В этой книге мы в основном рассказываем о биологических процессах, протекающих в организме животных и человека. Давайте заглянем и в растительную клетку. Вы, наверное, уже знаете, что эти клетки необходимые им питательные материалы умеют синтезировать самостоятельно.
Чтобы клетка могла расти и делиться, выполнять специальные функции и даже просто поддерживать свое существование, она должна всё время расходовать энергию. Для растительных клеток первоисточником этой энергии служит солнечный свет. В клетках зеленых растений осуществляется фотосинтез, то есть процесс поглощения световой энергии и превращения ее в химическую энергию, то есть в энергию химических связей молекул синтезируемых углеводов. В качестве такого вещества синтезируется простейший сахар — глюкоза.
Мы постоянно сталкиваемся с химической энергией. Вы, конечно, знаете, каким жаром пышет от костра. Этот жар — результат высвобождения химической энергии при разрушении молекул веществ, из которых состоит древесина, и окисления атомов углерода, входящих в ее состав. Высвобождаясь, химическая энергия превращается в тепловую и рассеивается в окружающем пространстве.
Синтез глюкозы и других углеводов (глюкоза, как и все сахара, относится к углеводам), от которого зависит вся жизнь на нашей планете, осуществляется в органеллах растительных клеток, содержащих пигмент хлорофилл и называемых хлоропластами, В клетках животных таких органелл не бывает.
Рабочими элементами хлоропластов являются стопки плоских мешочков, в которых сосредоточен хлорофилл. Мешочки хлорофилла, уложенные стопками, похожими на столбики монет, и как — то соединенные между собой, называют гранами. Они предназначены для улавливания энергии световых лучей.
Очень важную роль в этом процессе играют оболочки гран. Хлорофилл, взятый в чистом виде, не поглощает солнечный свет. Вернее, он его поглощает, но тотчас излучает обратно. При этом поглощенная им световая энергия рассеивается в окружающем про странстве. В гранах молекулы хлорофилла способны под действием света перейти в воз бужденное состояние и продержаться в таком состоянии некоторое время. Это время исчисляется долями секунды, но и его достаточно, чтобы перевести «пойманную» энергию в такую форму, в какой она уже не потеряется. Так молекулы хлорофилла запасают энергию, которая затем используется для синтеза глюкозы.
При этом хлорофилл разлагает воду на кислород и водород. Кислород выделяется в атмосферу, а атомы водорода включаются в состав органических веществ.
Первая фаза фотосинтеза — улавливание энергии света и разложение воды — называется световой фазой фотосинтеза. Ее скорость зависит от интенсивности света. У растений, попавших в тень, эта фаза протекает вяло, и поэтому они медленно накапливают питательные вещества и плохо растут.
На втором этапе фотосинтеза происходит образование молекул глюкозы с использованием энергии, накопленной во время световой фазы. Для этого процесса свет уже не нужен, поэтому она называется темновой фазой фотосинтеза. (Только не подумайте, что она осуществляется ночью!) Темновая фаза фотосинтеза, как правило, не может идти при значительном понижении температуры. Вот почему растения высокогорий, несмотря на интенсивное освещение, растут очень медленно.
Фотосинтез в цифрах
Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле создается 150 миллиардов тонн органического вещества и в атмосферу поступает около 200 миллиардов тонн кислорода. При этом усваивается более 260 миллиардов тонн углекислого газа.
Интенсивность фотосинтеза древесных растений в 5–8 раз ниже, чем травы открытых лугов. Однако за счет многоярусной организации древесно — кустарникового полога и большей площади листьев деревьев и кустарников продуктивность лесных сообществ гораздо выше травянистых.
На широте Москвы деревья лиственных пород заняты фотосинтезом примерно 130 дней в году, а хвойные осуществляют фотосинтез в течение 160–170 дней.
Химические заводы внутриклеточной сети
Жизнь любой клетки зависит от наличия различных веществ. Они непрерывно создаются из продуктов переваривания пищи, подготовленных лизосомами. Не только у молодого растущего организма, но и у взрослых существ некоторые клетки тела продолжают размножаться, то есть делиться и расти, увеличиваясь в размерах и увеличивая до необходимого уровня число разных органелл. Такие клетки должны энергично синтезировать строительные материалы. Обычно в качестве примера приводят кроветворные клетки красного костного мозга. Процессы, связанные с их размножением и ростом, изучены особенно хорошо. Но и клетки, прекратившие размножаться, продолжают интенсивно создавать одни вещества и разрушать другие. Часто именно в этом и состоит их функций — например, клетки желёз в огромных количествах производят гормоны, ферменты, молоко и т. д.
Осуществление синтеза большинства необходимых клетке веществ, происходит во внутриклеточной эндоплазматической сети (ЭПС). В клетках разного типа и у разных животных эта сеть выглядит по — своему. Вероятно, она образуется из впячиваний клеточной мембраны, которые ветвятся и в виде микроскопических трубочек пронизывают в разных направлениях всю цитоплазму. Они отходят от поверхности клеточного ядра и направляются в различные участки клетки.
В этих канальцах, надежно изолированных от цитоплазмы, происходит синтез необходимых для клетки молекул, и по ним же готовый продукт транспортируется к месту назначения или за пределы клетки.
В большинстве клеток встречаются два вида трубочек: гладкие и шероховатые. Жировые вещества (липиды), углеводы и гормоны синтезируются на внутренней стороне мембраны гладких трубочек.
Шероховатые трубочки выглядят так из — за рибосом, прикрепившихся к их наружным стенкам. В них синтезируются молекулы белков. После завершения их синтеза они проходят сквозь мембрану внутрь трубочек и транспортируются к месту назначения.
Ученые предполагают, что те белки, которые предназначены для использования внутри клетки, синтезируются на свободных рибосомах, а т; е, которые должны быть выведены из клетки или вмонтированы в ее оболочку, — на рибосомах, прикрепленных к шероховатым трубочкам внутриклеточной сети.
Эндоплазматическая сеть — мощное транспортное предприятие клетки, но, видимо, для доставки мелких «грузов» она не годится. Во всяком случае, от некоторых трубочек отделяются мелкие пузырьки и самостоятельно странствуют в цитоплазме, доставляя нужные вещества к органеллам.
Отдел контроля и упаковки
Эту органеллу открыл итальянский ученый Камилло Гольджи, в честь него она и получила свое название. Аппарат Гольджи состоит из стопок плоских, изолированных друг от друга мешочков и участвует в транспорте молекул внутри клетки и за ее пределами. Частично это происходит с помощыр транспортных пузырьков. Они отделяются от эндоплазматической сети и вливаются в мешочек, находящийся у основания стопки. Здесь вещества сортируются, и формируется определенный, нужный на данный момент, состав веществ внутри мешочка.
Позже эти молекулы перемещаются во второй, третий и так далее мешочки стопки. При этом они достраиваются и дорабатываются, сортируются и «упаковываются» в новые пузырькй. В конце концов от aппарата Гольджи отделяются лизосомы или другие мембранные пузырьки — содержимое их может быть различным. Вещества, предназначенные для использования вне клетки, транспортируются в этом пузырьке к клеточной мембране и выбрасываются из клетки. Происходит это очень просто — пузырек сливается с мембраной, его мембрана становится частью мембраны клетки, а содержимое остается «за бортом».
Так из клетки выводятся образованные ею молекулы гормонов, капельки молока, слизи, межклеточное вещество кости, хряща и зубная эмаль, вырабатываемые клетками соответствующих тканей.
Нефтеперегонные предприятия
Все живые клетки (кроме бактерий) содержат очень важные органеллы — митохондрии, которые можно образно назвать «энергетическими станциями» клетки. Их может быть совсем немного, всего несколько штук, но существуют клетки, которые содержат свыше 1000 митохондрий. Эти миниатюрные тельца имеют различную форму — от щариков до нитей и палочек. Как и хлоропласты, митохондрии покрыты двойной мембраной. Наружная мембрана митохондрий гладкая, а внутренняя имеет множество складок, разделяющих полость митохондрий неполными перегородками. Эти складки во много раз увеличивают поверхность мембраны, ведь именно на ней «сидят» ферменты, осуществляющие важнейшие химические реакции. Помните, в хлоропластах ферменты также располагались на внутренней мембране, упакованной для увеличения поверхности в стопки мешочков — граны?
А вот функция митохондрий, по строению похожих на хлоропласты, прямо противоположная. Если хлоропласты синтезируют органические вещества из углекислого газа и воды, затрачивая энергию (света) и выделяя кислород, то митохондрии, наоборот, «сжигают» органические вещества, то есть фактически осуществляют обратную реакцию: тратят кислород, выделяют углекислый газ и воду и — самое главное — получают энергию.