 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
ПЛАСТИЧНИЙ ОБМІН
За типом асиміляції організми можуть бути автотрофними, гетеротрофними і міксотрофними.
Автотрофна асиміляція. Автотрофні організми здатні самостійно синтезувати органічні речовини з неорганічних. До таких організмів належать зелені рослини і деякі мікроорганізми. Залежно від того, яке джерело енергії використовують для синтезу органічних речовин автотрофні організми, їх підрозділяють на дві групи: фототрофи і хемотрофи.
Фототрофами є зелені рослини, для яких характерний фотосинтез, що відбувається завдяки наявності у хлоропластах пігменту хлорофілу. Фотосинтез – це складний багатоступінчастий процес перетворення сонячної енергії в потенційну енергію хімічних зв'язків в органічних речовинах. В основі фотосинтезу лежить окисно-відновлювальний процес, при якому електрони переносяться від донора-відновлювача (вода, гідроген) до акцептора (СО2) з подальшим утворенням відновлених сполук (вуглеводів) і виділенням кисню, що необхідний для забезпечення життєдіяльності живих організмів на Землі. Фотосинтез складається з двох послідовних фаз: світлової і темнової.
Світлова фаза фотосинтезу відбувається тільки на світлі в мембрані гранів хлоропласта за участю хлорофілу, спеціальних білків-переносників і АТФ-синтетази. В процесі світлової фази синтезується АТФ, утворюються НАДФН2 та молекулярний кисень, який потрапляє до атмосфери. АТФ і НАДФН2 транспортуються до строми хлоропласта, де беруть участь у подальших процесах темнової стадії фотосинтезу.
Уперше процес темнової фази фотосинтезу докладно вивчив американський біохімік М.Кальвін, на честь якого цей процес одержав назву циклу Кальвіна. Темнова фаза фотосинтезу протікає в стромі як на світлі, так і в темряві, і складається з послідовних ферментативних реакцій, внаслідок яких зв'язується СО2 і утворюється глюкоза.
Сумарну реакцію фотосинтезу можна представити як:
 |
6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2↑
Одержані в результаті темнової фази фотосинтезу молекули глюкози через ряд ферментативних реакцій можуть перетворюватися в полісахариди, крім того в процесі фотосинтезу утворюються мономери інших органічних сполук — амінокислоти, гліцерин і жирні кислоти.
Фотосинтез у прокаріотичних організмів має певні особливості залежно від видової специфічності. Так, наприклад, ціанобактерії і прохлорофіти здійснюють фотосинтез з виділенням кисню, а пурпурні, зелені та галобактерії – без цього. Крім того деякі бактерії можуть використовувати спеціальні пігменти для цього процесу: галобактерії здійснюють складний цикл фотохімічних реакцій за допомогою бактеріородопсину, ціанобактерії містять фікоціанін, що часом більш активно, ніж наявний у них хлорофіл, приймає участь у фотосинтезі та ін.
Хемосинтез – це синтез органічних речовин у автотрофних бактерій з використанням енергії, що виділяється при хімічних реакціях окислення неорганічних сполук: сірководню, сірки, аміаку, азотної кислоти, заліза та ін. У 1887 р. російський мікробіолог С.Н. Виноградський відкрив бактерії, що хемосинтезують, – безхлорофільні організми, які здатні в темряві перетворювати вуглекислоту в органічні сполуки.
У теплих водоймах, що містять сірководень, живуть безбарвні бактерії, які здатні добувати енергію, необхідну для синтезу органічної речовини з вуглекислоти в повній темряві, окислюючи сірководень і накопичуючи сірку:
2H2S + O2 → 2H2O + 2S + енергія
При виснаженні запасів сірководню бактерії використовують відкладену в них сірку, окислюючи її до сірчаної кислоти:
2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 + енергія
Енергія запасається бактеріями у вигляді молекул АТФ і використовується для синтезу органічних речовин, що протікає за типом синтезу глюкози в темновій фазі фотосинтезу. Велика кількість сіркобактерій мешкає в Чорному морі, в якому на глибині більш 200 м (а в деяких місцях майже на поверхні) вода насичена сірководнем.
Бактерії, що нітрифікують, живуть у ґрунті і водоймах. Деякі з них одержують енергію в результаті окислювання аміаку в азотисту кислоту:
2 NH3 + 3O2 → 2HNO2 + 2H2O + енергія
Інша група бактерій окислює азотисту кислоту до азотної і використовує виділену енергію для синтезу речовин:
2HNO2 + О2 → 2HNO3 + енергія
Значення бактерій, що живуть у ґрунті і нітрифікують, важливе для підвищення врожайності: в результаті їхньої життєдіяльності молекулярний азот повітря, що є недоступним для засвоєння рослинами, перетворюється в аміак в ґрунті і добре ними засвоюється. На теперішній час в ряді країн біотехнологи, генетики та ботаніки ведуть дослідження стосовно біологічної фіксації атмосферного азоту, вивчають можливості підвищення ефективності цього процесу, що грає важливу роль в круговороті азоту в біосфері, шляхи підвищення продуктивності рослин, а також можливість створення у сільському господарстві нових симбіотичних асоціацій, що нітрифікують. Бактерії, які окислюють сполуки заліза і марганцю, надзвичайно поширені як у прісних, так і в морських водоймах. Завдяки життєдіяльності цих бактерій на дні боліт і морів утворюється велика кількість відкладень руд заліза та марганцю. Сірчані бактерії беруть участь також в очищенні стічних вод. Крім того бактерії, що хемосинтезують, відіграють важливу роль у круговороті речовин у природі.
Гетеротрофна асиміляція відбувається в клітинах тварин, грибів, деяких бактерій, які синтезують органічні сполуки для свого тіла з вже готових органічних речовин, що надходять з їжею. У процесі травлення ці речовини розпадаються до мономерів, з яких у клітинах синтезуються білки, жири і вуглеводи, характерні для даного організму. Перетворення речовин у гетеротрофному організмі йде за наступною схемою:
Усі реакції йдуть за участю ферментів і з використанням енергії, яку гетеротрофи одержують внаслідок реакцій дисиміляції.
Міксотрофна асиміляція спостерігається у організмів, які містять пігмент хлорофіл і на світлі можуть бути автотрофами, а за умов відсутності світла стають гетеротрофами. До міксотрофних організмів належить, наприклад, евглена зелена.
Таким чином, при розгляданні загального кругообігу енергії в біологічних системах відзначається накопичення енергії в процесі фотосинтезу і звільнення її в процесі тканинного дихання.
Знання процесів катаболізму і анаболізму, особливості регуляції ферментів певних біохімічних реакцій, продуктів, які утворюються в ході конкретних етапів метаболізму в клітинах різних організмів має для біотехнологів особливе значення. Промислова біотехнологія використовує різноманітні метаболічні реакції живих клітин для отримання багатьох корисних для людини продуктів. Так, наприклад, багаточисельні штами дріжджів завдяки бродінню застосовують у пивоварінні, виноробстві, у хлібопеченні. Молочнокисле бродіння використовують у виробництві кисляку, сметани та кефіру при скисанні молока. Оцет, який використовується в кулінарії, одержують за умов окислення етанолу в оцтову кислоту оцтовокислими бактеріями. Молочна кислота, яка утворюється шляхом бродіння, знайшла широке використання у якості окислювача в харчовій промисловості, а також як протрава у текстильній промисловості. Різноманітні ферменти, які забезпечують метаболізм в клітині, використовуються для виробництва соків, хліба, сирів, миючих засобів, у шкіровиробництві та ін. Крім того важливе значення має знання процесів метаболізму в мікроорганізмах, особливо тих реакцій біосинтезу, за допомогою яких одержують антибіотики (пеніцилін, стрептоміцин, тетрациклін та ін.), вітаміни та деякі гормони, які використовуються у фармацевтичній промисловості. Прикладів щодо практичного значення окремих ланок метаболізму і особливо продуктів цих реакцій для біотехнологів і фармацевтів можна навести ще велику кількість. Таким чином, знання особливостей протікання метаболізму в клітинах людини дозволяє корегувати деякі патологічні стани, продукцію шкідливих речовин в клітині за умов стресу, а також підвищувати виробництво необхідних для людини речовин, впливаючи на регуляцію метаболізму і використовуючи генетичні маніпуляції не тільки з тваринними, але й з клітинами деяких рослин і мікроорганізмів.
Поиск по сайту: