Сравнительная характеристика растительной и животной клеток

6СО₂+ 12Н₂ + энергия АТФ → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ ↑ (темновой процесс).

Обобщенное уравнение фотосинтеза:

Световой процесспроисходит в тилакоидах хлоропластов, темновой – в строме, то есть эти процессы пространственно разобщены.

В хлоропластах хлорофилл и другие пигменты, погруженные в тилакоиды, собраны в функциональные единицы (по 250—400 молекул), называемые фотосистемами.

Имеются два типа фотосистем: ФС-I и ФС-II. Каждая фотосистема содержит 250-400 молекул пигментов. Все пигменты фотосистемы могут поглощать частицы световой энергии (фотоны, кванты света), но только одна молекула хлорофилла этой системы может использовать поглощенную энергию в фотохимических реакциях. Эта молекула называется реакционным центром,а другие молекулы пигментов называются антенными,так как улавливают энергию света, подобно антеннам, для последующей передачи реакционному центру.

В ФС-I реакционный центр образован молекулой хлорофилла а, обозначаемой Р₇₀₀, где 700 – оптимум поглощения в нм. В ФС-II реакционный центр также образован молекулой хлорофилла а, обозначаемой P₆₈₀, где оптимум поглощения лежит в районе 680 нм.

I. Световая фазапротекает на свету на мембранах тилакоидов при участии хлорофилла, белков-переносчиков электронов и фермента – АТФ-синтетазы (рис.).

Включает следующие процессы: фотофосфорилирование и фотолиз воды.

Все молекулы пигментов улавливают энергию солнечного света и передают ее на молекулы реакционного центра P₆₈₀, при этом 2 е переходят на более высокий энергетический уровень и улавливаются акцептором Q. От акцептора начинается электронный поток, в котором электроны «спускаются» по электронно-транспортной цепи к фотосистеме I. Компоненты этой цепи – цитохромы (белки, содержащие железо и серу), хиноны (фенольные соединения) и пластоцианин (белок, содержащий медь). При этом происходит фотофосфорилирование, то есть синтез из АДФ и остатка фосфорной кислоты молекулы АТФ.

Молекула Р₆₈₀, потерявшая свои электроны, восстанавливается за счет электронов донора, которым является вода. Происходит фотолиз– светозависимое расщепление воды. Ферменты, ответственные за фотолиз воды, располагаются на внутренней стороне мембраны тилакоидов.

В фотосистеме I энергия света от антенных пигментов поступает в реакционный центр Р₇₀₀. Возбужденные электроны передаются на электронный акцептор Р₄₃₀ (белок, содержащий железо и серу). Р₄₃₀ передает свои электроны на другой железосодержащий белок – ферредоксин, а последний на кофермент НАДФ⁺ который восстанавливается до НАДФН₂. Молекула Р₇₀₀ в ходе процесса окисляется, но затем восстанавливает потерянные электроны за счет электронов, поступающих по электронно-транспортной цепи от ФС-II.

Однонаправленный поток называется нециклическим потоком электронов,а образование АТФ – нециклическим фотофосфорилированием.

Таким образом, конечными соединениями световой фазыявляются: АТФ, восстановленный НАДФН₂, О₂.

Свободный кислород поступает в атмосферу, АТФ и НАДФН₂ транспортируются в строму хлоропласта и участвуют в процессах темновой фазы.

II. Темновая фазапротекает в строме хлоропласта и может происходить не только на свету, но и в темноте. Химическая энергия (в виде АТФ), запасенная в ходе световой реакции, используется для восстановления углерода СО₂. Реакции темновой фазы представляют собой цепочку последовательных преобразований углекислого газа, приводящую к образованию глюкозы и других органических веществ.

В составе хлоропластов имеется фермент, который катализирует соединение молекулы углекислого газа с рибулозобифосфатом (РБФ).Одна молекула РБФ соединяется с молекулой СO₂ с образованием шестиуглеродной молекулы [С₆],которая непрочна и быстро распадается на две трехуглеродные молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК) [С₃].Затем происходит цикл реакций, в которых через ряд промежуточных продуктов ФГК преобразуется в две молекулы фосфоглицероальдегида (ФГА), затем одна молекула ФГА идет на регенерацию РБФ, а вторая – на образование глюкозы. В этих реакциях используются энергия АТФ и НАДФН₂, образованных в световой фазе. Цикл этих реакций получил название «цикл Кальвина».

CO₂ + РБФ → [C₆] → [C₃] + [C₃] → 2ФГА → С₆Н₁₂О₆ + РБФ

                                 ФГК ФГК

Суммарное уравнение синтеза глюкозы:

6СО₂ + 12НАДФН₂ + 18АТФ → С₆Н₁₂О₆ + 12НАДФ⁺ + 18АДФ + 18Ф + 6Н₂О

2) Хемосинтез.

Кроме фотосинтеза, существует еще одна форма автотрофной ассимиляции – хемосинтез, наблюдаемый у некоторых бактерий. Такие бактерии называются хемосинтетиками.

Хемосинтез– это способность хемосинтетиков при окислении неорганических веществ использовать выделившуюся энергию для образования органических веществ, идущих на построение клеток своего тела. Хемосинтетики, в отличие от фотоавтотрофов, используют в процессе синтеза не солнечный свет, а энергию экзотермических реакций.

Русский микробиолог С.И. Виноградский в 1889 г. впервые доказал существование в природе автотрофных незеленых организмов (нитрифицирующих бактерий) и описал сущность процесса хемосинтеза.

1. Нитрифицирующие бактерии.Распространены в почве и в различных водоемах. Добывают энергию путем окисления аммиака и азотистой кислоты, играют важную роль в круговороте азота в природе. Выделяют во внешнюю среду ферменты, которые катализируют окисление субстратов:

- аммиак (субстрат) окисляется до азотистой кислоты и энергии:

2NH₃ + 3O₂ → 2HNO₂ + 2Н₂O + Е;

- азотистая кислота окисляется до азотной кислоты и энергии:

2HNO₂ + O₂ ↔2HN0₃ + Е.

2. Бесцветные серобактерии.Распространены в водоемах, вода которых содержит сероводород. Добывают энергию для синтеза органических соединений из углекислого газа, окисляя сероводород:

2H₂S + O₂ → 2Н₂O + 2S + Е

При недостатке сероводорода серобактерии производят дальнейшее окисление свободной серы до серной кислоты.

2S + 3O₂ + 2Н₂O → 2H₂S0₄ + Е

3. Железобактерии.Образуют болотную железную руду.

4Fe²⁺ + O₂ + 4Н⁺ → 4Fe³⁺ + 2Н₂O + Е

4. Водородные бактерии.Распространены в почве. Окисляют водород, образующийся при анаэробном разложении органических остатков микроорганизмами почвы.

2Н₂ + O₂ → 2Н₂O + Е

3) Синтез белка.

Этапы  матричного синтеза:

1. Репликация ДНК (удвоение).

2. Транскрипция– синтез РНК на матрице ДНК.

3. Трансляция – синтез белка на рибосоме.

1) Репликация ДНК:

Для всех эукариотических организмов репликация ДНК происходит полуконсервативным методом. Полуконсервативный метод репликациизаключается в том, что полученные дочерние молекулы ДНК содержат одну цепочку от материнской молекулы ДНК (консервативную), а вторую – вновь синтезированную. Репликация ДНК – сложный процесс, происходящий в ядре с участием ферментов.

       2) Транскрипция – биосинтез всех видов РНК на матрице ДНК. Протекает в ядре клетки в синтетическую фазу (интерфазу). Синтез РНК идет только на одной цепи ДНК. В зависимости от генов в ДНК синтезируются различные и-РНК и 61 разновидность т-РНК, соответствующих 20 аминокислотам.

Пример: матрица ДНК: АГТЦААТГЦЦТТГ

                    и-РНК: АГУЦААУГЦЦУУГ

       3) Трансляция – синтез полипептидных цепей белка, осуществляемый на рибосомах. и-РНК является посредником в передаче информации о первичной структуре белка с гена ДНК на рибосому. Протекает в несколько этапов:

       а) Образование комплекса и-РНК – рибосома. Происходит соединение и-РНК с 2 субъединицами рибосомы и образование комплекса.

       б) Активирование аминокислот: каждая аминокислота соединяется со своей т-РНК, антикодон которой соответствует кодону и-РНК. Кодон – последовательность 3 нуклеотидов (триплет нуклеотидов) в и-РНК. Антикодон – последовательность 3 нуклеотидов в т-РНК, комплементарных нуклеотидам в и-РНК. Например: кодон и-РНК – ГЦГ, тогда антикодон т-РНК – ЦГЦ.

       Присоединение аминокислоты к т-РНК идет за счет энергии АТФ. т-РНК переносит аминокислоты из цитоплазмы к месту синтеза белка на рибосому.

       в) Собственно синтез белка: т-РНК с аминокислотами по принципу комплементарности соединяются с и-РНК и входят в рибосому. В пептидном центре рибосомы происходит освобождение аминокислоты от т-РНК и образование пептидной связи между предыдущей и последующей аминокислотой. и-РНК каждый раз продвигается на один триплет нуклеотидов, внося в рибосому т-РНК со следующей аминокислотой и вынося свободную т-РНК.

       г) Окончание синтеза. Синтез белка заканчивается, когда на и-РНК начинаются бессмысленные кодоны (набор 3 стоп-кодов). Рибосомы соскакивают с и-РНК и распадаются на субъединицы. Полипептидная цепь одновременно снимается с рибосомы и поступает внутрь ЭПС, где дозревает и приобретает все структуры белка.

       Свойства генетического кода:

       1) Код триплетен – каждой аминокислоте соответствует сочетание 3 нуклеотидов;

       2) Код однозначен – каждый триплетный код соответствует только одной аминокислоте;

       3) Код вырожден – каждая аминокислота имеет более, чем один код. Например, для глицина существует 4 кода: ЦЦА, ЦЦГ, ЦЦТ, ЦЦЦ. В основном аминокислоты имеют 2-3 кода.

       4) Код универсален – все живые организмы имеют одинаковый код аминокислот.

       5) Код непрерывен – между кодами нет промежутков. Всего существует 64 кода, из них 61 – смысловой (т.е. соответствует аминокислотам), и 3 стоп-кода, которые заполняют промежутки между генами.