Теория по теме "Ассимиляция. Фотосинтез"

Ассимиляция

Ассимиляция рассматривается на примере 4-ех процессов.
Фотосинтез
Фотосинтез — это образование органических веществ из неорганических при участии солнечной энергии.

Суммарное уравнение фотосинтеза: 6СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂
Значительный вклад в изучение фотосинтеза внес К.А. Тимирязев, который доказал, что фотосинтез наиболее активно идет в красных лучах спектра, и что растения в процессе фотосинтеза преобразуют энергию Солнца в химическую энергию.
Фотосинтез характерен для растений и некоторых прокариот.

Для протекания фотосинтеза необходимо наличие пигментов, прежде всего хлорофилла. Также могут присутствовать другие пигменты: желтые каротиноиды и красные или синие фикобилины.

Фотосинтез состоит из двух стадий: световой и темновой.
Световая стадия.

Происходит в тилакоидах. Энергия света поглощается хлорофиллом и переводит его в возбужденное состояние.

Электроны из фотосистем I и II поступают на цепь переноса электронов, т. е. в молекулах хлорофилла остаются незаполненные места для электронов.

«Дыры» в фотосистеме I заполняются электронами из фотосистемы II; а «дыры» в фотосистеме II — электронами, которые образуются при фотолизе воды.

 Во время движения электроны теряют энергию, часть которой используется для синтеза АТФ. Электрон из фотосистемы I двигается к молекуле НАДФ⁺, восстанавливая его в НАДФ*Н.
Практически одновременно в хлоропластах происходит фотолиз воды — ее расщепление под действием солнечного света. При этом образуются электроны (идут в фотосистему II), протоны (акцептируются НАДФ⁺) и кислород (как побочный продукт): 2Н₂О = 4Н⁺ + 4е + О₂
Таким образом, в результате световой стадии происходит накопление энергии в виде АТФ и НАДФ*Н, а также образование кислорода.

Темновая стадия.

Происходит в строме хлоропластов. Не требует наличия света. Молекула углекислого газа при помощи ферментов реагирует с 1,5-рибу­лезодифосфатом (это производное рибозы). Образуется промежуточное соединение С₆, которое разлагается водой на две молекулы фосфоглицериновой кислоты (С₃). Из этих веществ путем сложных реакций синтезируется фруктоза, которая далее изомеризуется в глюкозу. Для этих реакций требуется 18 молекул АТФ и 12 моле­кул НАДФ*Н.

Из глюкозы в растениях образуются крахмал и целлюлоза.

Фиксация углекислого газа и превращение его в углеводы носит циклический характер и называется циклом Кальвина.

Фотосинтез у бактерий имеет ряд особенностей. Так, основным пигментом для цианобактерий служит хлорофилл, для других бактерий – бактериохлорофилл; вспомогательные пигменты представлены каротиноидами и некоторыми другими. Эти пигменты обычно располагаются на внутриклеточных выростах плазматической мембраны. 

Цианобактерии выделяют кислород при фотосинтезе, пурпурные и зеленые бактерии – нет.

Значение фотосинтеза для сельского хозяйства велико: именно от него зависит урожай сельскохозяйственных культур. Растение при фотосинтезе использует лишь несколько процентов солнечной энергии, попадающей на листья, поэтому одним из важных направлений селекции является выведение новых сортов с большей эффективностью фотосинтеза. Для повышения эффективности фотосинтеза используют следующие приемы: искусственное освещение (дополнительная подсветка лампами дневного света в пасмурные дни или весной и осенью) в теплицах; отсутствие затенения культурных растений, соблюдение необходимых расстояний между растениями и т. п.

 Хемосинтез
Хемосинтез — это процесс образования органических веществ из неорганических при использовании энергии, полученной при окислении неорганических веществ.

Он был открыт русским микробиологом С.Н.Виноградским в XIX в. (1887 г.) и возможен только у бактерий:
1) серобактерии окисляют сероводород до серы и далее до серной кислоты.
2) нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак сначала до азотистой кислоты, а ее — до азотной кислоты.
3) водородные бактерии окисляют водород до воды.
4) железобактерии окисляют соединения Fe (II) до Fe(III).
Энергия, выделяющаяся при окислении неорганических веществ, запасается в виде АТФ и в дальнейшем используется на процессы биосинтеза.

Хемосинтезирующие бактерии обитают в почве и различных водоемах и играют важную роль в круговороте веществ.

Например, благодаря жизнедеятельности железобактерий в природе накапливаются руды железа; а нитрифицирующие бактерии образуют запасы селитры.

Репликация ДНК (удвоение ДНК)
В результате этого процесса образуются две двойные спирали ДНК, которые ничем не отличаются от исходной (материнской).

Сначала с помощью фермента геликазы двойная спираль ДНК расплетается в точках начала репликации. Затем к обеим цепям ДНК подходит специальный фермент праймаза, который синтезирует небольшой участок новой ДНК. Затем еще один фермент удаляет праймазу, а к образовавшемуся участку новой ДНК прикрепляется фермент ДНК-полимераза, осуществляющий синтез дочерних цепей ДНК.

На одной из цепей процесс идет непрерывно — эта цепь называется лидирующей.

Вторая цепь ДНК синтезируется короткими фрагментами (фрагментами Оказаки), которые «сшиваются» вместе с помощью специального фермента (ДНК-лигазы). Эта цепь называется отстающей или запаздывающей.

Репликация основана на ряде принципов:
1) комплементарности (А–Т, Ц–Г);
2) антипараллельности. Каждая цепь ДНК имеет определенную ориентацию: один конец несет остаток фосфорной кислоты, соединяющейся с 5¢-углеродом дезоксирибозы, а второй — ОН-группу, соединенную с 3¢-углеродом. Цепи в молекуле ДНК расположены антипараллельно: одна от 3¢- к 5¢-концу, а вторая (комплементарная ей) — от 5¢- к 3¢-концу.
3) полуконсервативности. Образуются две дочерние спирали, каждая из которых сохраняет (консервирует) в неизменном виде одну из половин материнской ДНК;
4) прерывистости. Чтобы новые нити ДНК могли образоваться, материнские цепи должны быть полностью раскручены и вытянуты, что невозможно; поэтому репликация начинается одновременно в нескольких местах.

(В данном документе были использованы материалы Соловкова Дмитрия Андреевича)