Transcript
BIOLOGIA „Fotosynteza i oddychanie jako procesy metaboliczne” Wszystkie organizmy żywe utrzymują się przy życiu, rosną i rozmnażają się dzięki stałemu pobieraniu substancji pokarmowych, a których po odpowiednich przekształceniach organizm otrzymuje materię konieczną dla wzrostu i energię niezbędną do przebiegu różnorodnych procesów życiowych. Procesy polegające na pobieraniu ze środowiska substancji pokarmowych, przekształcaniu ich w swoisty sposób i wytwarzaniu przy tym energii, są charakterystyczną cechą życia i noszą nazwę procesów przemiany materii i energii lub inaczej metabolizmu. Podzielić można je na dwie grupy. Pierwszą z nich stanowią procesy syntezy (inaczej zwane procesami asymilacji lub anabolizmu) polegające na tworzeniu się ze związków prostych w organizmie związków bardziej złożonych i włączaniu ich w skład własnego ciała. Drugą grupę z kolei stanowią procesy rozpadu (lub katabolizmu) polegające na rozszczepianiu bardziej złożonych substancji na prostsze. Procesy syntezy wymagają dopływu energii z zewnątrz, procesom rozpadu towarzyszy zawsze wyzwalanie energii. Procesy katabolizmu dostarczają organizmowi energii niezbędnej do wytwarzania specyficznych dla każdego organizmu substancji organicznych, co jest nie tylko warunkiem wzrostu, ale i odnawiania się komórek, oraz energii koniecznej do przebiegu różnorodnych
1
procesów życiowych, jak ruch, rozmnażanie, utrzymanie stałej temperatury ciała, itp. Procesy syntezy i rozpadu zachodzą stale w komórkach organizmów i są ściśle ze sobą powiązane. Powstające w wyniku rozkładu związków organicznych substancje mogą być wykorzystywane ponownie w procesach syntezy. Procesy anaboliczne i kataboliczne zachodzą zarówno w komórkach roślin, jak i zwierząt. Rośliny jednak mają zdolność syntetyzowania związków organicznych z prostych związków nieorganicznych i dlatego nazywane są organizmami samożywnymi – autotrofami. Zwierzęta pobierać muszą gotowe substancje organiczne i następnie dopiero wtedy przerabiać je na składniki swego ciała. Zwierzęta są więc całkowicie uzależnione od autotrofów, nazywane są organizmami cudzożywnymi – heterotrofami. Do organizmów samożywnych należą wszystkie rośliny posiadające barwniki fotosyntetycznie czynne i pewna grupa bakterii (bakterie purpurowe i zielone), które w procesie syntezy związków organicznych wykorzystują energię słoneczną. Proces syntezy, w którym wykorzystywana jest energia słoneczna, nazywamy procesem fotosyntezy. Fotosynteza polega na przyswajaniu węgla ze znajdującego się w powietrzu lub wodzie dwutlenku węgla CO2 i przekształcaniu go w organiczne związki roślinne. W procesie tym rośliny przekształcają energię świetlną w energię chemiczną, która zmagazynowana jest w bogatych energetycznie związkach organicznych. Podstawowym składnikiem wszystkich związków organicznych są atomy węgla. Zdolność węgla do tworzenia z innymi pierwiastkami przeróżnych związków jest warunkiem powstania wielu różnorodnych połączeń organicznych, które są źródłem energii zarówno dla samych roślin, jak i dla organizmów zwierzęcych, a także dla człowieka. Jak już wyżej wspomniałem fotosynteza to proces polegający na przemianie energii świetlnej w potencjalną energię wiązań chemicznych. Całość fotosyntezy składa się z dwóch oddzielnych, lecz powiązanych ze sobą faz: fazy świetlnej – złożonej z reakcji wymagających światła do swego przebiegu (tzw. fotochemicznych) oraz z fazy ciemnej, złożonej z reakcji zachodzących bez udziału światła, chociaż przy wykorzystaniu energii chemicznej powstałej jego kosztem, (tzw. reakcji biochemicznych). Faza świetlna fotosyntezy przebiega w membranach tylokoidów i polega na rozszczepieniu (fotolizie) wody ( H 2 O) pod wpływem energii świetlnej pochłoniętej i przetworzonej przez chlorofil. W wyniku rozszczepienia się wody wydziela się tlen (O2 ) , a ponadto uwalnia się jon wodorowy ( H ) oraz elektron, co prowadzi do powstania „siły asymilacyjnej”, w skład której wchodzą NADPH 2 - zawierający zapas wodoru z rozszczepienia wody – oraz ATP będący „magazynem energii” pochodzącej ze światła. Oba te związki wytworzone w fazie świetlnej fotosyntezy są pierwszymi trwałymi produktami przetworzenia energii świetlnej i odgrywają zasadniczą rolę w drugiej fazie – ciemnej. Ta z kolei, zwana inaczej cyklem fotosyntetycznej redukcji węgla, przebiega w stromie chloroplastów i polega na tym, że „siła asymilacyjna” redukuje dwutlenek węgla. Podczas tego procesu „siła asymilacyjna” redukuje grupę karboksylową, wytworzoną po związaniu CO , do grupy aldehydowej, czyli do poziomu cukrów, następują na zmianę trzy etapy przemian: karboksylacja; redukcja; regeneracja. Niektóre produkty regeneracji ulegają ponownej karboksylacji, wskutek czego przemiany fazy ciemnej mają charakter cykliczny i noszą nazwę cyklu Calvina. 2
Rysunek przedstawiający proces przebiegu fotosyntezy.
H 2O
CO2 siła (H)
2
1.karboksylacja
akceptor
Tak więc fotosynteza jest procesem służącym gromadzeniu się energii świetlnej w postaci wysokoenergetycznych wiązań ATP (adenozynotrójfosforanu), a później innych związków, jak choćby cukry, białka, czy też tłuszcze. Energia ta może być w dalszym etapie procesu wykorzystywana. Aby to jednak uczynić organizm musi najpierw przeprowadzić proces oddychania. Mówiąc o oddychaniu myślimy najczęściej o wymianie gazowej między organizmem a środowiskiem, zapominając, że są to tylko zewnętrzne objawy procesów oddechowych zachodzących we wszystkich komórkach ciała. Oddychanie jest procesem utleniania cukrów lub innych substancji. Jest to proces zachodzący we wszystkich żywych komórkach organizmów roślinnych i zwierzęcych, dzięki któremu zostaje uwolniona energia. Stałego dopływu energii wymagają wszystkie procesy życiowe, jak wzrost, ruch, rozmnażanie, pobudliwość. Zwierzęta stałocieplne potrzebują ponadto energii do utrzymania stałej temperatury ciała. Energia wytwarza się w poszczególnych komórkach organizmu dzięki spalaniu wysokoenergetycznych związków, które uprzednio zostały wytworzone i zmagazynowane w komórkach. W procesach oddychania, które są reakcjami rozkładu (katabolicznymi(, biorą udział enzymy. Kiedy proces oddychania przebiega w obecności tlenu i jego końcowymi produktami są dwutlenek węgla i woda – mówimy o oddychaniu tlenowym. Procesy oddychania zachodzić mogą również w warunkach beztlenowych, nazywamy je wówczas oddychaniem beztlenowym lub fermentacją. Oddychanie tlenowe jest procesem charakterystycznym dla większości roślin i zwierząt, a oddychanie beztlenowe dostarcza energii niektórym bakteriom i niektórym grzybom. Oddychanie beztlenowe zdarza się również i u zwierząt, np. u pasożytów przewodu pokarmowego. Fermentacja jest energetycznie znacznie mniej wydajna od oddychania tlenowego. W produktach fermentacji pozostaje wiele niewykorzystanej energii. Oddychanie, jako proces biochemiczny wyzwalający energię, zachodzi w podobny sposób w komórkach roślin i zwierząt. Zarówno przy oddychaniu tlenowym, jak i beztlenowym zasadniczymi związkami ulegającymi utlenieniu są cukry, głównie glukoza. W warunkach beztlenowych następują przekształcenia glukozy prowadzące do powstania kwasu mlekowego lub alkoholu etylowego. Takie częściowe utlenienie jednej cząsteczki glukozy dostarcza tylko dwóch cząsteczek ATP. Jeżeli produktem końcowym beztlenowego utleniania glukozy jest kwas mlekowy – proces ten nosi nazwę glikolizy lub fermentacji mleczanowej. C H O 2 CH CH COOH 2 ATP 2 H O 6 12 6 3 2 glukoza| OH kwas mlekowy
Jeśli beztlenowe przemiany glukozy kończą się powstaniem alkoholu etylowego – mówimy o fermentacji alkoholowej. C H O 2 CH CH OH 2 ATP 2 CO 2 H O 6 12 6 3 2 2 2 glukozaalkohol etylowy
Jeżeli komórki mają do dyspozycji pod dostatkiem tlenu, to przeprowadzają następny etap oddychania, znacznie bardziej wydajny energetycznie niż glikoza. Przemiany glukozy kończą się wówczas kwasem pirogronowym, który po odłączeniu CO2 zostaje przekształcony w kwas octowy: CH C COOH CH COOH CO 3 3 2 || kwas octowy O
3
kwas pirogronowy Kwas octowy łączy się z koenzymem A i tworzy jego estrową pochodną – acetylo – koenzym A, która podlega dalszym przemianom. Przemiany te to szereg reakcji enzymatycznych zwanych cyklem Krebsa lub cyklem kwasów trójkarboksylowych. Cykl Krebsa rozpoczyna się połączeniem acetylo – koenzymu A z kwasem szczawianowym, w wyniku czego powstaje kwas cytrynowy. Następnie odłączają się dwie cząsteczki CO2 , zachodzi regeneracja szczawiooctanu. Ten z kolei przyłącza nową cząsteczkę acetylokoenzymu i tym samym rozpoczyna się kolejny obrót cyklu. Niektóre etapy przemian tego cyklu przebiegają z udziałem dehydrogenaz (enzymów katalizujących reakcję odwodorowania). Odłączone w tych reakcjach atomy wodorów od substratów przenoszone są na ostateczny akceptor, którym jest tlen. Reakcja wodoru z tlenem dostarcza dużej ilości energii. W żywym organizmie przeniesienie wodoru na tlen odbywa się stopniowo za pośrednictwem szeregu przenośników. Przenośniki te tworzą tzw. łańcuch oddechowy. Podczas przenoszenia wodoru w łańcuchu oddechowym, uwalniane są kolejno niewielkie ilości energii, która jest magazynowana w postaci wysokoenergetycznych wiązań ATP. Przeniesieniu na tlen jednej pary atomów wodoru, a tym samym wytworzeniu cząsteczki wody, towarzyszy powstanie 2 lub 3 cząsteczek ATP.Całkowite utlenienie cząsteczki glukozy w komórce dysponującej odpowiednią ilością tlenu, (po przejściu przez kolejne etapy przemian) dostarcza w sumie 38 cząsteczek ATP: C H O 6 O 38 ATP 6 CO 6 H O 6 12 6 2 2 2 . Jeżeli zestawimy proces fotosyntezy i oddychania to zaobserwujemy pewne różnice. Porównanie fotosyntezy i oddychania: ODDYCHANIE FOTOSYNTEZA MIEJSCE PRZEBIEGU
Wszystkie żywe komórki
SUBSTANCJE WYJŚCIOWE
Tlen i substancje organiczne
KIEDY PRZEBIEGA ENERGIA WYNIK
Stale, w dzień i w nocy Tylko na świetle Uwalnia się Gromadzi się Ubytek masy rośliny lub Przyrost masy rośliny zwierzęcia Dwutlenek węgla i woda Tlen i substancje organiczne
PRODUKTY KOŃCOWE
Tylko komórki roślin zielonych zawierające chlorofil Woda i dwutlenek węgla
Podsumowując należy przede wszystkim zauważyć, że dwa podstawowe dla życia procesy metaboliczne – fotosynteza oraz oddychanie - mają charakter przemian energetycznych i warunkują życie na Ziemi. Podstawowymi związkami energetycznymi, z których organizmy uwalniają energię w czasie oddychania, są węglowodany. Około 1/3 węglowodanów syntetyzowanych w czasie fotosyntezy zostaje zużyta przez rośliny we własnych procesach oddechowych, a pozostała część jest wbudowywana w ciało roślin. Heterotrofy wykorzystują bezpośrednio lub pośrednio tylko tę część energii, którą rośliny wbudowały w swoje tkanki. Fotosynteza kumuluje więc energię świetlną w cukrach i innych zredukowanych związkach organicznych, wykorzystując do ich syntezy produkty oddychania - CO2 i H 2 O . Oddychanie zaś jako substrat wykorzystuje produkty fotosyntezy – zredukowane związki organiczne, z których uwalnia energię, wiążąc ją częściowo w makroenergetycznych wiązaniach w ATP, a w części uwalniając w postaci ciepła. W istocie więc można stwierdzić, iż energia słoneczna
4
skumulowana w czasie fotosyntezy w wiązaniach chemicznych związków organicznych jest podczas oddychania uwalniana na skutek rozrywania tych wiązań. I tak, skumulowana w jednym procesie energia słoneczna, uwalnia się w innym procesie, w innym miejscu i w innym czasie. O ile fotosynteza zachodzi w dzień, to oddychanie w dzień i w nocy. Ponieważ w czasie oddychania około 60% energii traci się w formie ciepła wypromieniowywanego do otoczenia, więc układy przyrodnicze mogą funkcjonować tylko dzięki ciągłemu dopływowi energii słonecznej do powierzchni Ziemi. Należy też pamiętać, że energia, którą otrzymujemy dzisiaj spalając takie naturalne paliwa jak węgiel, torf, drewno czy ropa naftowa, została zakumulowana w czasie fotosyntezy zachodzącej w minionych procesach geologicznych. Ciepło, jakie powstaje w czasie spalania węgla, jest w zasadzie tą częścią energii słonecznej, którą rośliny – akumulując – zatrzymały w swych tkankach w
okresie karbońskim.
5
