Энергообеспечение клеток

Энергообеспечение клеток. Поступающая энергия требуется для осуществления жизненно важных процессов, но в первую очередь для химического синтеза веществ, используемых для построения и восстановления структур клетки и организма. Подчеркнем, что живые существа способны использовать только два вида энергии- световую энергию излучения солнца и химическую энергию связей химических соединений, содержащихся в пище. Этот признак и разделил живые организмы на фототрофы и хемотрофы.

Фотосинтез. Солнечную энергию способны непосредственно использовать только клетки зеленых растений, одноклеточных водорослей, зеленых пурпурных бактерий. За счет энергии они синтезируют органические соединения углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты и др. Такой биосинтез, который происходит благодаря энергии света, и называют фотосинтезом. Отметим, что зеленый цвет фотосинтезирующих клеток зависит от наличия в них хлорофилла, поглощающего свет в красной и синей частях спектра и пропускающего лучи, которые дают при их смешении зеленый цвет. Некоторые водоросли и бактерии имеют и иные светопоглощающие пигменты, что придает им бурый, красный или пурпурный цвет. Исходными веществами для фотосинтеза служат диоксид углерода атмосферы и вода 6СО 6Н О С Н О 6О . Часть синтезируемой при фотосинтезе глюкозы является источником энергии для всех последующих процессов жизнедеятельности растения, в том числе и его роста развития.

С целью последующего синтеза более сложных органических веществ растения наряду с первичным строительным материалом- глюкозой, используются многие неорганические вещества азотистые, фосфорные, сернистые соединения. Главным источником азота как элемента питания растений служат молекулы атмосферного азота его способны фиксировать бактерии, живущие в корневых клубеньках, главным образом бобовых растений.

Газообразный азот превращается при этом в аммиак- NH и далее входит в состав аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и иных соединений.

Те живые существа нашей планеты, которые не способны к фотосинтезу, используют для питания готовые органические вещества. К ним относятся все животные и человек, живущие благодаря трансформированной растениями энергии Солнца за исключением хемосинтезирующих микроорганизмов, о которых речь пойдет далее. Фотосинтезирующие клетки, захватывая диоксид углерода из атмосферы, взамен выделяют в нее кислород. Постепенное наполнение атмосферы кислородом привело к появлению клеток с энергетическим аппаратом нового типа. Они производили энергию вследствие окисления органических соединений, в основном углеродов и жиров, при участии атмосферного кислорода в роли окислителя.

В результате на Земле наступил важнейший этап в развитии жизни этап кислородной, или аэробной жизни. Таким образом, планетарная роль растений и иных фотосинтезирующих организмов чрезвычайно велика 1 они превращают энергию солнечного света в энергию химических связей органических соединений.

Последняя используется всеми остальными живыми существами планеты 2 они поставляют в атмосферу кислород, который служит для окисления органических веществ и извлечения при помощи этого запасенной в них химической энергии аэробными клетками 3 наконец, некоторые виды растений в содружестве симбиозе с азотфиксирующими бактериями см. ниже переводят атмосферный азот в состав молекул аммиака, его солей и органических азотсодержащих соединений. Хемосинтез. Сложные органические вещества для построения своих тел создают не только зеленые растения, но и бактерии, которые не содержат хлорофилла. Этот процесс- хемосинтез осуществляется благодаря энергии, выделяющейся при химических реакциях окисления различных неорганических соединений сероводорода, водорода, аммиака, оксида железа II и др. Образующаяся при этом энергия запасается в форме аденозинтрифосфорной кислоты АТФ. Хемосинтез открыл известный русский микробиолог С.Н. Виноградский.

В качестве примера хемосинтеза рассмотрим окисление сероводорода и аммиака. В водоемах, содержащих сероводород, живут бесцветные серобактерии.

Энергию Е, которая необходима для синтеза органических соединений из диоксида углерода, они получают в результате окисления сероводорода 2H SO 2H O2SE Свободная сфера, выделяющаяся в результате этого, накапливается в клетках бактерий. Если сероводорода впоследствии не хватает, бесцветные серобактерии производят дальнейшее окисление содержащейся в них свободной серы до серной кислоты 2S3O 2H 2H SO E . Образовавшаяся энергия Е также используется для осуществления синтеза органического вещества из диоксида углерода.

В целом энергетический эффект окисления сероводорода до серной кислоты равен 666 кДж на каждый моль сероводорода. В почве и различных водоемах широко распространены нитрифицирующие бактерии. Они добывают энергию путем окисления аммиака и азотистой кислоты, поэтому играют очень важную роль в круговороте азота в природе. Аммиак, который образуется при гниении белков в почве или водоемах, окисляется нитрифицирующими бактериями их С.Н. Виноградский назвал нитросомонас.

Этот процесс может быть описан таким уравнением 2NH 3O 2HNO 2H OE Энергия, которая выделяется при этом 662 кДжмоль, также используется для синтеза органических соединений. В последующем окисление азотистой кислоты HNO до азотной осуществляется другой группой нитрифицирующих микроорганизмов, названых нитробактером. 2HN OO 2HNO E. Указанный процесс сопровождается выделением 101 кДж. Отметим, что процесс нитрификации происходит в почве в огромных масштабах и служит для растений источником нитратов.

Кстати говоря, жизнедеятельность бактерий представляет собой один из важнейших факторов плодородия почв. Итак, для того чтобы строить свое тело и размножаться, любой живой организм должен непрерывно получать определенное количество энергии. В дальнейшем она расходится 1 на поддержание жизни, т.е. основной обмен. Эти затраты носят одновременно энергетический и формообразующий характер, так как такни тела организма постоянно обновляются на протяжении всей жизни 2 на перемещение в пространстве если речь идет об организме, который передвигается- это затраты активности.

Вместе с затратами на поддержание жизни они составляют затраты на самосохранение 3 на обеспечение роста путем синтеза новой протоплазмы 4 на формирование элементов, необходимых для размножения яйца, эмбрионы, семена, и образование углеводных растения или жировых животных запасов.