны гипофиза - железы внутренней секреции, связанной с одним из отделов головного мозга. Он выделяет гормон роста, при отсутствии которого развивается карликовость.

Другая функция белков - защитная. На ее основе создана отрасль науки, названная иммунологией. Белки, входящие в состав крови и других биологических жидкостей, участвуют в защитном ответе организма как на повреждение, так и на атаку патогенов. Они нейтрализуют бактерии, вирусы или чужеродные белки. Например, белок интерферон убивает вирусы гриппа.

В последнее время в отдельную группу выделены белки с рецепторной функцией. Есть рецепторы звуковые, вкусовые, световые и другие. Есть рецепторы клеточные, встроенные в мембрану. Одна часть молекулы рецептора воспринимает сигнал, которым чаще всего служит химическое вещество. В результате меняется конформация другой части молекулы, осуществляющей передачу сигнала на другие клеточные компоненты. Некоторые рецепторы катализируют определённую химическую реакцию; другие служат ионными каналами, которые при действии сигнала открываются или закрываются; третьи специфически связывают внутриклеточные молекулы-посредники.

Ферменты – биологические катализаторы – белковые вещества. Разнообразие ферментов огромно. Даже в маленькой бактерии их насчитываются многие сотни. Каждый фермент катализирует только свою реакцию. Например, пепсин – фермент желудочного сока – расщепляет белки пищи. Ферменты могут работать и вне организма. Например, во многие стиральные порошки добавляют вещества, расщепляющие пятна грязи. Продукты быстрого приготовления содержат ферменты, расщепляющие белки.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: