Том 1 (1129743), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Изящные механизмы, лежащие в основе этих двух стадий фотосинтеза, мыопишем в главе 14.Конечный результат всего процесса фотосинтеза, в той мере, в которой к участию в нем допущено зеленое растение, может быть подытожен в виде нехитрогоуравнения:световая энергия + CO2 + H2O → сахара + O2 + тепловая энергия.Произведенные сахара в дальнейшем используются и как источник энергиихимических связей, и как источник материалов, идущих на создание многих других маленьких и больших органических молекул, которые жизненно необходимырастительной клетке.2.2.4. Клетки получают энергию путем окисления органическихмолекулВсе животные и растительные клетки питаются энергией, запасенной в химических связях органических молекул, будь то сахара, которые растение выработалопутем фотосинтеза в качестве пищи для себя, или смесь больших и маленьких молекул, которую поглотило животное.
Чтобы жить, расти и размножаться, организмыдолжны извлекать эту энергию в доступной форме. И у растений, и у животныхэнергия извлекается из молекул пищи в ходе процесса поэтапного окисления, или,можно сказать, управляемого сжигания.Атмосфера Земли содержит большое количество кислорода, а в присутствиикислорода наиболее энергетически устойчивой формой углерода является CO2,а водорода – H2O. Клетка поэтому может получать энергию, запасенную в сахарахили других органических молекулах, предоставляя возможность содержащимсяв них атомам углерода и водорода взаимодействовать с кислородом и превращатьсясоответственно в CO2 и H2O, — этот процесс назван дыханием.Фотосинтез и дыхание суть взаимно дополняющие друг друга процессы(рис. 2.41).
Это означает, что далеко не все «сделки» между растениями и животными заключаются в одностороннем порядке. Растения, животные и микроорганизмы существовали на этой планете бок о бок так долго, что многие из нихстали неотъемлемой частью среды обитания друг друга. Кислород, выделяемыйв процессе фотосинтеза, потребляется почти всеми организмами и идет на сжиганиеорганических молекул. А некоторые из молекул CO2, которые сегодня связаныв органические молекулы благодаря реакциям фотосинтеза, происходящим в зеленом листке, вчера выдохнуты в атмосферу каким-либо животным или выпущеныв атмосферу в процессе дыхания гриба или бактерией, разлагающей мертвое орга-142Часть 1.
Введение в мир клеткиРис. 2.41. Фотосинтез и дыхание как взаимно дополняющие друг друга процессы живого мира. Прифотосинтезе энергия солнечного света используется для производства сахаров и других органическихмолекул. Эти молекулы, в свою очередь, служат пищей для других организмов, многие из которыхосуществляют дыхание — процесс, в котором используется O2 и образуется CO2 из тех же атомовуглерода, которые были поглощены в виде CO2 и превращены в сахара фотосинтезом. В ходе этого процесса организмы, которые дышат, получают необходимую им для жизни энергию химических связей.Первые клетки на Земле, как думают, не могли осуществлять ни фотосинтез, ни дыхание (что нам ещепредстоит обсудить в главе 14). Однако на Земле фотосинтез, должно быть, предшествовал дыханию,так как есть неопровержимые доказательства, что потребовались миллиарды лет фотосинтеза, преждечем выделенного количества O2 оказалось достаточно для создания атмосферы, богатой этим газом.
(Внастоящее время атмосфера Земли содержит 20 % O2.)ническое вещество. Поэтому мы видим, что усвоение углерода образует гигантскийкруговорот, который охватывает всю биосферу (все живые организмы на Земле)в целом, выходя за рамки «деловых отношений» между отдельными организмами(рис. 2.42). Подобным же образом атомы азота, фосфора и серы перемещаютсямежду живым и неживым мирами в круговоротах, в которых участвуют растения,животные, грибы и бактерии.2.2.5. Процессы окисления и восстановления основаны на переносеэлектроновКлетка не окисляет органические молекулы за один этап, как это происходитпри сгорании органического материала в огне. Благодаря ферментативным катализаторам молекулы претерпевают цепь метаболических превращений, в ходе которыхлишь изредка происходят реакции прямого присоединения кислорода.
Прежде чеммы рассмотрим некоторые из таких реакций и их назначение, мы поговорим о том,что понимается под процессом окисления.Окисление не означает лишь присоединение атомов кислорода; это понятиетрактуется гораздо шире — распространяется на любую реакцию, в которой электроны переносятся с одного атома на другой.
Окисление в этом смысле означает отдачуэлектронов, а восстановление — обратное окислению действие приобретения электронов. Таким образом, ион Fe2+ окисляется, если теряет электрон и превращаетсяв ион Fe3+, а атом хлора восстанавливается, если приобретает электрон и становитсяионом Cl–. Поскольку в химической реакции число электронов остается неизменным (не убывает и не возрастает), постольку окисление и восстановление всегдаГлава 2.
Химия клетки и биосинтез 143Рис. 2.42. Углеродный цикл. Отдельные атомы углерода включаются в органические молекулы живогомира благодаря фотосинтезирующей деятельности бактерий и растений (в том числе водорослей). Онипереходят к животным, микроорганизмам и в органическое вещество почв и океанов замкнутыми циклическими путями. CO2 возвращается в атмосферу, когда органические молекулы окисляются клеткамиили используются людьми в качестве топлива.происходят одновременно: то есть если одна молекула получает электрон в ходереакции (восстановление), то другая молекула теряет этот электрон (окисление).Когда молекула сахара окисляется до CO2 и H2O, то, например, молекулы O2,участвующие в образовании H2O, приобретают электроны и таким образом, какговорят, восстанавливаются.Термины «окисление» и «восстановление» применимы даже тогда, когда имеетместо лишь частичное смещение электронов между атомами, связанными ковалентной связью (рис.
2.43).Когда атом углерода вступает во взаимодействие с некоторым атомом, обладающим сильным сродством к электронам, — таким, например, как кислород,хлор или сера, — он уступает электроны в большей степени, чем это было бы приравноправном дележе, и образует полярную ковалентную связь: положительныйзаряд ядра атома углерода теперь несколько больше, чем отрицательный зарядего электронов, атом поэтому приобретает частичный положительный заряд и, какговорят, окисляется.
Наоборот, атом углерода в связке C–H заимствует немногобольше своей доли электронов и таким образом, как говорят, восстанавливается(см. рис. 2.43).Когда молекула (А) в клетке улавливает электрон (e–), она зачастую прихватывает вместе с ним и протон (H+) (протонов в воде неограниченное количество).В данном случае конечным результатом будет присоединение атома водородак молекуле:A + e–+ H+ → АН.144Часть 1.
Введение в мир клеткиРис. 2.43. Окисление и восстановление. а) Когда два атома образуют полярную ковалентную связь(см. стр. 50), то атом, получивший бóльшую долю электронов, как говорят, восстанавливается, тогдакак другой атом, оказавшийся с меньшей долей электронов, как говорят, окисляется. Восстановленныйатом приобретает частичный отрицательный заряд (δ–), поскольку положительный заряд на ядре атоматеперь ниже суммарного заряда электронов, окружающих его; и наоборот, окисленный атом приобретаетчастичный положительный заряд (δ+).
б) Единственный атом углерода в метане может быть превращенв атом двуокиси углерода последовательной заменой ковалентно связанных с ним атомов водородаатомами кислорода. С каждым шагом электроны смещаются дальше от углерода (как обозначено синей областью) и атом углерода постепенно становится все более окисленным. Каждый из этих шаговэнергетически выгоден в условиях внутри клетки.Даже при том, что в данной реакции участвует протон и электрон (а не толькоодин электрон), такие реакции гидрогенизации суть реакции восстановления, а обратные реакции дегидрогенизации — окисления.
В случае органических молекулГлава 2. Химия клетки и биосинтез 145особенно легко определить, окисляется она или восстанавливается: если числосвязей C–H возрастает, то имеет место восстановление, тогда как окисление сопровождается сокращением числа связей C–H (см. рис. 2.43, б).Клетки используют ферменты для того, чтобы катализировать окисление органических молекул «маленькими шажками», пропуская их через цепочку реакций,что позволяет пожинать порции полезной энергии с химических пажитей. Теперь,думаем, нужно объяснить принцип работы ферментов и сказать о некоторых факторах, под действием которых они исполняют свои «должностные обязанности».2.2.6. Ферменты снижают энергетические барьеры химическихреакцийРассмотрим реакциюбумага + O2 → дым + пепел + теплота + CO2 + H2O.Бумага горит легко, выделяя в атмосферу как энергию в виде теплоты, таки воду и двуокись углерода в виде газов, но дым и пепел никогда самопроизвольноне извлекут обратно эти сущности из нагретой атмосферы и уже не станут бумагой.Когда бумага горит, содержащаяся в ней химическая энергия рассеивается в видетепла — не теряется во Вселенной, так как энергия никогда не может появитьсяили исчезнуть, но безвозвратно распыляется в хаотических беспорядочных тепловых колебаниях молекул.
В это время атомы и молекулы бумаги рассеиваютсяи «забывают» о всяком порядке. Как говорят на языке термодинамики, происходитпотеря свободной энергии, то есть энергии, которая может быть употреблена на совершение работы или осуществление химических реакций. Эта потеря отражаетпотерю упорядоченной организации энергии молекул, запасенных в бумаге. Вскоре мы поговорим о свободной энергии подробнее, но общий принцип достаточноясен по наитию: химические реакции самопроизвольно протекают только в томнаправлении, которое ведет к потере свободной энергии; другими словами, направление самопроизвольного протекания всякой реакции — направление, котороеидет «на спуск».
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
