ӨСІМДІК КЛЕТКАСЫНДАҒЫ ПЛАСТИКАЛЫҚ ЖӘНЕ ЭНЕРГЕТИКАЛЫҚ АЛМАСУ ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ

Фотосинтез. Өсімдіктер мен жануарлар клеткасындағы пластикалық және энергетикалық алмасулар біріне-бірі ұқсас. Өсімдік клеткаларында энергетикалық алмасудың сол кезеңдері - оттексіз және оттекті процестер жүріп жатады. Алайда хлорофилі бар өсімдіктер клеткаларында тірі табиғат үшін өте маңызды өзіне тән процестер жүріп жатады. Өсімдік клеткалары күн сәулесі энергиясын пайдалана отырып, қарапайым бейорганикалық қосылыстардан органикалық заттарды синтездеуге бейім келеді. Күн сәулесі энергиясының есебінен өтетін органикалық қосылыстар синтезі фотосинтез деп аталады.

фотосинтез мынадай жиынтық теңдеумен өрнектеледі:
6СО₂+6Н2О®С₆Н₁₂О₆+6О₂

фотосинтез барысында энергиясы аз заттар - көміртегі (IV) оксиді мен судан энергиясы мол көмірсу (С₆Н₁₂О₆) түзіледі. Фотосинтездің нәтижесінде молекулалық оттегі де түзіледі.

Фотосинтездің жарықта жүретін фазасы. Фотосинтез - бұл көп сатылы күрделі процесс. Мұнда басты рольді хлорофилл - органикалық зат атқарады, бұл күн сәулесі энергиясын химиялық байланыстар энергиясына айналдырады.

Хлорофилл молекулалары хлоропластың (граналар) мембраналық құрылымында құралып, оны белок, липид және басқа зат молекулалары қоршайды.

Хлоропластқа көрінетін жарық түсе салысымен, фотосинтез процесі басталады. Хлорофилл молекуласына түскен фотон, оны қоздыра бастайды: оның электрондары жоғарғы орбитаға, яғни ядродан алысырақтағы орбитаға секірігі өтеді. Осының арқасында электрондар молекуладан оңай бөлініп шығады. Осындай қозған электрондардың біреуі тасымалдаушы молекулаға өтеді де, тасымалдаушы молекула оны мембрананың екінші жағына өткізеді. Хлорофилл молекуласы жоғалған электронды су молекуласынан тартып алып, бұрынғы қалпына келтіреді.

Электронын жоғалтқан су молекуласы протондар мен оттегі атомдарына ажырайды. Оттегі атомдарынан оттегінің молекуласы түзіледі де, ол мембрана арқылы диффузияланып, атмосфераға бөлініп шығады. Протондар мембрана арқылы диффузиялана алмайды, сондықтан гранаға жиналады. Сөйтіп, мембрананың бір жағына оң зарядталған протондар, екінші жағына теріс зарядталған бөлшектер жиналады.

Мембрананың екі жағына қарама-қарсы зарядталған бөлшектер көбірек жиналған сайын потенциалдар (протон потенциалы) айырмашылығы арта түседі. Митохондрия мембранасындағы тәрізді грана мембранасында да АТФ синтездейтін фермент молекулалары құралады. (АТФ синтетазасы). АТФ синтетазасының ішінде протондар өтетін канал болады. Протон потенциалының шамасы шегіне жеткен кезде электр өрісінің күші протондарды канал арқылы АТФ синтетазасының молекуласына қарай ығыстырады. Ол энергия АТФ синтездеуге жұмсалады. Түзілген АТФ хлоропластың көмірсу синтезделетін жеріне қарай жылжиды.

Мембрананың екінші жағындағы протондар тасымалдаушы молекулалар алып келген электрондарға кездесіп, сутегі атомдарына айналып, хлоропластың көмірсу синтезделетін жеріне барады.

Сонымен күн сәулесі энергиясынан үш процесс туындайды: судың ажырауы нәтижесінде молекулалық оттегі түзіледі, АТФ синтезделеді, атомдық сутегі түзіледі. Бұлар жарық жерде жүреді және фотосинтездің жарық фазасы болып табылады.

Фотосинтездің қараңғыда жүретін фазасы. Фотосиитездің бұдан былайғы реакциялары көмірсулардың түзілуіне байланысты. Олар жарықта да қараңғыда да өтеді және қараңғыда жүретін фаза деп аталады. Фотосинтездің қараңғыда жүретін фазасы ферменттердің қатысуымен жүретін жүйелі реакциялар қатары болып саналады. Бұл реакциялардың нәтижесінде көміртегі (IV) оксиді мен судан көмірсулар түзіледі.

Қараңғыда жүретін реакциялардың өтуі үшін хлоропластқа бастапқы заттар мен энергия үздіксіз келіп тұрады. Көміртегі (IV) оксиді - көмірқышқыл газы айналадағы ортадан атмосфера жапыраққа келіп, фотосинтездің жарықта жүретін фазасында судың ажырауы нәтижесінде сутегі пайда болады. Фотосинтездің жарықта жүретін фазасында синтезделген АТФ энергия көзі болып табылады. Осы заттардың бәрі көмірсулар синтезделетін орын - хлоропластарға тасымалданып жеткізіледі.

Тірі табиғат үшін фотосинтездің маңызы. Фотосинтез кезіндегі көмірқышқыл газының сіңу процесінде көміртегі (IV) оксиді жарық пен хлорофилл ролін зерттеу жөнінде орыстың көрнекті ғалымы Қ. А. Тимирязев сүбелі үлес қосты. Фотосинтез туралы білім тарату жөнінде үздік еңбекте соныкі, бұл туралы ол былай деп жазды: «Біздің планетамыздағы тіршілік атаулының пайда болуының ақырғы сатысы тәуелді болатын процесс, міне, осы процесс». Мұндай тұжырымға толық негіз бар, өйткені фотосинтез - тек органикалық қосылыстармен ғана емес, сонымен бірге Жерді бос оттегімен қамтамасыз ететін негізгі жабдықтаушы.

Фотосинтездің жалпы өнімділігі орасан зор: Жер шарындағы өсімдіктер жыл сайын 1,7х10⁸ т көміртегін байланыстырады. Сонымен бірге өсімдіктер сан миллиард тонна азот, фосфор, күкірт, кальций, магний, калий, т. б. элементтерді, сөйтіп, жыл сайын 4х10⁷ органикалық заттар синтезделеді.

Табиғи фотосинтез өте көлемді масштабта бола тұрса да, бұл - баяу және аз өнімді процесс: жасыл жапырақ фотосинтез үшін өзіне түскен күн сәулесінің 1%-ін ғана пайдаланады. Фотосинтездің өнімділігі, шамамен, сағатына жапырақтың 1 мауданына 1 г органикалық зат келетіндей болып құралады. Сөйтіп, жазда 1 м² жапырақ күн тәулігіне, шамамен, 15-16 г органикалық зат өндіреді. Жарықтың түсуін жақсарту, өсімдікті сумен қамтамасыз ету және баска жағдайлар есебінен фотосинтездің тиімділігін күшейтуге болады.

Басқа клеткалар сияқты өсімдіктер клеткалары да үнемі тыныс алады, яғни оттегін сіңіріп, көміртегі IV оксидін бөліп шығаратынын атап өткеніміз жөн. Өсімдік клеткалары күндіз тыныс алумен бірге жарық энергиясын химиялық энергияға өзгертеді: олар органикалық заттарды синтездейді. Бұл кезде реакцияның қосалқы өнімі ретінде молекула түріндегі оттегі бөлініп шығады. Өсімдік клеткаларынан фотосинтез процесінде бөлініп шығатын оттегінің мөлшері осымен қатар жүріп отыратын тынысалу процесінде ішке сіңірілетін оттегінен 20-30 есе көп болады.

Хемосинтез. Органикалық затты бейорганикалық заттан синтездеу бейімділігі бактериялардың бірсыпыра түрлеріне де тән касиет. Бұл клеткаларда энергияны синтездеу реакцияларына пайдалану әдісі өсімдік клеткаларындағыдан баскаша принципте болады. Алмасудың бұл типін атақты орыс ғалымы микробиолог С.Н. Виноградский ашқан. Бактерияларда химиялық реакциялардың энергиясын, атап айтқанда, бейорганикалық заттардың тотығу реакциясы энергиясын өзгертіп, органикалық қосылыстар синтездейтін химиялық энергияға айналдыруға мүмкіндік беретін арнаулы ферментті аппарат бар. Бұл процесс хемосинтез деп аталады.

Микроорганизмдердегі хемосинтездің ең құндысы азоттұрақтандырушы және нитритұрақтандырушы бактериялар. Бұл бактериялардың бір тобы энергияны аммиактың азотты қышқылға тотығу реакциясынан алады. Бактериялардың екінші тобы азотты қышқылдың азот қышқылына дейін тотығуы кезінде бөлініп шығатын энергияны пайдаланады. Темірбактериялар мен күкірт-бактериялар да хемосинтетиктер болып табылады. Бұлардың біріншілері екі валентті темірді үш валентті темірге тотықтыру кезінде бөлініп шығатын энергияны пайдаланады, екіншілері күкіртсутекті күкірт қышқылына дейін тотыктырады.

Аталған микроорганизмдердің әсіресе азоттұрактандырушы бактериялардың ролі аса зор. Олардың егін түсімін арттыруда да маңызы зор, өйткені өсімдік сіңіре алмайтын ауадағы азот (N₂) осы бактериялардың тіршілік әрекеті нәтижесінде жақсы сіңіретін аммиакқа (NН₃), айналады.

1. Полянский Ю.И. Жалпы биология. -Алматы, 1991. -299 б.