Автотрофні і гетеротрофні клітини

Автотрофні клітини. За способом отримання органічних сполук все клітини діляться на дві групи. Одна група клітин здатна синтезувати органічні речовини з неорганічних сполук (СО2 і Н2 О і т. Д.). З цих бідних енергією з'єднань клітини синтезують глюкозу, амінокислоти, а потім і більш складні органічні сполуки: складні вуглеводи, білки і т. Д. Клітини, здатні синтезувати органічні сполуки з неорганічних, називаються автотрофними або автотрофами. Головними автотрофами на Землі є клітини зелених рослин Автотрофне харчування притаманне також невеликій групі мікроорганізмів.

Гетеротрофні клітини. Інша група клітин не здатна синтезувати органічні речовини з неорганічних сполук. Ці клітини мають потребу в доставці вже готових органічних сполук. Тварини поїдають інших тварин і рослини і отримують з їжею готові вуглеводи, жири, білки. В ході життєдіяльності відбувається розщеплення цих речовин. З частини звільнилися при цьому речовин - глюкози, амінокислот та ін. - синтезуються більш складні, властиві даній клітині речовини: глікоген, жири, білки; інша частина розщеплюється, і звільняється при цьому, використовується для життєдіяльності.

Клітини, не здатні до синтезу органічних сполук з неорганічних речовин і потребують, тому в доставці готових органічних речовин ззовні, називаються гетеротрофних клітинами або гетеротрофами. Клітини всіх тварин, людини, більшості мікроорганізмів, а також деяких рослин (наприклад, грибів) є гетеротрофами.

Фотосинтез. Синтез органічних сполук з простих, бідних енергією речовин потребує припливу енергії ззовні. Зелені рослини використовують для цієї мети світлову енергію Сонця. Рослинні клітини мають спеціальним механізмом, що дозволяє їм перетворювати світлову енергію в енергію хімічних зв'язків. Цей процес називається фотосинтезом.

Процес фотосинтезу виражається наступним сумарним рівнянням:

В ході цього процесу речовини, бідні енергією (СО2 і Н2 О), переходять в вуглевод - складне багате енергією органічну речовину. В результаті фотосинтезу виділяється також молекулярний кисень.

Сумарне рівняння фотосинтезу не дає уявлення про його механізм. Це складний, багатоступінчастий процес. Центральна роль в ньому належить хлорофілу - органічній речовині зеленого кольору.

У зеленому листі міститься приблизно 1% хлорофілу від сухого ваги. Хлорофіл розчиняється в спирті, і його можна витягти настоюванням листя в спирті. Розчин хлорофілу має зелений колір і флуоресціює.

Флуоресценція хлорофілу в розчині пояснюється тим, що електрони в молекулі хлорофілу поглинають світлову енергію, в результаті вони залишають орбіту, відповідну їх вихідного стану, і перескакують на вищу орбіту, відповідну їх «порушеній» станом. Потім електрони повертаються назад на свою первісну орбіту, і при цьому переході вони віддають поглинену ними енергію у вигляді світла флуоресценції. Хлорофіл в розчині не здатний запасати енергію світла. Інша картина спостерігається s клітці, де молекули хлорофілу вбудовані в структуру хлоропласта і знаходяться в з'єднанні з молекулами ферментів, ліпоїдів і інших речовин. Хлорофіл в зеленому листі при освітленні не флуоресціює. Поглинена хлорофілом енергія світла тут не розсіюється, а перетворюється в енергію хімічних зв'язків.

Для того щоб розібратися в механізмі цього перетворення, звернемося до схеми фотосинтезу.

Процес фотосинтезу починається з висвітлення хлоропласта видимим світлом. Фотон "вдаряє» в електрон молекули хлорофілу, повідомляє йому енергію, і електрон переходить в «порушену» стан: він залишає основну орбіту і перескакує на вищу орбіту. Після цього він відразу ж падає назад. При цьому надлишкова енергія електрона частково переходить в тепло (близько 25%), а здебільшого передається з'єднанням, що знаходяться в клітці, викликаючи їх перетворення.

Частина «падаючих» електронів захоплюється іонами водню. У клітці завжди є деяка кількість Н + і ОН іонів, так як у водному розчині частина молекул води знаходиться в дисоційованому стані:

Іон водню приєднує електрон і перетворюється в атом водню:

Іон гідроксилу, що залишився без свого протівоіона, негайно ж передає свій електрон іншим молекулам або іонів і перетворюється у вільний радикал ОН:

Вільні атоми водню і ОН -радікали в хімічному відношенні дуже активні. Атоми водню приєднуються до органічній речовині, що має складну структуру і відповідно досить громіздке назва: нікотінамідді-нуклеотідфосфат (скорочено НАДФ). НАДФ завжди міститься в клітині; приєднавши водень, він переходить у відновлену форму:

НАДФ + 2Н = НАД ФxН2 (4)

Вільні ОН -радікали взаємодіють один з одним, причому утворюється молекулярний кисень, що виділяється в атмосферу, і вода:

Підсумувавши реакції 1, 2, 3 і 5, отримаємо:

Таким чином, молекулярний кисень, що утворюється при фотосинтезі, виникає в результаті розкладання (фотолиза) води. Це не ферментативний процес. За своїм механізмом фотоліз води схожий з електролізом води. Згадайте, що при пропущенні електричного струму через водний розчин іони водню отримують електрони від катода і перетворюються в атоми водню (якби в розчині перебував НАДФ, він приєднав би ці атоми водню і перейшов в НАДФхН2), а ВІН -іони, віддавши електрони анода, перетворюються у вільні ОН -радікали, з яких утворюється молекулярний кисень і вода.

Енергія іншій частині «падаючих» електронів, а також електронів, що відділяються від іонів гідроксилу і володіють ще деякий запас енергії, перетворюється в енергію макроергічних фосфатних зв'язку: з АДФ (завжди присутньої в клітці) і неорганічного фосфату (Ф) синтезується АТФ:

Таким чином, надлишкова енергія збуджених електронів при переході їх в початковий стан породжує три процесу:

Фотоліз води з утворенням молекулярного кисню.

Відновлення НАДФ з утворенням НАДФxН2.

Ці реакції йдуть тільки на світлі. Їх здійснення є безпосереднім результатом поглинання хлорофілом променистої енергії. Тому дана стадія фотосинтезу називається світловий фазою. Подальші синтетичні процеси фотосинтезу протікають як на світлі, так і в темряві. Тому комплекс цих реакцій називається темнової фазою.

Темнова фаза фотосинтезу являє собою ряд послідовних ферментативних реакцій. У здійсненні цих реакцій беруть участь синтезовані в світлову фазу АТФ і НАДФxН2. Центральне місце серед реакцій темнової фази займає реакція зв'язування вуглекислоти: СО2 дифундує в лист з атмосфери і включається до складу одного з проміжних сполук. В кінцевому підсумку утворюються вуглеводи - спочатку моносахариди, потім ді-і полісахариди.

Отже, в світлову фазу фотосинтезу світлова енергія Сонця перетворюється в енергію хімічних зв'язків НАДФxНг і АТФ. У темпову фазу енергія цих речовин (НАДФxН2 і АТФ) витрачається на синтез вуглеводів.

Процес фотосинтезу представляє основний механізм, за допомогою якого зелені рослини виробляють органічні речовини. Всі речовини рослини, будь-яка його «врожайна» частина - плоди, насіння, коренеплоди, деревина і т. Д. - утворюються з речовин, породжених в результаті фотосинтетичної активності його клітин.

Продуктивність фотосинтезу становить приблизно 1 г органічних речовин на 1 м г площі листя в 1 годину. Таким чином, при інших рівних умовах урожай тим вище, чим більше поверхня листя виросли рослин і чим довше вони функціонують як фотосинтетические системи.

У вивчення ролі світла і хлорофілу в процесі засвоєння СО2 при фотосинтезі великий внесок вніс найбільший український вчений К. А. Тімірязєв. Тімірязєва належать і неперевершені роботи по популяризації знань по фотосинтезу, про який він писав так: «Це процес, від якого в кінцевій інстанції залежать усі прояви життя на нашій планеті». Це цілком обгрунтоване твердження, так як фотосинтез не тільки основний постачальник органічних сполук, але і єдине джерело вільного кисню на Землі.

Рослинні клітини, як і всі інші клітини, постійно дихають, т. Е. Поглинають кисень і виділяють СО2. Вдень же поряд з диханням за допомогою хлорофіл містить механізму рослинні клітини перетворять світлову енергію в хімічну: вони синтезують органічні речовини. При цьому в якості побічного продукту реакції виділяється молекулярний кисень. Кількість кисню, що виділяється рослинної клітиною в процесі фотосинтезу, в 20-30 разів більше, ніж поглинання його в одночасно йде процесі дихання. Тому зрозуміло, що днем, коли рослини і дихають, і фотосинтезируют, вони збагачують повітря киснем, а вночі, коли фотосинтез припиняється, вони тільки дихають, т. Е. Поглинають кисень і виділяють вуглекислоту.

Крім клітин зелених рослин, автотрофность властива також деяким бактеріям, у яких немає хлорофілу. Спосіб, за допомогою якого вони мобілізують енергію для синтетичних реакцій, принципово інший, ніж у рослинних клітин. Цей тип автотрофів був відкритий українським вченим-мікробіологом С.М. Виноградским. Для синтезів бактерії використовують енергію хімічних реакцій. Вони мають спеціальний ферментним апаратом, що дозволяє їм перетворювати енергію хімічних реакцій, зокрема енергію реакцій окислення неорганічних речовин, в хімічну енергію синтезованих органічних сполук. Цей процес називається хемосинтезом.

Найбільш відомі автотрофи-хемосинтетики - нитрифицирующие бактерії. Джерелом енергії в однієї групи цих бактерій служить реакція окислення аміаку в азотної кислоти; інша група нитрифицирующих бактерій використовує енергію, що виділяється при окисленні азотної кислоти в азотну. Автотрофами-хемосинтетиками є железобактерии і серобактерии. Перші з них використовують енергію, що виділяється при окисленні двовалентного заліза в тривалентне, другі окислюють сірководень до сірчаної кислоти.

Роль автотрофів-хемосинтетиков дуже велика, особливо нитрифицирующих бактерій. Вони мають важливе значення для підвищення врожайності, так як в результаті їх життєдіяльності азот, що знаходиться у вигляді сполук, недоступних для засвоєння рослинами, перетворюється в солі азотної кислоти, які добре ними засвоюються.