Где идет фотосинтез. Как растения вырабатывают кислород
Назад
Вперёд
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
Задачи: Сформировать знания о реакциях пластического и энергетического обменов и их взаимосвязи; вспомнить особенности строения хлоропластов. Дать характеристику световой и темновой фазы фотосинтеза. Показать значение фотосинтеза как процесса, обеспечивающего синтез органических веществ, поглощение углекислого газа и выделение кислорода в атмосферу.
Тип урока: лекция.
Оборудование:
- Средства наглядности: таблицы по общей биологии;
- ТСО: компьютер; мультимедиапроектор.
План лекции:
- История изучения процесса.
- Эксперименты по фотосинтезу.
- Фотосинтез, как анаболический процесс.
- Хлорофилл и его свойства.
- Фотосистемы.
- Световая фаза фотосинтеза.
- Темновая фаза фотосинтеза.
- Лимитирующие факторы фотосинтеза.
Ход лекции
История изучения фотосинтеза
1630 год начало изучения фотосинтеза. Ван Гельмонт доказал, что растения образуют органические вещества, а не получают их из почвы. Взвешивая горшок с землей и ивой, и отдельно само дерево, он показал, что через 5 лет масса дерева увеличилась на 74 кг, тогда как почва потеряла только 57 г. Он решил, что пищу дерево получает из воды. В настоящее время мы знаем, что используется углекислый газ.
В 1804 году Соссюр установил, что в процессе фотосинтеза велико значение воды.
В 1887 году открыты хемосинтезирующие бактерии.
В 1905 году Блэкман установил, что фотосинтез состоит из двух фаз: быстрой – световой и ряда последовательных медленных реакций темновой фазы.
Эксперименты по фотосинтезу
| 1 опыт доказывает значение солнечного света (рис. 1.) | 2 опыт доказывает значение углекислого газа для фотосинтеза (рис. 2.) |
|
|
3 опыт доказывает значение фотосинтеза (рис.3.) |
|
|
|
Фотосинтез, как анаболический процесс
- Ежегодно в результате фотосинтеза образуется 150 млрд. тонн органического вещества и 200 млрд. тонн свободного кислорода.
- Круговорот кислорода, углерода и других элементов, вовлекаемых в фотосинтез. Поддерживает современный состав атмосферы, необходимый для существования современных форм жизни.
- Фотосинтез препятствует увеличению концентрации углекислого газа, предотвращая перегрев Земли вследствие парникового эффекта.
- Фотосинтез – основа всех цепей питания на Земле.
- Запасенная в продуктах энергия – основной источник энергии для человечества.
Сущность фотосинтеза заключается в превращении световой энергии солнечного луча в химическую энергию в виде АТФ и НАДФ·Н 2 .
Суммарное уравнение фотосинтеза:
6СО 2 + 6Н 2 О → С 6 Н 12 О 6 + 6О 2
Существует два главных типа фотосинтеза:
Хлорофилл и его свойства
Виды хлорофилла
Хлорофилл имеет модификации а, в, с, d. Отличаются они структурным строением и спектром поглощения света. Например: хлорофилл в содержит на один атом кислорода больше и на два атома водорода меньше, чем хлорофилл а.
Все растения и оксифотобактерии имеют как основной пигмент желто-зеленый хлорофилл а, а как дополнительный хлорофилл в.
Другие пигменты растений
Некоторые другие пигменты способны поглощать солнечную энергию и передавать ее в хлорофилл, вовлекая ее тем самым в фотосинтез.
У большинства растений есть темно оранжевый пигмент – каротин , который в животном организме превращается в витамин А и желтый пигмент – ксантофилл .
Фикоцианин и фикоэритрин – содержат красные и сине-зеленые водоросли. У красных водорослей эти пигменты принимают более активное участие в процессе фотосинтеза, чем хлорофилл.
Хлорофилл минимально поглощает свет в сине-зеленой части спектра. Хлорофилл а, в- в фиолетовой области спектра, где длина волны 440 нм. Уникальная функция хлорофилла состоит в том, что он интенсивно поглощает солнечную энергию и передает ее другим молекулам.
Пигменты поглощают определенную длину волны, не поглощенные участки солнечного спектра отражаются, что обеспечивает окраску пигмента. Зеленый свет не поглощается, поэтому хлорофилл зеленый.
Пигменты – это химические соединения, которые поглощают видимый свет, что приводит электроны в возбужденное состояние. Чем меньше длина волны, тем больше энергия света и больше его способность переводить электроны в возбужденное состояние. Это состояние неустойчиво и вскоре вся молекула возвращается в свое обычное низкоэнергетическое состояние теряя при этом энергию возбуждения. Эта энергия может быть использована на флуоресценцию.
Фотосистемы
Пигменты растений участвующие в фотосинтезе «упакованы» в тилакоиды хлоропластов в виде функциональных фотосинтетических единиц – фотосинтетических систем: фотосистемы I и фотосистемы II.
Каждая система состоит из набора вспомогательных пигментов (от 250 до 400 молекул), передающих энергию на одну молекулу главного пигмента и она называется реакционным центром . В нем энергия Солнца используется для фотохимических реакций.
Световая фаза идет обязательно с участием света, темновая фаза и на свету и в темноте. Световой процесс происходит в тилакоидах хлоропластов, темновой – в строме, т.е. эти процессы пространственно разобщены.
Световая фаза фотосинтеза
В 1958 году Арнон и его сотрудники изучили световую фазу фотосинтеза. Они установили, что источником энергии при фотосинтезе является свет, а так как на свету в хлорофилле происходит синтез из АДФ+Ф.к. → АТФ, то этот процесс называется фосфорилированием. Оно сопряжено с переносом электронов в мембранах.
Роль световых реакций: 1. Синтез АТФ – фосфорилирование. 2. Синтез НАДФ.Н 2 .
Путь переноса электронов называется Z-схемой.
Z-схема. Нециклическое и циклическое фотофосфорилирование (рис. 6.)
В ходе циклического транспорта электронов не происходит образования НАДФ.Н 2 и фоторазложения Н 2 О, следовательно и выделение О 2 . Этот путь используется тогда, когда в клетке избыток НАДФ.Н 2 , но требуется дополнительная АТФ.
Все эти процессы относятся к световой фазе фотосинтеза. В дальнейшем энергия АТФ и НАДФ.Н 2 используется для синтеза глюкозы. Для этого процесса свет не нужен. Это реакции темновой фазы фотосинтеза.
Темновая фаза фотосинтеза или цикл Кальвина
Синтез глюкозы происходит в ходе циклического процесса, который получил название по имени ученого Мельвина Кальвина, открывшего его, и награжденного Нобелевской премией.
Рис. 8. Цикл Кальвина
Каждая реакция цикла Кальвина осуществляется своим ферментом. Для образования глюкозы используются: СО 2 , протоны и электроны от НАДФ.Н 2 , энергия АТФ и НАДФ.Н 2 . Происходит процесс в строме хлоропласта. Исходным и конечным соединением цикла Кальвина, к которому с помощью фермента рибулозодифосфаткарбоксилазы присоединяется СО2, является пятиуглеродный сахар – рибулозобифосфат , содержащий две фосфатные группы. В результате образуется шестиуглеродное соединение, сразу же распадающееся на две трехуглеродные молекулы фосфоглицериновой кислоты , которые затем восстанавливаются до фосфоглицеринового альдегида . При этом, часть образовавшегося фосфоглицеринового альдегида используется для регенерации рибулозобифосфата, и, таким образом, цикл возобновляется снова (5С 3 → 3С 5), а часть используется для синтеза глюкозы и других органических соединений (2С 3 → С 6 → С 6 Н 12 О 6).
Для образования одной молекулы глюкозы необходимо 6 оборотов цикла и требуется 12НАДФ.Н 2 и 18 АТФ. Из суммарного уравнения реакции получается:
6СО 2 + 6Н 2 О → С 6 Н 12 О 6 + 6О 2
Из приведенного уравнения видно, что атомы С и О вошли в глюкозу из СО 2 , а атомы водорода из Н 2 О. Глюкоза в дальнейшем может быть использована как на синтез сложных углеводов (целлюлозы, крахмала), так и на образование белков и липидов.
(С 4 – фотосинтез. В 1965 году было доказано, что у сахарного тростника – первыми продуктами фотосинтеза, являются кислоты, содержащие четыре атома углерода (яблочная, щавелевоуксусная, аспарагиновая). К С 4 растениям принадлежат кукуруза, сорго, просо).
Лимитирующие факторы фотосинтеза
Скорость фотосинтеза – наиболее важный фактор влияющий на урожайность с/х культур. Так, для темновых фаз фотосинтеза нужны НАДФ.Н 2 и АТФ, и поэтому скорость темновых реакций зависит от световых реакций. При слабой освещенности скорость образования органических веществ будет мала. Поэтому свет – лимитирующий фактор.
Из всех факторов одновременно влияющих на процесс фотосинтеза лимитирующим будет тот, который ближе к минимальному уровню. Это установил Блэкман в 1905 году . Разные факторы могут быть лимитными, но один из них главный.
Космическая роль растений (описана К. А. Тимирязевым ) заключается в том, что растения – единственные организмы, усваивающие солнечную энергию и аккумулирующие ее в виде потенциальной химической энергии органических соединений . Выделяющийся О 2 поддерживает жизнедеятельность всех аэробных организмов. Из кислорода образуется озон, который защищает все живое от ультрафиолетовых лучей. Растения использовали из атмосферы громадное количество СО 2 , избыток которого создавал «парниковый эффект», и температура планеты понизилась до нынешних значений.
С образованием O 2
представляет собой важнейшее событие в . , сделавшее свет Солнца
главным источником-своб. энергии , а - практически неограниченным
источником для синтеза в-в в живых . В результате образовалась
совр. состава, O 2 стал доступным для пищи (см.
), а это обусловило возникновение высокоорганизов. гетеротрофных
(применяют в качестве источника экзогенные орг. в-ва).
Ок. 7% орг. продуктов фотосинтеза
человек использует в пищу, в качестве корма для животных, а также в виде
и строит. материала. Ископаемое - тоже продукт фотосинтеза. Его потребление в
кон. 20 в. примерно равно приросту биомассы.
Общее запасание энергии
солнечного излучения в виде продуктов фотосинтеза составляет ок. 1,6 · 10 21
кДж в год, что примерно в 10 раз превышает совр. энергетич. потребление человечества.
Примерно половина энергии солнечного излучения приходится на видимую область
спектра (длина волны l
от 400 до 700 нм), к-рая используется для фотосинтеза (физиологически
активная радиация, или ФАР). ИК излучение не пригодно для фотосинтеза кислородвыделяющих
(высших растений и водорослей), но используется нек-рыми фотосинтезирующи-ми
бактериями.
В связи с тем, что
составляют осн. массу продуктов биосинтетич. деятельности растений, хим. ур-ние
фотосинтеза обычно записывают в виде:
Для этой р-ции
469,3 кДж/ , понижение 30,3 Дж/(К·моль),
-479 кДж/ . Квантовый расход фотосинтеза для одноклеточных водорослей в лаб. условиях
составляет 8-12 квантов на CO 2 . Утилизация при фотосинтезе энергии
солнечного излучения, достигающего земной пов-сти, составляет не более 0,1%
всей ФАР. Наиб. продуктивные растения (напр., сахарный тростник) в среднем за
год усваивают ок. 2% энергии падающего излучения, а зерновые культуры - до 1%.
Обычно суммарная продуктивность фотосинтеза ограничена содержанием CO 2 в
(0,03-0,04% по объему), интенсивностью света и т-рой. Зрелые листья шпината
в нормального состава при 25 0 C на свету насыщающей интенсивности
(при солнечном освещении) дают неск. литров O 2 в час на грамм
или на килограмм сухого . Для водорослей Chlorella pyrenoidosa при 35 0 C
повышение CO 2 от 0,03 до 3% позволяет повысить выход
O 2 в 5 раз, такая активация является предельной.
Бактериальный фотосинтез и общее
ур-ние фотосинтеза.
Наряду с фотосинтезом высших растений и водорослей, сопровождаемым выделением
O 2 , в природе осуществляется бактериальный фотосинтез, в к-ром окисляемым
является не , а др. соединения, обладающие более выраженными
восстановит. св-вами, напр. H 2 S, SO 2 . при бактериальном
фотосинтезе не выделяется, напр.:
Фотосинтезирующие бактерии
способны использовать не только видимое, но и ближнее ИК излучение (до 1000
нм) в соответствии со спектрами поглощения преобладающих в них - бактериохлорофиллов.
Бактериальный фотосинтез не имеет существенного значения в глобальном запасании солнечной
энергии, но важен для понимания общих механизмов фотосинтеза. Кроме того, локально бескислородный
фотосинтез может вносить существенный вклад в суммарную продуктивность планктона. Так,
в Черном море кол-во и бактериохлорофил-ла в столбе в ряде мест
приблизительно одинаково.
Учитывая данные о фотосинтезе высших
растений, водорослей и фотосинтезирующих бактерий, обобщенное ур-ние фотосинтеза можно
записать в виде:
Ф
отосинтез пространственно и во
времени разделяется на два сравнительно обособленных процесса: световую стадию
и темновую стадию CO 2 (рис. 1). Обе
эти стадии осуществляются у высших растений и водорослей в специализир. органеллах
- . Исключение - синезеленые водоросли (цианобактерии), у
к-рых нет аппарата фотосинтеза, обособленного от цитоплазматич. .
В реакц. центре фотосинтеза, куда
почти со 100%-ной вероятностью переносится возбуждение, происходит первичная
р-ция между фотохимически активной а (у бактерий
- бактериохлорофилла) и первичным акцептором (ПА). Дальнейшие р-ции
в тилакоидных происходят между в их осн. состояниях и не
требуют возбуждения светом. Эти р-ции организованы в электронтранспортную цепь
- последовательность фиксированных в переносчиков . В электронтранс-портной
цепи высших растений и водорослей содержится два фотохим. центра (фотосистемы),
действующих последовательно (рис. 2), в бактериальной электронтранспортной цепи
- один (рис. 3).
В фотосистеме II высших
растений и водорослей синглетно возбужденный а в центре Р680
(число 680 обозначает, что максимум спектральных изменений системы при возбуждении
светом находится вблизи 680 нм) отдает через промежуточный акцептор
к феофитину (ФЕО, безмагниевый аналог ), образуя
. Анион-радикал восстановленного феофитина служит далее для
связанного пластохинона (ПХ*; отличается от заместителями в хиноидном
кольце), координированного с Fe 3+ (в бактериях имеется аналогичный
Fе 3+ -убихинонный комплекс). Далее переносится по цепи, включающей
свободный пластохинон (ПХ), присутствующий в избытке по отношению к остальным
компонентам цепи, затем (Ц) b 6 и f, образующие
комплекс с железо-серным центром, через медьсодержащий
пластоцианин (ПЦ; мол. м. 10400) к реакционному центру фотосистемы I.
Центры
быстро восстанавливаются, принимая через ряд промежут. переносчиков
от . Образование O 2 требует последоват. четырехкратного возбуждения
реакционного центра фотосистемы П и катализируется мембранным комплексом,
содержащим Mn.
Фотосистема I может действовать
автономно без контакта с системой II. В этом случае циклич. перенос
(на схеме показан пунктиром) сопровождается , а не НАДФН. Образующиеся
в световой стадии
НАДФН и используются
в темновой стадии фотосинтеза, в ходе к-рой снова образуется НАДФ и .
Электронтранспортные цепи
фотосинтезирующих бактерий в основных своих чертах аналогичны отдельным фрагментам
таковых в хлорогшастах высших растений. На рис. 3 показана электронтранспортная
цепь пурпурных бактерий.
Темновая стадия фотосинтеза.
Все
фотосинтезирующие , выделяющие O 2 , а также нек-рые фотосинтезирующие
бактерии сначала восстанавливают CO 2 до в т. наз.
цикле Калвина. У фотосинтезирующих бактерий встречаются, по-видимому, и др.
механизмы. Большинство цикла Калвина находится в растворимом состоянии
в строме .
Упрощенная схема цикла
показана на рис. 4. Первая стадия - рибулозо-1,5-дифосфата
и гидро
лиз продукта
с ооразованием двух 3-фосфоглицериновой к-ты. Эта С 3 -кислота
фосфорили-руется с образованием 3-фос-фоглицероилфосфата, к-рый затем восстанавливается
НАДФН до гли-церальдегид-3-фосфата. Полученный триозофосфат затем вступает в
ряд р-ций , и перегруппировок, дающих 3 рибулозо-5-фосфата.
Последний фосфорилируется при участии с образованием риоу-лозо-1,5-дифосфата
и, т. обр., цикл замыкается. Одна из 6 образующихся глицеральдегид-3-фос-фата
превращается в глюко-зо-6-фосфат и используется затем для синтеза либо
выделяется из в . Глицеральдегид-3-фосфат может также
превращаться в 3-глицеро-фосфат и затем в . Триозо
,
поступающие из , превращаются в осн. в , к-рая переносится
из листа в др. части растения.
В одном полном обороте
цикла Калвина расходуется 9 и 6 НАДФН для образования одной
3-фосфоглицериновой к-ты. Энергетич. эффективность цикла (отношение
энергии фотонов, необходимых для фотосинтеза и НАДФН, к DG 0 образования
из CO 2) с учетом действующих в строме
составляет 83%. В самом цикле Калвина нет фотохим. стадий, но световые
стадии могут косвенно влиять на него (в т. ч. и на р-ции, не требующие или
НАДФН) через изменения Mg 2+ и H + , а
также уровня восстановленности .
Нек-рые высшие растения,
приспособившиеся к высокой интенсивности света и к теплому климату (напр., сахарный
тростник, кукуруза), способны предварительно фиксировать CO 2 в дополнит.
С 4 -цикле. При этом CO 2 сначала включается в обмен четырехуглеродных
дикарбоновых к-т, к-рые затем декарбоксилируются там, где локализован цикл Калвина.
С 4 -Цикл характерен для растений с особым анатомич. строением листа
и разделением ф-ций между двумя типами кактусов , молочая и
др. засухоустойчивых растений характерно частичное разделение фиксации CO 2
и фотосинтеза во времени (САМ-обмен, или обмен по типу толстянковых; САМ сокр.
от англ. Crassulaceae acid metabolism). Днем устьица (каналы, через к-рые
осуществляется газообмен с ) закрываются, чтобы уменьшить
. При этом поступление CO 2 также затруднено. Ночью устьица открываются,
происходит фиксация CO 2 в виде фосфоенол-пировиноградной к-ты с образованием
С 4 -кислот, к-рые днем декарбоксилируются, а освобождаемый при этом
CO 2 включается в цикл Калвина (рис. 6).
Фотосинтез галобактерий.
Единственный
известный в природе не-хлорофилльный способ запасания энергии света осуществляют
бактерии Halobacterium halobium. Ha ярком свету при пониженной концентрации
хлорофилла. Окончательно это было доказано масс-спектрометрич. методом
(С. Рубен, M. Камен, а также А.П. Виноградов и Р.В. Тейс, 1941).
В 1935-41 К. Ван Ниль обобщил
данные по фотосинтезу высших растений и бактерий и предложил общее ур-ние, охватывающее
все типы фотосинтеза.
X. Гаффрон
и К. Воль, а также Л. Дёйсенс в 1936-52 на основе количеств. измерений выхода
продуктов фотосинтеза поглощенного света и содержания сформулировали представление
о "фотосинтетич. единице" - ансамбле , осуществляющих
светосбор и обслуживающих фотохим. центр.
В 40-50-х гг. M. Калвин,
используя 14 C, выявил механизм фиксации CO 2 . Д.
Арнон (1954) открыл фотофос-форилирование (инициируемый светом из
и H 3 PO 4) и сформулировал концепцию электронного транспорта
в . P. Эмерсон и Ч.M. Льюис (1942-43) обнаружили резкое
снижение эффективности фотосинтеза при 700
нм (красное падение, или первый эффект Эмерсона), а в 1957 Эмерсон наблюдал
неаддитивное усиление фотосинтеза при добавлении света низкой интенсивности с
650 нм к дальнему красному свету (эффект усиления, или второй эффект Эмерсона).
На этом в 60-х гг. сформулировано представление о последовательно
действую
щих фотосистемах
в электронтранспортной цепи фотосинтеза с максимумами в спектрах действия вблизи 680
и 700 HM.
Осн. закономерности образования
O 2 при в фотосинтезе установлены в работах Б. Кока и П. Жолио
(1969-70). Близится к завершению выяснение мол. организации мембранного комплекса,
катализирующего этот процесс. В 80-х гг. методом детально изучена структура отдельных компонентов фотосинтетич. аппарата,
включая реакционные центры и светособирающие комплексы (И. Дайзенхофер, X. Михель,
P. Хубер).
Лит.: Клейтон Р.,
Фотосинтеч. Физические механизмы и химические модели, пер. с англ., M., 1984;
"Ж. Всес. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева", 1986, т. 31, № 6; Фотосинтез,
под ред. Говинджи, пер. с англ., т. 1-2, M., 1987; Итоги науки и техники, .
Биофизика, т. 20-22, M., 1987. М.Г. Голъдфелъд.
Жизнь человека, как и всего живого на Земле невозможна без дыхания. Мы вдыхаем из воздуха кислород, а выдыхаем углекислый газ. Но почему же кислород не кончается? Оказывается, воздух в атмосфере непрерывно подпитывается кислородом. И происходит это насыщение именно благодаря фотосинтезу.
Фотосинтез - просто и понятно!
Каждый человек обязан понимать, что такое фотосинтез. Для этого совсем не нужно писать сложные формулы, достаточно понять всю важность и волшебство этого процесса.
Главную роль в процессе фотосинтеза играют растения – трава, деревья, кустарники. Именно в листьях растений на протяжении миллионов лет происходит удивительное превращение углекислого газа в кислород, так необходимый для жизни любителям дышать. Попробуем разобрать весь процесс фотосинтеза по порядку.
1. Растения берут из почвы воду с растворенными в ней минеральными веществами – азот, фосфор, марганец, калий, различные соли – всего больше 50 различных химических элементов. Это необходимо растениям для питания. Но из земли растения получают лишь 1/5 часть необходимых веществ. Остальные 4/5 они получают из воздуха!
2. Из воздуха растения поглощают углекислый газ. Тот самый углекислый газ, который мы выдыхаем каждую секунду. Углекислым газом растения дышат, как мы с вами дышим кислородом. Но и этого мало.
3. Незаменимый компонент в природной лаборатории - солнечный свет. Солнечные лучи в листьях растений пробуждают необычайную химическую реакцию. Как же это происходит?
4. В листьях растений есть удивительное вещество – хлорофилл . Хлорофилл способен улавливать потоки солнечного света и неутомимо перерабатывать полученные воду, микроэлементы, углекислый газ в органические вещества, необходимые каждому живому существу нашей планеты. В этот момент растения выделяют в атмосферу кислород! Именно эту работу хлорофилла ученые называют сложным словом – фотосинтез .
Презентацию по теме Фотосинтез можно скачать на образовательном портале
Так почему трава зелёная?
Теперь, когда мы знаем, что в клетках растений, содержится хлорофилл, на этот вопрос ответить очень легко. Недаром с древнегреческого языка хлорофилл переводится как «зелёный лист». Для фотосинтеза хлорофилл использует все лучи солнечного света, кроме зеленого. Мы видим траву, листья растений зелеными именно потому, что хлорофилл получается зеленым.
Значение фотосинтеза.
Значение фотосинтеза невозможно переоценить - без фотосинтеза в атмосфере нашей планеты накопилось бы слишком много углекислого газа, большинство живых организмов просто не смогли бы дышать и погибли. Наша Земля превратилась бы в безжизненную планету. Для того чтобы этого не допустить каждому человеку планеты Земля нужно помнить, что мы очень обязаны растениям.
Именно поэтому так важно в городах делать как можно больше парков и зелёных насаждений. Беречь от уничтожения тайгу и джунгли. Или просто посадить дерево рядом с домом. Или не ломать ветки. Только участие каждого человека планеты Земля поможет сохранить жизнь на родной планете.
Но важность фотосинтеза не ограничивается переработкой углекислого газа в кислород. Именно в результате фотосинтеза сформировался озоновый слой в атмосфере, защищающий планету от губительных лучей ультрафиолета. Растения это пища для большинства живых существ на Земле. Пища необходимая и полезная. Питательность растений это тоже заслуга фотосинтеза.
С недавнего времени хлорофилл стали активно использовать в медицине. Люди издавна знали, что больные животные инстинктивно едят зеленые листья, чтобы вылечиться. Ученые выяснили, что хлорофилл сходен с веществом в клетках крови человека и способен творить настоящие чудеса.
Фотосинтез представляет собой биосинтез, состоящий в превращении световой энергии в органические соединения. Свет в виде фотонов захватывается цветным пигментом, связанным с неорганическим или органическим донором электронов, и позволяет использовать минеральный материал для синтеза (производства) органических соединений.
Иными словами, что такое фотосинтез – это процесс синтеза органического вещества (сахара) из солнечного света. Эта реакция происходит на уровне хлоропластов, которые являются специализированными клеточными органеллами, и позволяют потреблять углекислый газ и воду для получения диоксигена и органических молекул, таких как глюкоза.
Он происходит в две фазы:
Световая фаза (фотофосфорилирование) – представляет собой набор светозависимых фотохимических (т. е. светозахватывающих) реакций, в которых электроны транспортируются через обе фотосистемы (PSI и PSII) для получения АТФ (богатая энергией молекула) и NADPHH (восстанавливающий потенциал).
Таким образом, светлая фаза фотосинтеза позволяет непосредственно превращать световую энергию в химическую энергию. Именно через этот процесс наша планета теперь имеет атмосферу, богатую кислородом. В результате высшие растения сумели доминировать на поверхности Земли, обеспечивая пищу многим другим организмам, которые питаются или находят убежище через неё. Первоначальная атмосфера содержала такие газы, как аммоний, азот и углекислый газ, но очень мало кислорода. Растения нашли способ превратить этот CO настолько обильно в пищу, используя солнечный свет.
Темновая фаза – соответствует полностью ферментативному и не зависящему от света циклу Кальвина, в котором аденозинтрифосфат (АТФ) и НАДФН+Н+ (никотин амид адениндинуклеотид фосфат) используются для конверсии углекислого газа и воды в углеводы. Эта вторая фаза позволяет усвоить углекислый газ.
То есть в этой фазе фотосинтеза, примерно через пятнадцать секунд после поглощения CO происходит реакция синтеза и появляются первые продукты фотосинтеза - сахара: триосы, пентозы, гексозы, гептозы. Из определённых гексоз образуются сахароза и крахмал. Помимо углеводов, могут также развиваться липидами и белками путём связывания с молекулой азота.
Этот цикл существует в водорослях, умеренных растениях и всех деревьях; эти растения называются «растениями С3», наиболее важными промежуточными телами биохимического цикла, имеющими молекулу три атома углерода (С3).
В этой фазе хлорофилл после поглощения фотона имеет энергию 41 ккал на моль, некоторые из которых преобразуются в теплоту или флуоресценцию. Использование изотопных маркеров (18O) показало, что кислород, высвобождаемый во время этого процесса, происходит из разложенной воды, а не из поглощённого диоксида углерода.
Фотосинтез происходит главным образом в листьях растений и редко (когда-либо) в стеблях и т. д. Части типичного листа включают: верхний и нижний эпидермис ;
- мезофилл;
- сосудистый пучок (вены);
- устьица.
Если клетки верхнего и нижнего эпидермиса не являются хлоропластами, фотосинтез не происходит. Фактически они служат прежде всего в качестве защиты для остальной части листа.
Устьица - это дыры, существующие главным образом в нижнем эпидермисе, и позволяют проводить обмен воздуха (CO и O2). Сосудистые пучки (или вены) в листе составляют часть транспортной системы растения, при необходимости перемещая воду и питательные вещества вокруг растения. Клетки мезофилла имеют хлоропласты, вот это и есть место фотосинтеза.
Механизм фотосинтеза очень сложный . Однако эти процессы в биологии имеют особое значение. При энергичном воздействии света хлоропласты (части растительной клетки, содержащие хлорофилл), вступая в реакцию фотосинтеза, объединяют углекислый газ (СО) с пресной водой с образованием сахаров C6H12O6.
Они в процессе реакции превращаются в крахмал C6H12O5, для квадратного дециметра поверхности листа, в среднем 0,2 г крахмала в день. Вся операция сопровождается сильным высвобождением кислорода .
Фактически процесс фотосинтеза состоит в основном из фотолиза молекулы воды.
Формула этого процесса:
6 Н 2 О + 6 СО 2 + свет = 6 O 2 + С 6 Н 12 О 6
Вода + углекислый газ + свет = кислород + глюкоза
- Н 2 О = вода
- СО 2 = диоксид углерода
- O 2 = Кислород
- С 6 Н 12 О 6 = глюкоза
В переводе этот процесс означает: растению для вступления в реакцию нужны шесть молекул воды + шесть молекул углекислого газа и света. Это приводит к образованию шести молекул кислорода и глюкозы в химическом процессе. Глюкоза - это глюкоза , которую растение использует в качестве исходного материала для синтеза жиров и белков. Шесть молекул кислорода являются всего лишь «необходимым злом» для растения, которое он доставляет в окружающую среду через закрывающие клетки.
Как уже было сказано, углеводы являются наиболее важным прямым органическим продуктом фотосинтеза в большинстве зелёных растений. В растениях образуется мало свободной глюкозы; вместо этого глюкозные единицы связаны с образованием крахмала или соединены с фруктозой, другим сахаром, с образованием сахарозы.
При фотосинтезе синтезируются не только углеводы , как это когда-то считалось, но также:
- аминокислоты;
- белки;
- липиды (или жиры);
- пигменты и другие органические компоненты зелёных тканей.
Минералы поставляют элементы (например, азот, N; фосфор, Р; серы, S), необходимых для образования этих соединений.
Химические связи разрушаются между кислородом (O) и углеродом (С), водородом (Н), азотом и серы, а новые соединения образуются в продуктах, которые включают газообразный кислород (O 2) и органические соединения. Для разрушения связей между кислородом и другими элементами (например, в воде, нитрате и сульфате) требуется больше энергии, чем высвобождается, когда в продуктах образуются новые связи. Это различие в энергии связи объясняет большую часть световой энергии, хранящейся в виде химической энергии в органических продуктах, образующихся при фотосинтезе. Дополнительная энергия хранится при создании сложных молекул из простых.
Факторы, влияющие на скорость фотосинтеза
Скорость фотосинтеза определяется в зависимости от скорости производства кислорода либо на единицу массы (или площади) зелёных растительных тканей, либо на единицу веса всего хлорофилла.
Количество света, подача углекислого газа, температура, водоснабжение и наличие полезных ископаемых являются наиболее важными факторами окружающей среды, которые влияют на скорость реакции фотосинтеза на наземных установках. Его скорость определяется также видами растений и его физиологическим состоянием, например, его здоровьем, зрелостью и цветением.
Фотосинтез происходит исключительно в хлоропластах (греческий хлор = зелёный, пластообразный) растения. Хлоропласты преимущественно обнаруживаются в палисадах, но также и в губчатой ткани. На нижней стороне листа находятся блокирующие ячейки, которые координируют обмен газами. CO 2 течёт в межклеточные клетки снаружи.
Вода, необходимая для фотосинтеза , транспортирует растение изнутри через ксилему в клетки. Зелёный хлорофилл обеспечивает поглощение солнечного света. После того как углекислый газ и вода превращаются в кислород и глюкозу, закрывающие клетки открывают и выделяют кислород в окружающую среду. Глюкоза остаётся в клетке и превращается растением среди других в крахмал. Сила сравниваются с полисахаридом глюкозы и лишь слегка растворимой, так что даже в высоких потерях воды в прочности растительных остатков.
Важность фотосинтеза в биологии
Из света, полученного листом, отражается 20%, 10% передаются и 70% фактически поглощаются, из которых 20% рассеивается в тепле, 48% теряется при флуоресценции. Около 2% остаётся для фотосинтеза.
Благодаря этому процессу растения играют незаменимую роль на поверхности Земли; на самом деле зелёные растения с некоторыми группами бактерий являются единственными живыми существами, способными выработать органические вещества из минеральных элементов. По оценкам, каждый год 20 миллиардов тонн углерода фиксируются наземными растениями из углекислого газа в атмосфере и 15 миллиардов водорослями.
Зелёные растения являются основными первичными производителями, первое звено в пищевой цепи; не хлорофилловые растения и травоядные и плотоядные животные (включая людей) полностью зависят от реакции фотосинтеза.
Упрощённое определение фотосинтеза заключается в том, чтобы преобразовать световую энергию от солнца в химическую энергию. Этот фотонный биосинтез углевода производится из углекислого газа СО2 с помощью световой энергии.
То есть фотосинтез является результатом химической активности (синтеза) растений хлорофилла, которые продуцируют основные биохимические органические вещества из воды и минеральных солей благодаря способности хлоропластов захватывать часть энергии солнца.
Фотосинтез представляет собой совокупность процессов формирования световой энергии в энергию химических связей органических веществ с участием фотосинтетических красящих веществ.
Такой тип питания характерен для растений, прокариот и некоторых видов одноклеточных эукариот.
При природном синтезе углерод и вода во взаимодействии со светом преобразуются в глюкозу и свободный кислород:
6CO2 + 6H2O + световая энергия → C6H12O6 + 6O2
Современная физиология растений под понятием фотосинтеза понимает фотоавтотрофную функцию, которая является совокупностью процессов поглощения, превращения и применения квантов световой энергии в разных несамопроизвольных реакциях, включая преобразование углекислого газа в органику.
Фазы
Фотосинтез у растений происходит в листьях через хлоропласты - полуавтономные двухмембранные органеллы, относящиеся к классу пластид. С плоской формой листовых пластин обеспечивается качественное поглощение и полное использование световой энергии и углекислого газа. Вода, необходимая для природного синтеза, поступает от корней через водопроводящую ткань. Газообмен происходит с помощью диффузии через устьица и частично через кутикулу.
Хлоропласты заполнены бесцветной стромой и пронизаны ламеллами, которые при соединении друг с другом образуют тилакоиды. Именно в них и происходит фотосинтез. Цианобактерии сами собой представляют хлоропласты, поэтому аппарат для природного синтеза в них не выделен в отдельную органеллу.
Фотосинтез протекает при участии пигментов , которыми обычно выступают хлорофиллы. Некоторые организмы содержат другой пигмент - каротиноид или фикобилин. Прокариоты обладают пигментом бактериохлорофиллом, причем данные организмы не выделяют кислород по завершении природного синтеза.
Фотосинтез проходит две фазы - световую и темновую. Каждая из них характеризуется определенными реакциями и взаимодействующими веществами. Рассмотрим подробнее процесс фаз фотосинтеза.
Световая
Первая фаза фотосинтеза
характеризуется образованием высокоэнергетических продуктов, которыми являются АТФ, клеточный источник энергии, и НАДФ, восстановитель. В конце стадии в качестве побочного продукта образуется кислород. Световая стадия происходит обязательно с солнечным светом.
Процесс фотосинтеза протекает в мембранах тилакоидов при участии белков-переносчиков электронов, АТФ-синтетазы и хлорофилла (или другого пигмента).
Функционирование электрохимических цепей, по которым происходит передача электронов и частично протонов водорода, образуется в сложных комплексах, формирующихся пигментами и ферментами.
Описание процесса световой фазы:
- При попадании солнечного света на листовые пластины растительных организмов происходит возбуждение электронов хлорофилла в структуре пластин;
- В активном состоянии частицы выходят из пигментной молекулы и попадают на внешнюю сторону тилакоида, заряженную отрицательно. Это происходит одновременно с окислением и последующим восстановлением молекул хлорофилла, которые отбирают очередные электроны у поступившей в листья воды;
- Затем происходит фотолиз воды с образованием ионов, которые отдают электроны и преобразуются в радикалы OH, способные участвовать в реакциях и в дальнейшем;
- Затем эти радикалы соединяются, образуя молекулы воды и свободный кислород, выходящий в атмосферу;
- Тилакоидная мембрана приобретает с одной стороны положительный заряд за счет иона водорода, а с другой - отрицательный за счет электронов;
- С достижением разницы в 200 мВ между сторонами мембраны протоны проходят через фермент АТФ-синтетазу, что приводит к превращению АДФ в АТФ (процесс фосфорилирования);
- С освободившимся из воды атомным водородом происходит восстановление НАДФ + в НАДФ·Н2;
Тогда как свободный кислород в процессе реакций выходит в атмосферу, АТФ и НАДФ·Н2 участвуют в темновой фазе природного синтеза.
Темновая
Обязательный компонент для этой стадии - углекислый газ
, который растения постоянно поглощают из внешней среды через устьица в листьях. Процессы темновой фазы проходят в строме хлоропласта. Поскольку на данном этапе не требуется много солнечной энергии и будет достаточно получившихся в ходе световой фазы АТФ и НАДФ·Н2, реакции в организмах могут протекать и днем, и ночью. Процессы на этой стадии происходят быстрее, чем на предыдущей.
Совокупность всех процессов, происходящих в темновой фазе, представлена в виде своеобразной цепочки последовательных преобразований углекислоты, поступившей из внешней среды:
- Первой реакцией в такой цепочке является фиксация углекислого газа. Наличие фермента РиБФ-карбоксилаза способствует быстрому и плавному протеканию реакции, в результате которой происходит образование шестиуглеродного соединения, распадающегося на 2 молекулы фосфоглицериновой кислоты;
- Затем происходит довольно сложный цикл, включающий еще определенное число реакций, по завершении которых фосфоглицериновая кислота преобразуется в природный сахар - глюкозу. Этот процесс называют циклом Кальвина;
Вместе с сахаром также происходит формирование жирных кислот, аминокислот, глицерина и нуклеотидов.
Суть фотосинтеза
Из таблицы сравнений световой и темновой фаз природного синтеза можно вкратце описать суть каждой из них. Световая фаза происходит в гранах хлоропласта с обязательным включением в реакции световой энергии. В реакциях задействованы такие компоненты как белки, переносящие электроны, АТФ-синтетаза и хлорофилл, которые при взаимодействии с водой образуют свободный кислород, АТФ и НАДФ·Н2. Для темновой фазы, происходящей в строме хлоропласта, солнечный свет не является обязательным. Получившиеся на прошлом этапе АТФ и НАДФ·Н2 при взаимодействии с углекислотой формируют природный сахар (глюкозу).
Как видно из вышеизложенного, фотосинтез предстает довольно сложным и многоступенчатым явлением, включающим множество реакций, в которых задействуются разные вещества. В итоге природного синтеза получается кислород, необходимый для дыхания живых организмов и защиты их от ультрафиолетовой радиации с помощью образования озонового слоя.