Растенията се нуждаят от въглероден диоксид за фотосинтеза. Как и къде протича фотосинтезата в растенията?

Как да обясним накратко и ясно такъв сложен процес като фотосинтезата? Растенията са единствените живи организми, които могат да произвеждат собствена храна. Как го правят? За растеж те получават всички необходими вещества от околната среда: въглероден диоксид - от въздуха, водата и - от почвата. Те също се нуждаят от енергия от слънчева светлина. Тази енергия задейства определени химични реакции, по време на които въглеродният диоксид и водата се превръщат в глюкоза (хранене) и фотосинтезата. Накратко и ясно същността на процеса може да се обясни дори на децата в училищна възраст.

"Заедно със светлината"

Думата "фотосинтеза" идва от две гръцки думи - "снимка" и "синтез", комбинация, която в превод означава "заедно със светлина". Слънчевата енергия се превръща в химическа енергия. Химическо уравнение на фотосинтезата:

6CO 2 + 12H 2 O + светлина \u003d C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.

Това означава, че 6 молекули въглероден диоксид и дванадесет водни молекули се използват (заедно със слънчевата светлина) за производството на глюкоза, което води до шест молекули кислород и шест молекули вода. Ако представим това под формата на словесно уравнение, получаваме следното:

Вода + слънце => глюкоза + кислород + вода.

Слънцето е много мощен източник на енергия. Хората винаги се опитват да го използват за генериране на електричество, изолация на къщи, отопление на вода и т.н. Растенията са „разбрали“ как да използват слънчевата енергия преди милиони години, защото тя е била необходима за тяхното оцеляване. Фотосинтезата може да се обясни накратко и ясно по следния начин: растенията използват светлинната енергия на слънцето и я преобразуват в химическа енергия, резултатът от което е захар (глюкоза), излишъкът от която се съхранява като нишесте в листата, корените, стъблата и семена на растението. Енергията на слънцето се предава на растенията, както и на животните, които тези растения ядат. Когато едно растение се нуждае от хранителни вещества за растеж и други жизнени процеси, тези запаси са много полезни.

Как растенията усвояват слънчевата енергия?

Говорейки за фотосинтезата накратко и ясно, струва си да засегнем въпроса как растенията успяват да абсорбират слънчевата енергия. Това се дължи на специалната структура на листата, която включва зелени клетки - хлоропласти, които съдържат специално вещество, наречено хлорофил. Това придава на листата зелен цвят и е отговорно за усвояването на енергията на слънчевата светлина.

Защо повечето листа са широки и плоски?

Фотосинтезата се извършва в листата на растенията. Изненадващият факт е, че растенията са много добре приспособени да улавят слънчевата светлина и да абсорбират въглеродния диоксид. Поради широката повърхност ще бъде уловена много повече светлина. Именно поради тази причина слънчевите панели, които понякога се монтират на покривите на къщите, също са широки и плоски. Колкото по-голяма е повърхността, толкова по-добра е абсорбцията.

Какво друго е важно за растенията?

Точно като хората, растенията също се нуждаят от хранителни вещества и хранителни вещества, за да останат здрави, да растат и да се представят добре. Те получават минерали, разтворени във вода от почвата чрез корените си. Ако в почвата липсват минерални хранителни вещества, растението няма да се развива нормално. Фермерите често тестват почвата, за да се уверят, че има достатъчно хранителни вещества за растежа на културите. В противен случай прибягвайте до използването на торове, съдържащи основни минерали за хранене и растеж на растенията.

Защо фотосинтезата е толкова важна?

Обяснявайки фотосинтезата накратко и ясно за децата, заслужава да се спомене, че този процес е една от най-важните химични реакции в света. Какви са причините за толкова гръмко изказване? Първо, фотосинтезата храни растенията, които от своя страна хранят всички останали живи същества на планетата, включително животни и хора. Второ, в резултат на фотосинтезата кислородът, необходим за дишането, се отделя в атмосферата. Всички живи същества вдишват кислород и издишват въглероден диоксид. За щастие растенията правят обратното, поради което са много важни за хората и животните да дишат.

Удивителен процес

Оказва се, че растенията също знаят как да дишат, но за разлика от хората и животните те абсорбират въглероден диоксид от въздуха, а не кислород. Растенията също пият. Ето защо трябва да ги поливате, иначе ще умрат. С помощта на кореновата система водата и хранителните вещества се транспортират до всички части на тялото на растението, а въглеродният диоксид се абсорбира през малки дупки в листата. Спусъкът за започване на химическа реакция е слънчевата светлина. Всички получени метаболитни продукти се използват от растенията за хранене, кислородът се отделя в атмосферата. Така можете накратко и ясно да обясните как протича процесът на фотосинтеза.

Фотосинтеза: светли и тъмни фази на фотосинтезата

Разглежданият процес се състои от две основни части. Има две фази на фотосинтезата (описание и таблица - по-долу). Първата се нарича светлинна фаза. Проявява се само в присъствието на светлина в тилакоидните мембрани с участието на хлорофил, белтъчини носители на електрони и ензима АТФ синтетаза. Какво още крие фотосинтезата? Светете и се сменяйте един друг, когато денят и нощта идват (цикли на Калвин). По време на тъмната фаза се получава производството на същата глюкоза, храна за растенията. Този процес се нарича още независима от светлината реакция.

Заключение

От всичко казано по-горе могат да се направят следните изводи:

• Фотосинтезата е процесът, който прави възможно получаването на енергия от слънцето.
• Светлинната енергия на слънцето се превръща в химическа енергия от хлорофил.
• Хлорофилът придава на растенията зелен цвят.
• Фотосинтезата се осъществява в хлоропластите на листата на растенията.
• Въглеродният диоксид и водата са от съществено значение за фотосинтезата.
• Въглеродният диоксид навлиза в растението през малки дупки, устици и кислородът излиза през тях.
• Водата се абсорбира в растението чрез корените му.
• Без фотосинтеза нямаше да има храна в света.

Фотосинтеза - това е съвкупност от процеси за синтез на органични съединения от неорганични поради превръщането на светлинната енергия в енергията на химичните връзки. Зелените растения принадлежат към фототрофни организми, някои прокариоти - цианобактерии, лилави и зелени серни бактерии, растителни флагелати.

Изследванията на процеса на фотосинтеза започват през втората половина на 18 век. Важно откритие е направено от изключителния руски учен К. А. Тимирязев, който обосновава учението за космическата роля на зелените растения. Растенията поглъщат слънчевите лъчи и преобразуват светлинната енергия в енергията на химичните връзки на синтезираните от тях органични съединения. Така те осигуряват запазването и развитието на живота на Земята. Ученият също теоретично обоснова и експериментално доказа ролята на хлорофила в усвояването на светлината по време на фотосинтезата.

Хлорофилите са основните фотосинтетични пигменти. По структура са подобни на хема на хемоглобина, но съдържат магнезий вместо желязо. Съдържанието на желязо е необходимо за осигуряване на синтеза на хлорофилни молекули. Има няколко хлорофила, които се различават по своята химическа структура. Задължително за всички фототрофи е хлорофил а . хлорофилб намират се в зелените растения хлорофил c в диатомеите и кафявите водорасли. Хлорофил d характерни за червените водорасли.

Зелените и лилавите фотосинтезиращи бактерии имат специални бактериохлорофили . Фотосинтезата на бактериите има много общо с фотосинтезата на растенията. Различава се по това, че при бактериите сероводородът е донор, а при растенията е водата. Зелените и лилавите бактерии нямат фотосистема II. Бактериалната фотосинтеза не е придружена от освобождаване на кислород. Общото уравнение за бактериална фотосинтеза е:

6C0 2 + 12H 2 S → C 6 H 12 O 6 + 12S + 6H 2 0.

Фотосинтезата се основава на редокс процес. Свързва се с прехвърлянето на електрони от съединения-доставчици на електрон-донори към съединения, които ги възприемат - акцептори. Светлинната енергия се преобразува в енергията на синтезираните органични съединения (въглехидрати).

Хлоропластните мембрани имат специална структура - реакционни центрове които съдържат хлорофил. При зелените растения и цианобактериите две фотосистеми – първо аз) и втори (II) , които имат различни реакционни центрове и са свързани помежду си чрез система за транспорт на електрони.

Две фази на фотосинтеза

Процесът на фотосинтеза се състои от две фази: светла и тъмна.

Възниква само при наличие на светлина върху вътрешните мембрани на митохондриите в мембраните на специални структури - тилакоиди . Фотосинтетичните пигменти улавят светлинни кванти (фотони). Това води до "възбуждане" на един от електроните на молекулата на хлорофила. С помощта на молекули носители електронът се придвижва към външната повърхност на тилакоидната мембрана, придобивайки определена потенциална енергия.

Този електрон е фотосистема I може да се върне към енергийното си ниво и да го възстанови. NADP (никотинамид аденин динуклеотид фосфат) също може да се предава. Взаимодействайки с водородни йони, електроните възстановяват това съединение. Редуцираният NADP (NADP H) доставя водород за редуциране на атмосферния CO 2 до глюкоза.

Подобни процеси протичат в фотосистема II . Възбудените електрони могат да бъдат прехвърлени към фотосистема I и да я възстановят. Възстановяването на фотосистема II се осъществява благодарение на електрони, доставяни от водни молекули. Водните молекули се разпадат (фотолиза на вода) във водородни протони и молекулен кислород, който се отделя в атмосферата. Електроните се използват за възстановяване на фотосистема II. Уравнение за фотолиза на водата:

2Н 2 0 → 4Н + + 0 2 + 2е.

Когато електроните се върнат от външната повърхност на тилакоидната мембрана към предишното енергийно ниво, енергията се освобождава. Съхранява се под формата на химични връзки на АТФ молекули, които се синтезират по време на реакции в двете фотосистеми. Процесът на синтез на АТФ с АДФ и фосфорна киселина се нарича фотофосфорилиране . Част от енергията се използва за изпаряване на водата.

По време на светлинната фаза на фотосинтезата се образуват богати на енергия съединения: ATP и NADP H. При разпадането (фотолизата) на водната молекула в атмосферата се отделя молекулен кислород.

Реакциите протичат във вътрешната среда на хлоропластите. Те могат да се появят със или без светлина. Органичните вещества се синтезират (CO 2 се редуцира до глюкоза) с помощта на енергията, която се е образувала в светлинната фаза.

Процесът на редукция на въглеродния диоксид е цикличен и се нарича Цикъл на Калвин . Наречен на американския изследовател М. Калвин, който открива този цикличен процес.

Цикълът започва с реакцията на атмосферния въглероден диоксид с рибулозния бифосфат. Ензимът катализира процеса карбоксилаза . Рибулозният бифосфат е петвъглеродна захар, комбинирана с два остатъка от фосфорна киселина. Съществуват редица химични трансформации, всяка от които катализира свой собствен специфичен ензим. Как се образува крайният продукт на фотосинтезата? глюкоза , а рибулозният бифосфат също се намалява.

Общото уравнение на процеса на фотосинтеза:

6C0 2 + 6H 2 0 → C 6 H 12 O 6 + 60 2

Благодарение на процеса на фотосинтеза, светлинната енергия на Слънцето се усвоява и се превръща в енергията на химичните връзки на синтезираните въглехидрати. Енергията се пренася по хранителните вериги към хетеротрофните организми. По време на фотосинтезата въглеродният диоксид се поема и се отделя кислород. Целият атмосферен кислород е от фотосинтетичен произход. Повече от 200 милиарда тона свободен кислород се отделят годишно. Кислородът защитава живота на Земята от ултравиолетова радиация, създавайки озонов щит в атмосферата.

Процесът на фотосинтеза е неефективен, тъй като само 1-2% от слънчевата енергия се прехвърля в синтезираната органична материя. Това се дължи на факта, че растенията не поглъщат достатъчно светлина, част от нея се поглъща от атмосферата и т. н. По-голямата част от слънчевата светлина се отразява от повърхността на Земята обратно в космоса.

Има три вида пластиди:

• хлоропласти- зелен, функция - фотосинтеза
• хромопласти- червено и жълто, са разрушени хлоропласти, могат да придадат ярък цвят на венчелистчетата и плодовете.
• левкопласти- безцветен, функция - запас от вещества.

Структурата на хлоропластите

покрита с две мембрани. Външната мембрана е гладка, вътрешната има израстъци вътре - тилакоиди. Купчини от къси тилакоиди се наричат зърна, те увеличават площта на вътрешната мембрана, за да се настанят възможно най-много фотосинтезни ензими върху нея.

Вътрешната среда на хлоропласта се нарича строма. Той съдържа кръгова ДНК и рибозоми, поради което хлоропластите самостоятелно произвеждат част от протеините за себе си, поради което се наричат ​​полуавтономни органели. (Смята се, че по-ранните пластиди са били свободни бактерии, които се абсорбират от голяма клетка, но не се усвояват.)

Фотосинтеза (проста)

В зелени листа на светлина
В хлоропласти с хлорофил
От въглероден диоксид и вода
Синтезират се глюкоза и кислород.

Фотосинтеза (средна трудност)

1. Светлинна фаза.
Среща се на светлина в зърната на хлоропластите. Под действието на светлината настъпва разлагане (фотолиза) на водата, получава се кислород, който се излъчва, както и водородни атоми (NADP-H) и енергия на АТФ, които се използват в следващия етап.

2. Тъмна фаза.
Среща се както на светлина, така и на тъмно (светлина не е необходима), в стромата на хлоропластите. От въглеродния диоксид, получен от околната среда, и водородните атоми, получени в предишния етап, се синтезира глюкоза поради енергията на АТФ, получена в предишния етап.

1. Установете съответствие между процеса на фотосинтеза и фазата, в която протича: 1) светло, 2) тъмно. Напишете числата 1 и 2 в правилния ред.
А) образуването на NADP-2H молекули
Б) освобождаване на кислород
В) синтез на монозахарид
Г) синтез на АТФ молекули
Г) добавяне на въглероден диоксид към въглехидрат

Отговор

2. Установете съответствие между характеристиката и фазата на фотосинтезата: 1) светло, 2) тъмно. Напишете числата 1 и 2 в правилния ред.
А) фотолиза на вода
Б) фиксиране на въглероден диоксид
В) разделяне на АТФ молекули
Г) възбуждане на хлорофила от светлинни кванти
Г) синтез на глюкоза

Отговор

3. Установете съответствие между процеса на фотосинтезата и фазата, в която протича: 1) светло, 2) тъмно. Напишете числата 1 и 2 в правилната последователност.
А) образуването на NADP * 2H молекули
Б) освобождаване на кислород
Б) синтез на глюкоза
Г) синтез на АТФ молекули
Г) възстановяване на въглероден диоксид

Отговор

4. Установете съответствие между процесите и фазата на фотосинтезата: 1) светло, 2) тъмно. Запишете числата 1 и 2 в реда, съответстващ на буквите.
А) полимеризация на глюкоза
Б) свързване с въглероден диоксид
Б) Синтез на АТФ
Г) фотолиза на вода
Д) образуване на водородни атоми
Д) синтез на глюкоза

Отговор

5. Установете съответствие между фазите на фотосинтезата и техните характеристики: 1) светло, 2) тъмно. Запишете числата 1 и 2 в реда, съответстващ на буквите.
А) Извършва се фотолиза на водата
Б) Образува се АТФ
Б) кислородът се отделя в атмосферата
Г) протича с разхода на АТФ енергия
Г) Реакциите могат да протичат както на светло, така и на тъмно.

Отговор

ФОРМА 6:
А) възстановяване на NADP +
Б) транспорт на водородни йони през мембраната
В) превръщане на NADP-2R в NADP+

Г) движение на възбудените електрони

Анализирайте таблицата. Попълнете празните клетки на таблицата, като използвате понятията и термините, дадени в списъка. За всяка клетка с букви изберете подходящия термин от предоставения списък.
1) тилакоидни мембрани
2) светлинна фаза
3) фиксиране на неорганичен въглерод
4) водна фотосинтеза
5) тъмна фаза
6) клетъчна цитоплазма

Отговор

Изберете три опции. Тъмната фаза на фотосинтезата се характеризира с
1) протичането на процесите върху вътрешните мембрани на хлоропластите
2) синтез на глюкоза
3) фиксиране на въглероден диоксид
4) протичането на процесите в стромата на хлоропластите
5) наличието на водна фотолиза
6) образуването на АТФ

Отговор

1. Изброените по-долу знаци, с изключение на два, се използват за описание на структурата и функциите на изобразения клетъчен органоид. Идентифицирайте два знака, които „изпадат“ от общия списък, и запишете числата, под които са посочени.

2) натрупва АТФ молекули
3) осигурява фотосинтеза

5) има полуавтономност

Отговор

2. Всички признаци, изброени по-долу, с изключение на два, могат да се използват за описание на клетъчния органоид, показан на фигурата. Идентифицирайте два знака, които „изпадат“ от общия списък, и запишете числата, под които са посочени.
1) едномембранен органоид
2) се състои от кристи и хроматин
3) съдържа кръгова ДНК
4) синтезира собствен протеин
5) способни за разделяне

Отговор

Всички характеристики по-долу, с изключение на две, могат да се използват за описание на структурата и функциите на хлоропласта. Идентифицирайте два знака, които „изпадат“ от общия списък, и запишете числата, под които са посочени.
1) е двумембранен органоид
2) има своя собствена затворена ДНК молекула
3) е полуавтономен органоид
4) образува делително вретено
5) изпълнен с клетъчен сок със захароза

Отговор

Изберете един, най-правилният вариант. Клетъчна органела, съдържаща ДНК молекула
1) рибозома
2) хлоропласт
3) клетъчен център
4) Комплекс Голджи

Отговор

Изберете един, най-правилният вариант. В синтеза на какво вещество участват водородните атоми в тъмната фаза на фотосинтезата?
1) NADF-2N
2) глюкоза
3) АТФ
4) вода

Отговор

Всички признаци по-долу, с изключение на два, могат да се използват за определяне на процесите на светлинната фаза на фотосинтезата. Идентифицирайте два знака, които „изпадат“ от общия списък, и запишете числата, под които са посочени.
1) фотолиза на вода


4) образуване на молекулен кислород

Отговор

Изберете два верни отговора от пет и запишете числата, под които са посочени. В светлата фаза на фотосинтезата в клетката
1) кислородът се образува в резултат на разлагането на водните молекули
2) въглехидратите се синтезират от въглероден диоксид и вода
3) полимеризацията на глюкозните молекули протича с образуването на нишесте
4) Синтезират се АТФ молекули
5) енергията на молекулите на АТФ се изразходва за синтеза на въглехидрати

Отговор

Изберете един, най-правилният вариант. Каква клетъчна органела съдържа ДНК
1) вакуола
2) рибозома
3) хлоропласт
4) лизозома

Отговор

Вмъкнете в текста "Синтез на органични вещества в растение" липсващите термини от предложения списък, като за това използвате цифрови символи. Запишете избраните числа в реда, съответстващ на буквите. Растенията съхраняват енергията, от която се нуждаят, за да оцелеят, под формата на органична материя. Тези вещества се синтезират по време на __________ (A). Този процес протича в клетките на листата в __________ (B) - специални зелени пластиди. Те съдържат специално зелено вещество - __________ (B). Предпоставка за образуването на органични вещества в допълнение към водата и въглеродния диоксид е __________ (D).
Списък с термини:
1) дишане
2) изпаряване
3) левкопласт
4) храна
5) светлина
6) фотосинтеза
7) хлоропласт
8) хлорофил

Отговор

Изберете един, най-правилният вариант. В клетките първичният синтез на глюкоза се извършва в
1) митохондрии
2) ендоплазмен ретикулум
3) Комплекс Голджи
4) хлоропласти

Отговор

Изберете един, най-правилният вариант. Кислородните молекули в процеса на фотосинтеза се образуват поради разлагането на молекулите
1) въглероден диоксид
2) глюкоза
3) АТФ
4) вода

Отговор

Изберете един, най-правилният вариант. Верни ли са следните твърдения за фотосинтезата? А) В светлинната фаза енергията на светлината се преобразува в енергията на химичните връзки на глюкозата. Б) Реакции на тъмна фаза протичат върху тилакоидни мембрани, в които влизат молекули на въглероден диоксид.
1) само А е вярно
2) само B е вярно
3) и двете твърдения са верни
4) и двете съждения са погрешни

Отговор

1. Задайте правилната последователност на процесите, протичащи по време на фотосинтезата. Запишете числата, под които са посочени в таблицата.
1) Използване на въглероден диоксид
2) Образуване на кислород
3) Синтез на въглехидрати
4) Синтез на АТФ молекули
5) Възбуждане на хлорофил

Отговор

2. Задайте правилната последователност на процесите на фотосинтеза.
1) преобразуване на слънчевата енергия в АТФ енергия
2) образуване на възбудени хлорофилни електрони
3) фиксиране на въглероден диоксид
4) образуване на нишесте
5) преобразуване на енергията на АТФ в енергия на глюкоза

Отговор

3. Задайте последователността на процесите, протичащи по време на фотосинтезата. Запишете съответната последователност от числа.

2) Разграждане на АТФ и освобождаване на енергия
3) синтез на глюкоза
4) синтез на АТФ молекули
5) възбуждане на хлорофил

Отговор

Изберете три характеристики на структурата и функциите на хлоропластите
1) вътрешните мембрани образуват кристи
2) много реакции протичат в зърната
3) в тях се осъществява синтез на глюкоза
4) са мястото на синтеза на липиди
5) се състои от две различни частици
6) двумембранни органели

Отговор

Идентифицирайте три верни твърдения от общия списък и запишете числата, под които са посочени в таблицата. По време на светлинната фаза на фотосинтезата,
1) фотолиза на вода
2) редукция на въглеродния диоксид до глюкоза
3) синтеза на АТФ молекули поради енергията на слънчевата светлина
4) комбинацията от водород с носителя NADP +
5) използване на енергията на молекулите на АТФ за синтеза на въглехидрати

Отговор

Всички изброени по-долу характеристики, с изключение на две, могат да се използват за описание на светлинната фаза на фотосинтезата. Идентифицирайте два знака, които „изпадат“ от общия списък, и запишете числата, под които са посочени.
1) образува се страничен продукт - кислород
2) се среща в стромата на хлоропласта
3) свързване на въглероден диоксид
4) Синтез на АТФ
5) фотолиза на вода

Отговор

Изберете един, най-правилният вариант. Процесът на фотосинтеза трябва да се разглежда като една от важните връзки във въглеродния цикъл в биосферата, тъй като по време на
1) растенията включват въглерод от неживата природа в живата
2) растенията отделят кислород в атмосферата
3) организмите отделят въглероден диоксид по време на дишане
4) промишленото производство попълва атмосферата с въглероден диоксид

Отговор

Установете съответствие между етапите на процеса и процесите: 1) фотосинтеза, 2) биосинтеза на протеини. Напишете числата 1 и 2 в правилния ред.
А) освобождаване на свободен кислород
Б) образуване на пептидни връзки между аминокиселините
В) синтез на иРНК върху ДНК
Г) процес на превод
Г) възстановяване на въглехидратите
E) превръщане на NADP + в NADP 2H

Отговор

Изберете клетъчните органели и техните структури, участващи в процеса на фотосинтеза.
1) лизозоми
2) хлоропласти
3) тилакоиди
4) зърна
5) вакуоли
6) рибозоми

Отговор

Термините, изброени по-долу, с изключение на два, се използват за описание на пластиди. Определете два термина, които „изпадат“ от общия списък, и запишете числата, под които са посочени в таблицата.
1) пигмент
2) гликокаликс
3) грана
4) Криста
5) тилакоид

Отговор

Отговор

Всички изброени по-долу характеристики, с изключение на две, могат да се използват за описание на процеса на фотосинтеза. Идентифицирайте две характеристики, които „изпадат“ от общия списък, и запишете в отговор числата, под които са посочени.
1) Светлинната енергия се използва за извършване на процеса.
2) Процесът протича в присъствието на ензими.
3) Централната роля в процеса принадлежи на молекулата на хлорофила.
4) Процесът е придружен от разграждане на глюкозната молекула.
5) Процесът не може да се случи в прокариотните клетки.

Отговор

Понятията, изброени по-долу, с изключение на две, се използват за описание на тъмната фаза на фотосинтезата. Идентифицирайте две понятия, които „изпадат“ от общия списък, и запишете числата, под които са посочени.
1) фиксиране на въглероден диоксид
2) фотолиза
3) окисление на NADP 2H
4) грана
5) строма

Отговор

Изброените по-долу знаци, с изключение на два, се използват за описание на структурата и функциите на изобразения клетъчен органоид. Идентифицирайте два знака, които „изпадат“ от общия списък, и запишете числата, под които са посочени.
1) разделя биополимерите на мономери
2) натрупва АТФ молекули
3) осигурява фотосинтеза
4) се отнася до двумембранни органели
5) има полуавтономност

Отговор

© Д. В. Поздняков, 2009-2019

Фотосинтеза- процесът на синтез на органични вещества поради енергията на светлината. Организмите, които са способни да синтезират органични вещества от неорганични съединения, се наричат ​​автотрофни. Фотосинтезата е характерна само за клетките на автотрофни организми. Хетеротрофните организми не са в състояние да синтезират органични вещества от неорганични съединения.
Клетките на зелените растения и някои бактерии имат специални структури и комплекси от химикали, които им позволяват да улавят енергията на слънчевата светлина.

Ролята на хлоропластите във фотосинтезата

В растителните клетки има микроскопични образувания – хлоропласти. Това са органели, в които енергията и светлината се усвояват и преобразуват в енергията на АТФ и други молекули – енергийни носители. Зърната на хлоропластите съдържат хлорофил, сложно органично вещество. Хлорофилът улавя енергията на светлината за използване в биосинтеза на глюкоза и други органични вещества. Ензимите, необходими за синтеза на глюкоза, също се намират в хлоропластите.

Светлинна фаза на фотосинтезата

Квант червена светлина, погълнат от хлорофила, поставя електрона във възбудено състояние. Възбуден от светлина електрон придобива голям запас от енергия, в резултат на което преминава на по-високо енергийно ниво. Възбуден от светлина електрон може да се сравни с камък, издигнат на височина, който също придобива потенциална енергия. Той я губи, падайки от високо. Възбуденият електрон, сякаш на стъпки, се движи по веригата от сложни органични съединения, вградени в хлоропласта. Преминавайки от един етап към друг, електронът губи енергия, която се използва за синтеза на АТФ. Електронът, който губи енергия, се връща в хлорофил. Нова порция светлинна енергия отново възбужда електрона на хлорофила. Отново следва същия път, изразходвайки енергия за образуването на молекули АТФ.
При разцепването на водните молекули се образуват водородни йони и електрони, необходими за редукция на молекулите енергийни носители. Разграждането на водните молекули в хлоропластите се извършва от специален протеин под въздействието на светлина. Този процес се нарича фотолиза на вода.
Така енергията на слънчевата светлина се използва директно от растителната клетка за:
1. възбуждане на хлорофилни електрони, чиято енергия се изразходва допълнително за образуване на АТФ и други молекули енергийни носители;
2. фотолиза на вода, доставяща водородни йони и електрони към светлинната фаза на фотосинтезата.
В този случай кислородът се отделя като страничен продукт от реакциите на фотолиза. Етапът, през който благодарение на енергията на светлината се образуват богати на енергия съединения - АТФ и молекули енергийни носители,Наречен светлинна фаза на фотосинтезата.

Тъмна фаза на фотосинтезата

Хлоропластите съдържат петвъглеродни захари, една от които е рибулозен дифосфат, е уловител на въглероден диоксид. Специален ензим свързва петвъглеродната захар с въглеродния диоксид във въздуха. В този случай се образуват съединения, които поради енергията на АТФ и други молекули енергийни носители се редуцират до глюкозна молекула с шест въглерода. Така светлинната енергия, преобразувана по време на светлинната фаза в енергията на АТФ и други молекули енергийни носители, се използва за синтезиране на глюкоза. Тези процеси могат да се извършват на тъмно.
Беше възможно да се изолират хлоропласти от растителни клетки, които извършват фотосинтеза в епруветка под действието на светлината - те образуват нови молекули на глюкоза, като същевременно абсорбират въглероден диоксид. Ако осветяването на хлоропластите беше спряно, тогава синтезът на глюкоза също беше спрян. Въпреки това, ако към хлоропластите се добавят АТФ и редуцирани молекули енергийни носители, тогава синтезът на глюкоза се възобновява и може да продължи на тъмно. Това означава, че светлината наистина е необходима само за синтеза на АТФ и зареждането на молекулите енергийни носители. Абсорбция на въглероден диоксид и образуване на глюкоза в растениятаНаречен тъмна фаза на фотосинтезатазащото може да ходи в тъмното.
Интензивното осветление, повишеният въглероден диоксид във въздуха водят до увеличаване на активността на фотосинтезата.

Фотосинтеза без хлорофил

Пространствена локализация

Фотосинтезата на растенията се извършва в хлоропласти: изолирани двумембранни клетъчни органели. Хлоропластите могат да бъдат в клетките на плодовете, стъблата, но основният орган на фотосинтезата, анатомично пригоден за управлението му, е листът. В листа тъканта на палисадния паренхим е най-богата на хлоропласти. При някои сукуленти с изродени листа (като кактуси) основната фотосинтетична активност е свързана със стъблото.

Светлината за фотосинтеза се улавя по-пълно поради плоската форма на листа, осигуряваща голямо съотношение повърхност към обем. Водата се доставя от корена чрез развита мрежа от съдове (листни жилки). Въглеродният диоксид навлиза частично чрез дифузия през кутикулата и епидермиса, но по-голямата част от него дифундира в листа през устицата и през листа през междуклетъчното пространство. Растенията, които извършват CAM фотосинтеза, са формирали специални механизми за активно усвояване на въглероден диоксид.

Вътрешното пространство на хлоропласта е изпълнено с безцветно съдържание (строма) и проникнато с мембрани (ламели), които, когато се комбинират една с друга, образуват тилакоиди, които от своя страна се групират в купчини, наречени грана. Интратилакоидното пространство е отделено и не комуникира с останалата част от стромата, също така се предполага, че вътрешното пространство на всички тилакоиди комуникира помежду си. Светлинните етапи на фотосинтезата са ограничени до мембраните; автотрофно фиксиране на CO 2 се осъществява в стромата.

Хлоропластите имат собствена ДНК, РНК, рибозоми (тип 70s), протеиновият синтез е в ход (въпреки че този процес се контролира от ядрото). Те не се синтезират отново, а се образуват чрез разделяне на предишните. Всичко това направи възможно те да се считат за потомци на свободни цианобактерии, които станаха част от еукариотната клетка в процеса на симбиогенеза.

Фотосистема I

Комплексът за събиране на светлина I съдържа приблизително 200 хлорофилни молекули.

Реакционният център на първата фотосистема съдържа димер на хлорофил а с максимум на абсорбция при 700 nm (P700). След възбуждане от квант светлина, той възстановява първичния акцептор - хлорофил а, този - вторичен (витамин К 1 или филохинон), след което електронът се прехвърля към фередоксин, който възстановява NADP с помощта на ензима фередоксин-NADP-редуктаза.

Протеинът пластоцианин, редуциран в b 6 f комплекса, се транспортира до реакционния център на първата фотосистема от страната на интратилакоидното пространство и прехвърля електрон към окисления P700.

Цикличен и псевдоцикличен електронен транспорт

В допълнение към пълния нецикличен електронен път, описан по-горе, са открити циклични и псевдоциклични пътища.

Същността на цикличния път е, че фередоксин вместо NADP възстановява пластохинон, който го прехвърля обратно към b 6 f комплекса. Резултатът е по-голям протонен градиент и повече АТФ, но няма NADPH.

В псевдоцикличния път фередоксинът намалява кислорода, който допълнително се превръща във вода и може да се използва във фотосистема II. Той също така не произвежда NADPH.

тъмна сцена

В тъмния стадий, с участието на ATP и NADPH, CO 2 се редуцира до глюкоза (C 6 H 12 O 6). Въпреки че светлината не е необходима за този процес, тя участва в регулирането му.

C 3 -фотосинтеза, цикъл на Калвин

В третия етап участват 5 PHA молекули, които чрез образуването на 4-, 5-, 6- и 7-въглеродни съединения се комбинират в 3 5-въглерод рибулоза-1,5-бифосфат, който изисква 3ATP .

И накрая, два PHA са необходими за синтеза на глюкоза. За образуването на една от неговите молекули са необходими 6 оборота на цикъла, 6 CO 2, 12 NADPH и 18 ATP.

С4-фотосинтеза

Основни статии: Цикъл Хеч-Слак-Карпилов, С4 фотосинтеза

При ниска концентрация на CO 2, разтворен в стромата, рибулоза бифосфат карбоксилазата катализира реакцията на окисление на рибулоза-1,5-бифосфат и разграждането му до 3-фосфоглицеринова киселина и фосфогликолова киселина, която се използва принудително в процеса на фотодишане.

За увеличаване на концентрацията на CO 2 C 4 растенията са променили анатомията на листа. Цикълът на Калвин при тях се локализира в клетките на обвивката на проводящия сноп, докато в клетките на мезофила под действието на PEP-карбоксилазата фосфоенолпируватът се карбоксилира до образуване на оксалооцетна киселина, която се превръща в малат или аспартат и се транспортиран до клетките на обвивката, където се декарбоксилира с образуването на пируват, който се връща в клетките на мезофила.

С 4 фотосинтезата практически не е придружена от загуби на рибулоза-1,5-бифосфат от цикъла на Калвин, поради което е по-ефективна. За синтеза на 1 глюкозна молекула обаче са необходими не 18, а 30 АТФ. Това се отплаща в тропиците, където горещият климат изисква поддържане на устицата затворени, предотвратяване на навлизането на CO2 в листа, а също и в грубата житейска стратегия.

CAM фотосинтеза

По-късно беше установено, че освен че отделят кислород, растенията абсорбират въглероден диоксид и с участието на вода синтезират органична материя на светлината. В Робърт Майер, въз основа на закона за запазване на енергията, той постулира, че растенията преобразуват енергията на слънчевата светлина в енергията на химическите връзки. В W. Pfeffer нарича този процес фотосинтеза.

Хлорофилите са изолирани за първи път в P. J. Peltier и J. Cavent. М. С. Цвет успява да отдели пигментите и да ги изследва поотделно, използвайки създадения от него хроматографски метод. Спектрите на абсорбция на хлорофила са изследвани от К. А. Тимирязев, който, развивайки разпоредбите на Майер, показа, че именно абсорбираните лъчи позволяват да се увеличи енергията на системата чрез създаване на високоенергийни C-C вместо слаби C-O и O-H връзки (преди това се смяташе, че при фотосинтезата се използват жълти лъчи, които не се абсорбират от листните пигменти). Това беше направено благодарение на създадения от него метод за отчитане на фотосинтезата чрез погълнат CO 2: в хода на експериментите за осветяване на растение със светлина с различни дължини на вълната (с различни цветове) се оказа, че интензивността на фотосинтезата съвпада с абсорбционен спектър на хлорофила.

Редокс същността на фотосинтезата (както кислородна, така и аноксигенна) е постулирана от Корнелис ван Нил. Това означаваше, че кислородът при фотосинтезата се образува изцяло от вода, което беше експериментално потвърдено от A.P. Vinogradov в експерименти с изотопно маркиране. В г-н Робърт Хил установява, че процесът на окисляване на водата (и освобождаване на кислород), както и на усвояването на CO 2 могат да бъдат отделени. В. Д. Арнон установява механизма на светлинните етапи на фотосинтезата, а същността на процеса на асимилация на CO 2 е разкрита от Мелвин Калвин с помощта на въглеродни изотопи в края на 40-те години на миналия век, за тази работа той е удостоен с Нобелова награда.

Други факти

Вижте също

литература

• Хол Д., Рао К.Фотосинтеза: Пер. от английски. - М.: Мир, 1983.
• Физиология на растенията / изд. проф. Ермакова И. П. - М .: Академия, 2007
• Молекулярна биология на клетката / Албертис Б., Брей Д. и др. В 3 тома. - М.: Мир, 1994
• Рубин А. Б.Биофизика. В 2 тома. - М.: Изд. Московски университет и наука, 2004 г.
• Чернавская Н. М.,