Эффективность пластического обмена можно рассмотреть на примере фотосинтеза.
Фотосинтез – процесс образования органических соединений из неорганических (в клетках растений из углекислого газа и воды), осуществляющийся в зеленых растениях и некоторых бактериях (фотосинтезирующих) при участии энергии солнечного света, которая вводится в цепь фотосинтетических превращений через хлорофилл – зеленый пигмент растений.
Очень образно описал это явление русский ученый, физиолог растений К.А. Тимирязев: «Дайте самому лучшему повару сколько угодно свежего воздуха, сколько угодно солнечного света и целую речку чистой воды и попросите, чтобы из всего этого он приготовил вам сахар, крахмал, жиры и зерно, – он решит, что вы над ним смеетесь. Но то, что кажется совершенно фантастическим человеку, беспрепятственно совершается в зеленых листьях растений».
Суммарное уравнение фотосинтеза:
6 СО2 + 6 Н2О → С6Н12О6 + 6 О2 ↑
Суммарное уравнение отражает только количественные соотношения участвующих в фотосинтезе реагентов и его конечных продуктов, но не химическую природу этого явления. Общее уравнение удалось выяснить ученым к концу XIX в., а химическая природа выяснена в середине XX-го. Хотя все сложности этого процесса до конца не ясны и сегодня.
Сейчас известно о фотосинтезе, что это длинная и сложная цепь реакций, протекающих в хлоропластах при участии большого количества ферментов. Чтобы эти реакции шли, они должны быть разделены в пространстве.
Пластиды – двумембранные органоиды, характерные только для растительных клеток и встречающиеся во всех живых клетках зеленых растений. Выделяют 3 вида пластид, имеющих общее происхождение и взаимосвязанных между собой: хлоропласты, лейкопласты, хромопласты. Все типы пластид образуются из своих предшественников – пропластид. Двумембранные органеллы, обычно овальной формы, в которых помимо фотосинтеза протекают многие промежуточные стадии обмена веществ (синтез пуринов и пиримидинов, большинства аминокислот, всех жирных кислот и т.д.).
Наружная мембрана хлоропластов – гладкая; внутренняя образует тилакоиды. Тилакоиды собраны в граны (напоминают стопки монет) – по 50 штук. Мембраны тилакоидов содержат ферменты, обеспечивающие световую фазу фотосинтеза, в них же находится хлорофилл. Внутреннее содержимое – строма – содержит одну кольцевую молекулу ДНК, РНК, белки, а также ферменты темновой фазы фотосинтеза.
Свойства хлоропластов:
- полуавтономность – заключается в наличии собственного белоксинтезирующего аппарата, но большая часть генетической информации находится в ядре;
- способность к самостоятельному движению (уходят от прямых солнечных лучей);
- способность к самостоятельному размножению (деление).
Функция хлоропластов – фотосинтез. Кроме того, пигмент хлорофилл окрашивает листья, молодые стебли, незрелые плоды в зеленый цвет.
Фотосинтез – синтез органических веществ из неорганических за счет энергии солнца (ежегодно синтезируется около 150 млрд. тонн углеводов с выделением кислорода).
Лейкопласты – бесцветные пластиды округлой, яйцевидной, веретенообразной формы. Находятся в неокрашенных подземных частях растений (корни, клубни, корневища и т.д.), семенах, эпидермисе, сердцевине стебля. Организованы более просто, нежели хлоропласты, лишены пигментов, либо пигменты в них находятся в неактивной форме. Содержат ДНК, зерна крахмала, единичные тилакоиды и пр. Свойства лейкопластов:
- способность к амебовидному движению;
- способность к превращению на свету в хлоропласты.
Функция лейкопластов – аккумуляция питательных веществ. В лейкопластах одних клеток запасаются зёрна крахмала – это аминопласты (в клубнях картофеля). В лейкопластах других хранятся жиры – липидопласты (в орехах, подсолнечнике) или белки – протеинопласты (в некоторых семенах).
Хромопласты – нефотосинтезирующие окрашенные пластиды округлой, чечевицеобразной, многогранной формы. Встречаются в цитоплазме клеток цветков, стеблей, плодов, листьев, придавая им соответствующую окраску. Имеют более простое строение (почти отсутствуют тилакоиды). Свойства хромопластов:
- мертвые пластиды образуются из лейко- и хлоропластов;
- содержат около 50 видов пигментов каротиноидов (красные, желтые, оранжевые, коричневые). Функция хромопластов – обеспечение окраски цветов, плодов, семян.
У высших растений фотосинтез происходит в хлоропластах при помощи пигментов (хлорофиллов, каратиноидов и др.).
Пигменты собраны в фотосистемы – функциональные фотосинтетические единицы, располагающиеся в мембранах тилокоидов. Выделяют фотосистему I (ФС I) и фотосистему II (ФС II). Каждая фотосистема состоит из большого количества молекул пигментов (сопровождающие пигменты, выполняющие функцию светособирающей антенны) и реакционного центра, в состав которого также входят молекулы пигментов. Преобразование энергии солнечного света в энергию химических связей начинается в реакционных центрах.
В строме находятся ферменты, катализирующие реакции, происходящие без участия света.
