Skład chemiczny żywych komórek: białka, peptydy i wolne aminokwasy, tłuszcze, węglowodany, kwasy nukleinowe, wolne nukleotydy, substancje mineralne, inne substancje organiczne. Woda – Cząsteczki wody są najważniejszymi składnikami każdej komórki, każdego organizmu, bez których życie organiczne nie byłoby możliwe. Cząsteczki wody stanowią 80 – 90% całkowitej masy organizmów żywych i ponad 99% wszystkich cząsteczek znajdujących się z każdej komórce. Cząsteczki wody pełnią wiele istotnych funkcji, a przede wszystkim stanowią podstawowe środowisko, w którym zachodzi każda z wielu tysięcy reakcji chemicznych rozgrywających się w żywym organizmie. Cząsteczki wody są substratami w wielu reakcjach metabolicznych zachodzących w każdej żywej komórce, a mianowicie w reakcjach hydrolizy. Białka – są wielocząsteczkowymi polimerami złożonymi z kilkuset, a niekiedy z kilku tysięcy podjednostek aminokwasowych. W każdej cząsteczce białkowej występuje zazwyczaj tylko około 20 różnych a - aminokwasów, ale liczba możliwych cząsteczek białkowych o odmiennej strukturze jest nieskończona. Do funkcjonowania przy życiu jednego organizmu potrzeba kilkanaście tysięcy różnych białek. Wchodzące w skład cząsteczek białkowych aminokwasy przybierają w roztworach postać jonów objnaczych i posiadają zjonizowaną, ujemnie naładowaną kwasową grupę karboksylową (COO-) i zjonizowaną dodatnio naładowaną, zasadową grupę aminową (NH3-). Oprócz tych grup aminokwasy zawierają dodatkowe ugrupowania chemiczne. Wspólną cechą wszystkich łańcuchów a – aminokwasów jest ich zdolność do tworzenia długich łańcuchów polipeptydowych, w których aminokwasy połączone są kolejno ze sobą wiązaniami peptydowymi. To wiązanie łączy grupę karboksylową jednego aminokwasu z grupą amiową następnego aminokwasu. Każdy łańcuch polipeptydowy zaczyna się od aminokwasu posiadającego wolną grupę aminową, a kończy się na aminokwasie zawierającym wolną grupę karboksylowa. Podstawowym elementem struktury łańcucha polipeptydowego jest powtarzający się układ trzech atomów, stanowiący szkielet cząsteczki. Od szkieletu odchodzą łańcuchy boczne. Białka są typowymi amfolitami czyli substancjami, które jednocześnie zawierają w łańcuchach bocznych cząsteczki wiele naładowanych elektrycznie grup zasadowych, jak i wiele grup kwasowych. Całkowity ładynek cząsteczki białkowej jest sumą liczby ładunków dodatnich i ujemnych, przy czym ładunek ten może się zmieniać w zależności od pH. Ze względu na bardzo wysoką masę cząsteczkową białka tworzą w środowisku wewnątrzkomórkowym roztwory koloidalne. Niekiedy łańcuchy polipeptydowe wchodzące w skład cząsteczek białkowych połączone są trwale wiązaniami kowalencyjnymi z substancjami niebiałkowymi. Są to białka złożone lub proteidy. Prodeidy dzielą się na: glikoproteidy (łańcuchy polipeptudowe połączone są z cząsteczkami wielocukrów); lipoproteidy (zbudowane są z łańcuchów polipeptydowych i substancji lipidowych); metaloproteidu (białka związane z jonem metalicznym); chemoproteidy (białka w skład których wchodzi substancja barwna). Funkcje białek: Białka strukturalne – wchodzą w skład błon biologicznych, organelli komórkowych; Białka lokomocyjne – mogą się kurczyć i rozkurczać, umożliwiając organizmom wykonywanie ruchów; Białka hormonalne – są wydzielane prze gruczoły dokrewnw i biorą udział w regulacji procesów fizjologicznych w organizmie. Białka immulogicznie czynne – stanowią podstawowy element układu odpornościowego organizmu; Toksyny białkowe – substancje wydzielane przez organizmy działające szkodliwie, a nawet zabójczo na inne organizmy; Białka enzymatyczne – katalizują przebieg poszczególnych procesów metabolicznych. Lipidy – są to nierozpuszczalne w wodzie substancje komórkowe, które można wyodrębnić z komórek działając na nie rozpuszczalnikami niepolarnymi, takimi jak eter. Do lipidów zaliczamy: tłuszcze właściwe, fosfolipidy, sterydy, karotenoidy, terpeny. Najczęściej występującymi lipidami są tłuszcze właściwe. Pod względem chemicznym wziązki te są estrami glicerolu i wyższych kwasów karboksylowych. Wchodzące w skład tłuszczów kwasy karboksylowe zawierają od 4 do 36 atomów węgla, przy czym mogą to być zarówno kwasy nasycone jak i kwasy nienasycone, odznaczające się obecnością jednego lub kilku wiązań podwójnych. Do najczęściej pojawiających się w cząsteczkach tłuszczów kwasów należą: kwas palmitynowy C15H31COOH, kwas stearynowy C17H35COOH, oraz nienasycony kwas olejowy – C17H33COOH, posiadający jedno podwójne wiązanie przy węglu C9. Występujące w naturze tłuszcze właściwe stanowią skomplikowaną mieszaninę najprzeróżniejszych trójglicerydów, przy czym poszczególne trójglicerydy w takiej mieszaninie zawierają dwie, a nawet trzy odmienne reszty kwasów tłuszczowych.
Procesy kataboliczne – etapy. Wszystkie procesy biochemiczne zachodzące w komórkach organizmów heterotroficznych zachodzą w czterech etapach. Dwa z nich to etapy kataboliczne, podczas których dochodzi do rozpadu pobieranych z zewnątrz złożonych substancji organicznych, dwa to etapy anaboliczne. W czasie etapów katabolicznych powstają znaczne ilości energii, natomiast w etapach anabolicznych uzyskana uprzednio energia zostaje zużytkowana do budowy własnych składników komórkowych, charakterystycznych dla danego organizmu. I etap – Białka pod wpływem enzymów zwanych peptydazami rozpadają się na krótkie peptydy i następni na wolne aminokwasy. Węglowodany złożone w obecności glikozydazów rozpadają się na poszczególne cukry proste. Z kolei lipazy rozkładają tłuszcze do glicerolu i wolnych kwasów tłuszczowych, zaś nukleazy powodują rozpad DNA lub RNA do wolnych nukleotydów. Dzięki reakcjom zachodzącym w pierwszym etapie katabolicznym powstają związki o niewielkiej masie cząsteczkowej i niewielkich rozmiarach, które mogą przenikać poprzez błonę protoplazmatyczną do wnętrza komórek. Proces wnikania produktów I etapu katabolizmu do wnętrza komórek nie odbywa się na zasadzie zwykłej dyfuzji. Proces ten ma charakter transportu aktywnego, który zachodzi przy udziale specjalnych nośników i wymaga znacznych nakładów energetycznych. II etap Utlenianie biologiczne – Po wniknięciu do wnętrza komórki, proste związki organiczne, a przede wszystkim glukoza ulegają dalszemu rozpadowi enzymatycznemu. W trakcie tego rozpadu dochodzi do utleniania glukozy. Ten etap jest to utlenianie biologiczne. Polega on na odłączaniu elektronów od utlenionego substratu i przekazywaniu tych elektronów na inną substancję zwaną akceptorem. Odrywaniu elektronów towarzyszy odszczepianie atomów wodoru, które z kolei przyłączają się do cząsteczki akceptora. Równanie procesu utleniania można przedstawić w następujący sposób: SH2+A à S+AH2+energia, czyli: substrat+ akceptor elektronów i jonów wodorowych à substrat w formie utlenionej + akceptor w formie zredukowanej. Jedną z osobliwości utleniania biologicznego jest fakt, że proces ten jest zawsze katalizowany przez odpowiednie enzymy należące do podklasy dehydrogenaz lub oksydaz. Procesy utleniania są zawsze procesami enzymatycznymi, katalizowanymi przez odpowiednie dehydrogenazy i oksydazy. Reakcje utleniania biologicznego są procesami wieloetapowymi, przy czym każdy z tych etapów odpowiada przekazywaniu elektronów i atomów wodoru z jednego przenośnika na następny, posiadający odpowiednio wyższy potencjał oksydoredukcyjny. Podczas utleniania biologicznego energia uwalnia się jednorazowo ale małymi porcjami, co powoduje, że straty energetyczne w komórce są minimalne, a komórka stanowi najbardziej sprawny układ energiotwórczy.
Glikoliza – jest to proces polegający na rozpadzie węglowodanów, głównie heksoz, a więc związków zawierających 6 atomów węgla do związku posiadającego 3 atomy węgla, a mianowicie kwasu pirogronowego. Podstawowym substratem w procesie glikolizy jest glukoza, pojawiająca się w komórkach w wyniku degradacji polisacharydów. Proces glikolizy jest ważnym źródłem energii potrzebnej komórce do syntezy własnych składników komórkowych i do spełniania różnych funkcji życiowych. W procesie glikolizy można wyróżnić 5 etapów: I etap – Fosforylacja heksoz – Istotą tego etapu jest przyłączanie reszty fosforanowej do cząsteczki glukozy i przekształcenie powstałej fosfoheksozy do związku jakim jest fruktozo – 6 – fosforan. Związek ten ulega kolejnej fosforylacji, w wyniku której powstaje fruktozo – 1,6 – dwufosforan. II etap – Rozpad dwufosfoheksozy do cząsteczek fosfotriozy – Powstały w pierwszym etapie glikolizy fruktozo – 1,6 – dwufosforan pod wpływem enzymu należącego do klasy liaz, zwanego aldolazą rozpada się następnie na dwie fosforiozy: aldehyd 3 – fosfoglicerynowy i fosfo – dwuhydroksy – aceton. Oba te związki są izomerami. W trakcie drugiego etapu glikolizy jedna cząsteczka fosfodwuhydroksyacetonu przekształca się w cząsteczkę aldehydu 3- fosfo – glicerynowego. Końcowym produktem drugiego etapu jest aldehyd 3 – fosfoglicerynowy. III etap – Ulenianie aldehydu 3 – fosfoglicerynowego do kwasu 3 – fosfoglicerynowego. Podczas tego etapu dochodzi do odwodorowania fosfotriozy do kwasu 3- fosfoglicerynowego. Reakcja ta przebiega przy aktywnym współudziale NAD+ i jest katalizowana przez dehydrogenazę fosfotriozową. Mechanizm tej reakcji jest tego rodzaju, że oderwane od substratu elektrony i atomy przekazywane są najpierw na NAD+, który przekształca się w formę zredukowaną czyli NADH +H+, następnie na FAD, koenzymQ i układ cytochromowy, skąd elektrony i atomy wodoru mogą być przekazane albo na tlen, albo na jakiś inny akceptor. Podczas wędrówki elektronów z jednego elementu łańcucha oddechowego na następny w komórkach uwalniają się znaczne ilości energii, która jjest magazynowana w postaci wiązań wysokoenergetycznych w ATP. Końcowymi produktami tego etapu są kwas 3 – fosfoglicerynowy, ATP oraz zredukowany NAD. IV etap – Przemiana kwasu 3- fosfoglicerynowego w kwas pirogronowy. Kwas 3 – fosfoglicerynowy przekształca się stopniowo w kwas pirogronowy, a pośrednimi metabolitami są związki takie jak: kwas 2- fosfoglicerynowy oraz kwas fosfoenolopirogronowy. Podczas ostatniego przejścia tj. od kwasu fosfo – enolopirogronowego do kwasu pirogornowego ma miejsce tzw. fosforylacja substratowa. Jest to proces polegający na bezpośrednim przeniesieniu reszty fosforanowej z substratu, czyli kwasu fosfo – enolo – pirogronowego, do cząsteczki ADP z wytworzeniem ATP. Proces fosforylacji nie jest sprzężony z utlenianiem jakiejkolwiek substancji. V etap – Regeneracja utlenionej formy NAD. Utlenianie aldehydu 3 – fosfoglicerynowego (etap III), a zarazem cały proces glikolizy może przebiegać tak długo, dopóki komórki dysponują zapasem utlenionej postaci NAD, czyli NAD+. Metabolit ten bardzo szybko zużywa się podczas glikolizy, przechodząc w formę zredukowaną, czyli NADH+H+. A zatem gdy glikoliza mogła prawidłowo zachodzić w żywych komórkach i to w sposób nieprzerwany, w komórkach tych równolegle do 4 podstawowych etapów glikolitycznych musi nieustannie przebiegać proces utleniania NADH+H+ do NAD+. Dalsze przemiany pirogronianu: kwas pirogronowy (alfa ketokwas). Takie związki mają b dużą reaktywność chem, są więc nietrwałe. W trakcie przekształceń dochodzi do elimin gr COOH lub CO, powst CO2. Jest to dekarboksylacja. War beztl dekarb kwasu pirogron: kwas ten uczestniczy w reakcjach chem, których prod są 2 lub 3 węglowe zw org. Procesy te to fermentacja. Ostateczny produkt zależy od typu enzymów. Warunki tlenowe: zachodzi oksydatywna dekarboksylacja kwasu pirogronowego, katalizowany jest ten proces przez kompleks enzymatyczny, m.in. koenzym A (Co – A) mający wolną grupę tiolową – SH.
Cykl Krebsa – Przemiany pirogronianu w komórkach nie kończą się na oksydatywnej dekarboksylacji i powstaniu acetylo – koenzymu A. Wchodzący w skład tego ostatniego związku dwu węglowy fragment acetylowy ulega zazwyczaj w komórkach całkowitemu utlenieniu do CO2 w serii cyklicznie powtarzających się reakcji. Cykl Krebsa przebiega następująco: dwuwęglowy fragment acetylowy wchodzący w skład acetylo – koenzymu A łączy się z 4 – węglowym kwasem szczawiooctowym tworząc 6 – węglowy, trójkarboksylowy kwas cytrynowy. Kwas ten poprzez kwas akonitowy przekształca się w kwas izocytrynowy, który z kolei ulega utlenieniu do 6 – węglowego kwasu szczawiobursztynowego. Kwas szczawiobursztynowy łatwo ulega dekarboksylacji przechodząc w 5 – węglowy kwas a - keto – glutarowy, który po następnej oksydatywnej dekarboksylacji przebiegającej z udziałem koenzymu A przekształca się w tzw. bursztynolo koenzym A, związek zawierający w swej strukturze 4 – węglowy fragment kwasu bursztynowego. W wyniku dalszych przemian w komórkach tworzą się kolejno cztery kwasy 4-węglowe: kwas bursztynowy, fumarowy, jabłkowy i szczawiooctowy. Z chwilą pojawienia się kwasu szczawiooctowego może on reagować z następną cząsteczką acetylo – koenzymu A i w ten sposób cały cykl się zamyka. Podstawowym substratem w cyklu Krebsa jest acetylo – koenzym A, a właściwie dwuwęglowa reszta acetylowa stanowiąca jedynie fragment tego związku. Pierwsza reakcja początkująca cykl Krebsa polega na przyłączeniu dwuwęglowej reszty acetylowej do jednego z metabolitów cyklu, a mianowicie do czterowęglowego kwasu szczawiooctowego z wytworzeniem sześciowęglowego, trójkarboksylowego kwasu cytrynowego. W trakcie cylku Krebsa pojawia się szereg różnych związków cztero-, pięcio-, i sześciowęglowych, które stanowią dla żywych organizmów podstawowy substart do syntezy własnych składników komórkowych. Cykl Krebsa stanowi końcowy etap przemiany cząsteczek związków energetycznych, np.: substancji lipidowych, a także aminokwasów i białek.
Katabolizm substancji lipidowych – Beta – oksydacja kwasów tłuszczowych – Proces biologicznego rozkładu tłuszczów rozpoczyna się w przestrzeni zewnątrzkomórkowej, gdzie produkowane przez komórki egzolipazy katalizują hydrolizę substancji lipidowych do glicerolu i wolnych kwasów tłuszczowych. Proces b - oksydacji poprzedza etap aktywacji kwasów tłuszczowych, który można nazwać etapem zerowym. Etap ten polega na wytworzeniu wiązania tioestrowego pomiędzy cząsteczką danego kwasu tłuszczowego i cząsteczką koenzymu A z wolną grupą tiolową. Końcowym produktem reakcji jest tzw. acylo – koenzym A, a cały proces katalizowany jest przez enzym zwany syntetazą acylo – koenzymu A. I etap – Zasadniczy proces b - oksydacji rozpoczyna się od utlenienia acylo – koenzymu A, które sprowadza się do dwóch atomów wodoru znajdujących się w cząsteczce acylo – koenzymu A przy węglu a i b. W wyniku tego odwodorowania, pomiędzy węglem a i węglem b pojawia się podwójne wiązanie. Cały pierwszy etap katalizowany jest przez FAD – zależną dehydrogenazę acylo – koenzymu A, a produkt reakcji nosi nazwę enoilo - koenzymu A. II etap – istotą tego etapu jest przyłączenie cząsteczki wody do podwójnego wiązania znajdującego się w cząsteczce enoilo – koenzymu A w taki sposób, że atom wodoru przyłącza się do węgla a, a grupa OH – do węgla b. Uwodnienie to następuje pod wpływem enzymu zwanego hydratazą enoilo – koenzymu A, a produktem reakcji jest tzw. b - hydroksy – acylo – koenzym A. III etap – Uwodnienie enoilo – koenzymu A stanowi wstęp do kolejnej reakcji utleniania, w wyniku której drugorzędowa, alkoholowa grupa hydroksylowa przy węglu b ulega przekształceniu w grupę ketonową. Proces utleniania przebiega przy aktywnym współudziale NAD+, który odgrywa rolę pierwotnego akceptora elektronów i atomów wodoru. Produktem utleniania jest b - keto – acylo – koenzym A, zaś enzym, który katalizuje ten proces określany jest mianem NAD – zależnej dehydrogenazy b - hydroksy – acylo – koenzymu A. IV etap – jednym z substratów w tym procesie jest b - keto – acylo – koenzym A, drugim dodatkowa cząsteczka koenzymu A z wolną grupą tiolową. Pod wpływem enzymu zwanego acylotransferazą acetylo – koenzymu A atom wodoru z grupy tiolowej acetylo – koenzymu A łączy się z atomem węgla a powodując tym samym rozerwanie istniejącego wiązania pomiędzy węglem a i węglem b. Beta oksydacja to proces wieloetapowy, powtarzający się wielokrotnie. Po zakończeniu każdego cyklu b- oksyd łańcuch kw tłuszcz. Ulega skróceniu o 2 atomy węgla, stając się substratem następnego cylku b-oksyd. Wszystkie kw tłuszczowe mają parzystą liczbę at C.
Katabolizm białek i aminokwasów – Katabolizm białek - Rozpad substancji białkowych rozpoczyna się w przestrzeni pozakomórkowej, gdzie wydzielane na zewnątrz komórki enzymy proteolityczne rozszczepiają długie łańcuchy polipeptydowe na krótkie peptydy, zazwyczaj dwu- lub trój peptydy, oraz na pojedyncze aminokwasy.Enzymy te można podzielić na dwie grupy: endopeptydazy i egzopeptydazy. Do endopeptydaz należą enzymy trawienne, takie jak pepsyna lub trypsyna. Mechanizm działania tych enzymów polega na rozrywaniu cząsteczek białkowych w kilku miejscach zlokalizowanych wewnątrz łańcucha polipeptydowego. Końcowymi produktami endopeptydaz są peptydy, które zawierają w sobie lub kilkadzieisąt aminokwasów. Egzopeptydazy atakują końcowe fragmenty łańcuchów polipeptydowych, odcinając od łańcucha po jednym ainokwasie. Katabolizm aminokwasów - Spośród wielu możliwych przemian metabolicznych, w których substratami są aminokwasy, najważniejsze znaczenie mają trzy procesy: oksydatywna dezaminacja, transaminacja, dekarboksylacja. Oksydatywna dezaminacja - polega na utlenianiu tych związków do odpowiednich a - ketokwasów, przy czym w wyniku takiego utleniania dochodzi do oderwania od cząsteczki danego aminokwsu grupy aminowej. Cały proces katalizowany jest przez enzymy zwane oksydazami aminokwasowymi, które wsółdziałając z FAD odrywają od cząsteczki aminokwasu dwa elektrony i dwa atomy wodoru i przerzucają je na tlen. Wytworzony podczas reakcji nadtlenek wodoru H2O2 ulega rozkładowi na wodę i tlen pod wpływem katalazy. Transaminacja – proces ten katalizowany jest przez enzymy należące do podklasy aminotransferaz i sprowadza się do przeniesienia grupy aminowej z aminokwasu na odpowiedni a-ketokwas, którym najczęściej jest kwas a-keto-glutarowy. Ostatecznymi produktami transaminacji są dwie substancje: a-ketokwas oraz kwas glutaminowy. Dekarboksylacja – Proces ten katalizują swoiste dekarboksylazy współdziałające z fosforanem pirydoksalu jako koenzymem, a sam proces polega na oderwaniu od cząsteczki aminokwasu dwutlenku węgla. W efekcie obok CO2 powstają pierwszorzędowe aminy, z których część przejawia wysoką aktywność biologiczną w organizmie, część zaś wykorzystywana jest przez komórki do biosyntezy hormonów, koenzymów i innych substancji ważnych z biologicznego punktu widzenia.
Fotosynteza – jest zjawiskiem, w którym można wyróżnić szereg procesów jednostkowych, takich jak: fotoliza wody; fotoredukcja fosforanu NAD+ czyli NADP+; fotofosforylacja niecykliczna i cykliczna; wiązanie CO2, połączone z wytwarzaniem prostych węglowodanów. Trzy pierwsze procesy wymagają obecności światła i określa się je jako fazę jasną fotosyntezy. Czwarty proces – wiązanie CO2 może zachodzić w ciemności i dlatego określa się go jako ciemną fazę fotosyntezy. Wszystkie te procesy zachodzą, ponieważ chloroplasty glonów oraz roślin wyższych wyposażone są w dwa specjalne układy fotosyntetyzujące, które pełnią odmienne funkcje, a mianowicie: układ fotosyntetyzujący I, pochłaniający światło o mniejszej energii i długości fali l = 700nm; układ fotosyntetyzujący II, pochłaniający światło o większej energii i długości fali l = 670nm. Podstawowymi składnikami układu fotosyntetyzującego są cząsteczki dwóch zielonych barwników: chlorofilu „a” oraz chlorofilu „b”. Układ pierwszy zawiera większe ilości chlorofilu „a” oraz znikome ilości chlorofilu „b”. Znacznie bogatszy w chlorofil „b” jest układ drugi. Ponadto w skład obu układów wchodzą inne barwniki zgrupy karotenoidów, żółte barwniki z grupy ksantofili, niebieski barwnik fikocyjaninę i czerwony fokoerytrynę. Porces fotosyntezy zapoczątkowuje absorpcja kwantów światła przez chlorofil „b” wchodzący w skład układu fotosyntetyzującego II. Kwanty światła padając na cząsteczkę chlorofilu „b” przekazują mu swoją energię wybijając z niego elektron, w związku z czym chlorofil „b” utlenia się i przechodzi w „stan pobudzenia”. Akceptorem dla pobudzonego, wybitego z chlorofilu „b” elektronu jest najczęściej plastochinon. Po wybiciu przez kwanty światła elektronu z chlorofilu „b” i przeniesieniu tego elektronu na plastochinon, w cząsteczkach utlenionego chlorofilu „b” pojawia się niedobór elektronów, który musi być zlikwidowany, aby chlorofil „b” powrócił do swego stanu podstawowego. Źródłem tych elektronów jest układ oksydoredukcyjny, który odbiera elektrony z cząsteczki wody, utleniając ją do tlenu atmosferycznego. Powyższy proces jest nazywany fotolizą wody: H2O-2e à 1/2O2+2H+. Równolegle z absorpcją światła przez układ fotosyntetyzujący II zachodzi pochłanianie promieni świetlnych przez cząsteczki chlorofilu „a”, wchodzące w skład układu pierwszego. Przekazywanie elektronow z ferredoksyny na NADP+ odbywa się za pośrednictwem flawoproteidu: NADP+2e+2H+ àNADPH+H+ i nosi nazwę fotoredukcji NADP+. Końcowym produktem fotoredukcji jest czynnik redukcyjny. Do fotoredukcji NADP+ potrzebny jest stały dopływ jonów wodorowych, które uwalniają się podczas fotolizy wody: NADP++H2O àNADPH+H++1/2O2. Po wybiciu elektronów przez kwanty światła z cząsteczek chlorofilu „a” cząsteczki te mają ładunek dodatni, więc charakteryzują się niedoborem elektronow. Aby cząsteczki chlorofilu „a” mogły zaabsorbować następne kwanty energii świetlnej muszą one powrócić do swego stanu podstawowego. Końcowymi produktami fazy jasnej fotosyntezy są: NADPH, czyli zredukowany fosforan NAD-u; ATP; tlen atmosferyczny. Po zakończeniu fazy jasnej fotosyntezy rozpoczyna się faza ciemna, w trakcie której komórki korzystając z CO2 oraz energii i substancji wytworzonych jeszcze w fazie jasnej, syntezują swoiste węglowodany i inne związki organiczne. Proces ten zachodzi zgodnie z Cyklem Calvina. Podstawowym związkiem w komórkach organizmów fotosyntetyzujących, który początkuje ten cykl jest ryboluzo – 1,5 – dwufosforan. Jest to cukier prosty zawierający 5 atomów węgla, grupę ketonową i dwie reszty fosforanowe. W wyniku reakcji pomiędzy tym cukrem, a CO2, katalizowanej przez enzym zwany karboksylazą ryboluzodwufos-foranową, tworzy się związek o 6 atomach węgla, który się rozpada na dwie cząsteczki kwasu 3-fosfo-glicerynowego. W dalszej kolejności pod wpływem dehydrogenazy fosfotriozowej, kwas ten reaguje najpierw z ATP przekształcając się w kwas 1,3-dwufosforoglicerynowy, który ulega redukcji do aldehydu 3-fosfoglicerynowego. Powstający w tej reakcji aldehyd 3-fosfoglicerynowy jest bardzo ważnym metabolitem z tym cyklu. Ogólny bilans cyklu Calvina kształtuje się w ten sposób, że spośrod każdych 6 cząsteczek związku trójwęglowego, jakim jest powyższy aldehyd, tylko jedna wykorzystywana jest do syntezy węglowodanów komórkowych, zaś pięć pozostałych zostaje zużytkowanych do regeneracji ryboluzo – 1,5 – dwufosforanu.
Chemosynteza – zjawisko polegające na wytwarzaniu przez komórki tzw. bakterii chemolitotroficznych różnych substancji organicznych z CO2, przy wykorzystaniu energii, jaka powstaje na drodze utleniania prostych związków nieorganicznych, takich jak amoniak, siarkowodór. Związki nieorganiczne, które są dawcami elektronów i atomów wodoru w procesie chemosyntezy, charakteryzują się wysokimi i dodatnimi wartościami biochemicznego potencjału oksydoredukcyjnego. Elektrony uwalniające się podczas utleniania substratów nieorganicznych są przechwytywane przez ostatnie ogniwa łańcucha oddechowego, a konkretnie przez składniki układu cytochromowego, skąd przerzucane są na tlen atmosferyczny. Przemieszczanie się elektronów z utlenianych substratów bezpośrednio na układ cytochromowy i tlen powoduje, że apasy energii gromadzącej się podczas chemosyntezy w postaci cząsteczek ATP są niewielkie, przy czym znaczna część tej energii jest zużytkowana na wytwarzanie cząsteczek NADH lub NADPH. Spośród licznych chemolititrofów najważniejsze znaczenie w procesach zachodzących w środowisku mają trzy grupy: bakterie nitryfikacyjne, bakterie siarkowe, bakterie żelazowe. Bakterie nitryfikacyjne – dzielą się na dwie podgrupy. Pierwsza podgrupa – bakterie nitryfikacyjne I fazy obejmuje drobnoustroje, które utleniają jony amonowe do azotynów (Gram-ujemne pałeczki z rodzaju Nitrosomonas), natomiast drugą podgrupę tworzą bakterie nitryfikacyjne II fazy, przejawiające zdolność do utleniania azotynów do azotanów (Gram-ujemne pałeczki z rodzaju Nitrobacter). Zachodzący w komórkach bakterii pierwszej fazy proces chemosyntezy osisuje następujące równanie: NH4++1,5O2 à NO2-+2H++H2O.U bakterie nitryfikacyjnych II fazy zachodzi reakcja: NO2-+1/2O2 à NO3-. Bakterie siarkowe – można je podzielić na dwie podgrupy: nitkowate bakterie siarkowe, Gram-ujemne pałeczki tionowe. Nitkowate bakterie siarkowe bytują głównie w wodach silnie zanieczyszczonych, odznaczających się wysokim stężeniem siarkowodoru. H2S+1/2O2 àSo+H20. Pałeczki tionowe utleniają siarkę elementarną i szereg różnych nieorganicznych związków siarki. Bakterie żelazowe – Posiadają zdolność do utleniania siarki, mogą również utleniać nieorganiczne związki żelazawe do związków żelazowych. Ten proces ma duże znaczenie wtedy, gdy w środowisku zewnętrznym jest brak odpowiednich substancji zawierających siarkę. Zazwyczaj podstawowym substratem dla tych komórek bakterii jest węglan żelazawy, a proces utleniania przebiega zgodnie z reakcją: 4FeCO3+O2+6H20 à4 Fe(OH)2 +4CO2.
Jeziora – są to naturalne wgłębienia terenu pochodzenia tektonicznego, polodowcowego, czy wulkanicznego, wypełnione wodą, nie mające bezpośredniego połączenia z morzem. Jeziora, z których wypływa rzeka nazywamy odpływowymi lub otwartymi. Jeziora, które nie mają odpływu nazywamy zamkniętymi. Warunki ekologiczne panujące w jeziorach są bardzo zróżnicowane, co związane jest z istnieniem stref i warstw w obrębie jeziora.
Czynniki ekologiczne wód powierzchniowych wywierające wpływ na rozwój organizmów wodnych – Wśród tych czynników należy wymienić: Światło, ruch wody i ciepło. Światło – ma podstawowe znaczenie dla rozwoju organizmów posiadających aparat fotosyntetyzujących, a więc dla sinic, glonów, roślin wyższych i dla niektórych gatunków bakterii. Od natężenia światła w wodzie zależy szybkość procesu fotosyntezy oraz wzajemne stosunki pomiędzy organizmami autotroficznymi, a organizmami heterotroficznymi w danym zbiorniku. Ruch wody – w wodach płynących ruch masy wodnej spowodowany jest przez nachylenie koryta rzecznego. Dzięki ruchom wody dochodzi do rozprowadzenia ciepła w zbiorniku wodnym i do wymieszania się substancji chemicznych zawartych w wodzie, a tym samym do wyrównania się ciśnienia osmotycznego.Ruchy wody wpływają bardzo korzystnie na proces natleniania zbiornika wodnego. Ciepło – głównym źródłem ciepła dla cząsteczek wody w zbiornikach wodnych są promienie słoneczne. Ubocznymi źródłami ciepła są gleba otaczająca zbiornik wodny, dno zbiornika, rozgrzane powietrze oddające wodzie ciepło przy najniższej nawet różnicy temperatur oraz ciepło uwalniające się w trakcie procesów biochemicznych zachodzących wewnątrz komórek organizmów wodnych.
Warunki termiczne w jeziorach i stawach – Najwyższa warstwa wody w jeziorze nosi nazwę epilimnionu. Jest to warstwa wody ciepłej o temperaturze od 14 do 20 stopni, a grubość tej warstwy wynosi od 6 do 10 metrów. W tej warstwie jest ciągłe mieszanie się wody. Metalimnion – warstwa pośrednia o temperaturze od 6 do 12 stopni, która rozciąga się pomiędzy 8 a 12 metrem głębokości. Hypolimnion – ...
goldapianie