Фотосинтез и дыхание – два процесса, лежащие в основе жизни. Они оба происходят в клетке. Первый – в растительных и некоторых бактериальных, второй – и в животных, и в растительных, и в грибных, и в бактериальных.
Можно сказать, что клеточное дыхание и фотосинтез – процессы, противоположные друг другу. Отчасти это правильно, так как при первом поглощается кислород и выделяется углекислый газ, а при втором – наоборот. Однако эти два процесса некорректно даже сравнивать, поскольку они происходят в разных органоидах с использованием разных веществ. Цели, для которых они нужны, тоже различны: фотосинтез необходим для получения питательных веществ, а клеточное дыхание – для выработки энергии.
Фотосинтез: где и как это происходит?
Это химическая реакция, направленная на получение органических веществ из неорганических. Обязательным условием протекания фотосинтеза является присутствие солнечного света, так как его энергия выступает в роли катализатора.
Фотосинтез, характерный для растений, можно выразить следующим уравнением:
- 6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2.
То есть из шести молекул диоксида карбона и стольких же молекул воды в присутствии солнечного света растение может получить одну молекулу глюкозы и шесть кислорода.
Это самый простой пример фотосинтеза. Кроме глюкозы в растениях могут синтезироваться и другие, более сложные углеводы, а также органические вещества из других классов.
Вот пример выработки аминокислоты из неорганических соединений:
- 6СО2 + 4Н2О + 2SO42- + 2NO3- + 6Н+ = 2C3H7O2NS + 13О2.
Как видим, из шести молекул диоксида углерода, четырех молекул воды, двух сульфат-ионов, двух нитрат-ионов и шести ионов водорода с использованием солнечной энергии можно получить две молекулы цистеина и тринадцать - кислорода.
Процесс фотосинтеза происходит в специальных органоидах – хлоропластах. В них содержится пигмент хлорофилл, который выступает в роли катализатора для химических реакций. Такие органоиды есть только в растительных клетках.
Строение хлоропласта
Это органоид, который обладает формой вытянутого шара. Размер хлоропласта обычно составляет 4-6 мкм, однако в клетках некоторых водорослей можно обнаружить гигантские пластиды – хроматофоры, размер которых достигает 50 мкм.
Этот органоид относится к двухмембранным. Он окружен внешней и внутренней оболочками. Они отделены друг от друга межмембранным пространством.
Внутренняя среда хлоропласта называется "строма". В ней находятся тилакоиды и ламеллы.
Тилакоиды – это плоские дискообразные мешочки из мембран, в которых находится хлорофилл. Именно здесь и происходит фотосинтез. Собираясь в стопки, тилакоиды образуют граны. Количество тилакоидов в гране может варьироваться от 3 до 50.
Ламеллы – это структуры, образованные мембранами. Они представляют собой сеть разветвленных каналов, основная функция которых – обеспечить связь между гранами.
В хлоропластах также содержатся свои рибосомы, необходимые для синтеза белков, и собственные ДНК и РНК. Кроме того, здесь могут находиться включения, состоящие из запасных питательных веществ, в основном крахмала.
Клеточное дыхание
Существует несколько видов данного процесса. Бывает анаэробное и аэробное клеточное дыхание. Первое характерно для бактерий. Анаэробное дыхание бывает нескольких типов: нитратное, сульфатное, серное, железное, карбонатное, фумаратное. Такие процессы позволяют бактериям получить энергию без использования кислорода.
Аэробное клеточное дыхание характерно для всех остальных организмов, в том числе животных и растений. Оно происходит при участии кислорода.
У представителей фауны клеточное дыхание происходит в специальных органоидах. Они называются митохондриями. У растений также клеточное дыхание происходит в митохондриях.
Этапы
Клеточное дыхание проходит в три стадии:
- Подготовительный этап.
- Гликолиз (анаэробный процесс, не требует кислорода).
- Окисление (аэробный этап).
Подготовительный этап
Первый этап заключается в том, что сложные вещества в пищеварительной системе расщепляются на более простые. Таким образом, из белков получаются аминокислоты, из липидов – жирные кислоты и глицерин, из сложных углеводов – глюкоза. Эти соединения транспортируются в клетку, а затем – непосредственно в митохондрии.
Гликолиз
Он заключается в том, что под действием ферментов глюкоза расщепляется до пировиноградной кислоты и атомов водорода. При этом образуется АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Этот процесс можно выразить таким уравнением:
- С6Н12О6 = 2С3Н3О3 + 4Н + 2АТФ.
Таким образом, в процессе гликолиза из одной молекулы глюкозы организм может получить две молекулы АТФ.
Окисление
На данном этапе образовавшаяся во время гликолиза пировиноградная кислота под действием ферментов реагирует с кислородом, в результате чего образуется углекислый газ и атомы водорода. Эти атомы затем транспортируются на кристы, где окисляются, образуя воду и 36 молекул АТФ.
Итак, в процессе клеточного дыхания в общей сложности образуется 38 молекул АТФ: 2 на втором этапе и 36 – на третьем. Аденозинтрифосфорная кислота и есть основной источник энергии, которым митохондрии снабжают клетку.
Структура митохондрий
Органоиды, в которых происходит дыхание, есть и в животных, и в растительных, и в грибных клетках. Они обладают шаровидной формой и размером около 1 микрона.
Митохондрии, как и хлоропласты, имеют две мембраны, разделенные межмембранным пространством. То, что находится внутри оболочек этого органоида, называется матриксом. В нем находятся рибосомы, митохондриальная ДНК (мтДНК) и мтРНК. В матриксе проходит гликолиз и первая стадия окисления.
Из внутренней мембраны формируются складки, похожие на гребни. Они называются кристами. Здесь проходит вторая стадия третьего этапа клеточного дыхания. Во время нее образуется больше всего молекул АТФ.
Происхождение двухмембранных органоидов
Учеными доказано, что структуры, которые обеспечивают фотосинтез и дыхание, появились в клетке путем симбиогенеза. То есть когда-то это были отдельные организмы. Этим объясняется то, что и в митохондриях, и в хлоропластах есть свои рибосомы, ДНК и РНК.
