Къде се извършва фотосинтезата. Как растенията произвеждат кислород

Назад напред

Внимание! Предварителният преглед на слайда е само за информационни цели и може да не представлява пълния обхват на презентацията. Ако се интересувате от тази работа, моля, изтеглете пълната версия.

задачи:Да формират знания за реакциите на пластичния и енергийния обмен и връзката им; припомнете си структурните особености на хлоропластите. Опишете светлите и тъмните фази на фотосинтезата. Покажете значението на фотосинтезата като процес, който осигурява синтеза на органични вещества, усвояването на въглероден диоксид и освобождаването на кислород в атмосферата.

Тип урок:лекция.

Оборудване:

1. Нагледни помагала: таблици по обща биология;
2. TCO: компютър; мултимедиен проектор.

План на лекцията:

1. История на изучаването на процеса.
2. Експерименти с фотосинтеза.
3. Фотосинтезата като анаболен процес.
4. Хлорофилът и неговите свойства.
5. Фотосистеми.
6. Светлинната фаза на фотосинтезата.
7. Тъмна фаза на фотосинтезата.
8. Ограничаващи фактори на фотосинтезата.

Напредък на лекцията

История на изучаването на фотосинтезата

1630 година от началото на изучаването на фотосинтезата . Ван Хелмонтдоказано, че растенията образуват органични вещества, а не ги получават от почвата. Претегляйки саксия с пръст и върба, и отделно самото дърво, той показа, че след 5 години теглото на дървото се е увеличило със 74 кг, докато почвата е загубила само 57 г. Той решава, че дървото получава храна от водата. Сега знаем, че се използва въглероден диоксид.

AT 1804 г. Сосюрустанови, че водата играе важна роля в процеса на фотосинтеза.

AT 1887 готкрити хемосинтетични бактерии.

AT 1905 г. Блекманустанови, че фотосинтезата се състои от две фази: бърза - светлина и поредица от последователни бавни реакции на тъмната фаза.

Експерименти с фотосинтеза

1 опит доказва важността на слънчевата светлина (фиг. 1.)	2 опит доказва значението на въглеродния диоксид за фотосинтезата (фиг. 2.)
3 опит доказва важността на фотосинтезата (фиг. 3.)

Фотосинтезата като анаболен процес

1. Всяка година в резултат на фотосинтезата се образуват 150 милиарда тона органична материя и 200 милиарда тона свободен кислород.
2. Цикъл на кислород, въглерод и други елементи, участващи във фотосинтезата. Поддържа съвременния състав на атмосферата, необходим за съществуването на съвременните форми на живот.
3. Фотосинтезата предотвратява увеличаването на концентрацията на въглероден диоксид, предотвратявайки прегряване на Земята поради парниковия ефект.
4. Фотосинтезата е в основата на всички хранителни вериги на Земята.
5. Енергията, съхранявана в продуктите, е основният източник на енергия за човечеството.

Същността на фотосинтезатасе състои в превръщането на светлинната енергия на слънчевия лъч в химическа енергия под формата на ATP и NADP·H 2.

Общото уравнение на фотосинтезата е:

6CO2 + 6H2O→C6H12O6 + 6O2

Има два основни типа фотосинтеза:

Хлорофилът и неговите свойства

Видове хлорофил

Хлорофилът има модификации a, b, c, d. Те се различават по структурна структура и спектър на поглъщане на светлина. Например: хлорофил b съдържа един кислороден атом повече и два водородни атома по-малко от хлорофил а.

Всички растения и оксифотобактерии имат жълто-зелен хлорофил а като основен пигмент и хлорофил b като допълнителен пигмент.

Други растителни пигменти

Някои други пигменти са в състояние да абсорбират слънчевата енергия и да я прехвърлят на хлорофил, като по този начин го включват във фотосинтезата.

Повечето растения имат тъмно оранжев пигмент - каротин, който в животинския организъм се превръща във витамин А и жълт пигмент - ксантофил.

Фикоцианини фикоеритрин- съдържат червени и синьо-зелени водорасли. При червените водорасли тези пигменти участват по-активно в процеса на фотосинтеза, отколкото хлорофила.

Хлорофилът поглъща минимално светлината в синьо-зелената част на спектъра. Хлорофил а, b - във виолетовата област на спектъра, където дължината на вълната е 440 nm. Уникалната функция на хлорофиласе състои във факта, че той интензивно поглъща слънчевата енергия и я предава на други молекули.

Пигментите поглъщат определена дължина на вълната, неабсорбираните части от слънчевия спектър се отразяват, което осигурява цвета на пигмента. Зелената светлина не се абсорбира, така че хлорофилът е зелен.

Пигментиса химични съединения, които абсорбират видимата светлина, причинявайки възбуждане на електроните. Колкото по-къса е дължината на вълната, толкова по-голяма е енергията на светлината и толкова по-голяма е нейната способност да прехвърля електрони във възбудено състояние. Това състояние е нестабилно и скоро цялата молекула се връща в обичайното си нискоенергийно състояние, губейки енергията на възбуждане. Тази енергия може да се използва за флуоресценция.

Фотосистеми

Растителните пигменти, участващи във фотосинтезата, са "опаковани" в хлоропластни тилакоиди под формата на функционални фотосинтетични единици - фотосинтетични системи: фотосистема I и фотосистема II.

Всяка система се състои от набор от спомагателни пигменти (от 250 до 400 молекули), които предават енергия на една молекула от основния пигмент и се нарича реакционен център. Той използва слънчева енергия за фотохимични реакции.

Светлата фаза върви задължително с участието на светлината, тъмната фаза както на светло, така и на тъмно. Светлият процес протича в тилакоидите на хлоропластите, тъмният процес протича в стромата, т.е. тези процеси са пространствено разделени.

Светлинна фаза на фотосинтезата

AT 1958 Арнони неговите сътрудници изучават светлинната фаза на фотосинтезата. Те открили, че светлината е източник на енергия по време на фотосинтезата и тъй като в светлината в синтеза на хлорофил от ADP + F.c. → ATP, тогава този процес се нарича фосфорилиране.Свързва се с преноса на електрони в мембраните.

Ролята на светлинните реакции: 1. Синтез на АТФ – фосфорилиране. 2. Синтез на NADP.H 2 .

Пътят за транспортиране на електрони се нарича Z-схема.

Z-схема. Ациклично и циклично фотофосфорилиране(фиг. 6.)

В хода на цикличния електронен транспорт няма образуване на NADP.H 2 и фоторазлагане на H 2 O, а оттам и освобождаване на O 2. Този път се използва, когато има излишък от NADP.H 2 в клетката, но е необходим допълнителен АТФ.

Всички тези процеси принадлежат към светлинната фаза на фотосинтезата. В бъдеще енергията на ATP и NADP.H 2 се използва за синтезиране на глюкоза. Този процес не изисква светлина. Това са реакции на тъмната фаза на фотосинтезата.

Тъмна фаза на фотосинтезата или цикъл на Калвин

Синтезът на глюкоза се осъществява по време на цикличен процес, който е кръстен на учения Мелвин Калвин, който го открива и е удостоен с Нобелова награда.

Ориз. 8. Цикъл на Калвин

Всяка реакция от цикъла на Калвин се осъществява от собствен ензим. За образуването на глюкоза се използват: CO 2 , протони и електрони от NADP.H 2 , енергията на ATP и NADP.H 2 . Процесът протича в стромата на хлоропласта. Началното и крайното съединение на цикъла на Калвин, към което с помощта на ензим рибулоза дифосфат карбоксилаза CO2 се присъединява, е петвъглеродна захар - рибулозен бифосфатсъдържащи две фосфатни групи. В резултат на това се образува съединение с шест въглерода, което веднага се разпада на две молекули с три въглерода. фосфоглицеринова киселина, които след това се възстановяват фосфоглицералдехид. В същото време част от получения фосфоглицералдехид се използва за регенериране на рибулозния бифосфат и по този начин цикълът се подновява отново (5C 3 → 3C 5), а част се използва за синтез на глюкоза и други органични съединения (2C 3 → C 6 → C6H12O6).

За образуването на една молекула глюкоза са необходими 6 оборота на цикъла и са необходими 12NADP.H 2 и 18 ATP. От общото уравнение на реакцията излиза:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

От горното уравнение може да се види, че атомите C и O са влезли в глюкоза от CO 2, а водородните атоми от H 2 O. По-късно глюкозата може да се използва както за синтеза на сложни въглехидрати (целулоза, нишесте), така и за образуването на протеини и липиди.

(C 4 - фотосинтеза. През 1965 г. е доказано, че в захарната тръстика първите продукти на фотосинтезата са киселини, съдържащи четири въглеродни атома (ябълчена, оксалооцетна, аспарагинова). Царевицата, соргото, просото принадлежат към С 4 растенията).

Ограничаващи фактори на фотосинтезата

Скоростта на фотосинтезата е най-важният фактор, влияещ върху добива на земеделски култури. Така че за тъмните фази на фотосинтезата са необходими NADP.H 2 и ATP и следователно скоростта на тъмните реакции зависи от светлинните реакции. При слаба светлина скоростта на образуване на органична материя ще бъде ниска. Така че светлината е ограничаващият фактор.

От всички фактори, които едновременно влияят върху процеса на фотосинтеза ограничаванеще бъде този, който е по-близо до минималното ниво. Той е инсталиран Блекман през 1905 г. Различни фактори могат да бъдат ограничаващи, но един от тях е основният.

Космическа роля на растенията(описано К. А. Тимирязев) се крие във факта, че растенията са единствените организми, които усвояват слънчевата енергия и я акумулират под формата на потенциална химическа енергия на органични съединения. Освободеният O 2 подпомага жизнената дейност на всички аеробни организми. От кислорода се образува озон, който предпазва всички живи същества от ултравиолетовите лъчи. Растенията използваха огромно количество CO 2 от атмосферата, чийто излишък създаде "парников ефект" и температурата на планетата падна до сегашните си стойности.

С образуването на O 2 е най-важното събитие в. , което направи светлината на Слънцето основен източник-своб. енергия, но - практически неограничен източник за синтез на в-в-жив. В резултат на това модерното състав, O 2 стана достъпен за храна (виж) и това доведе до появата на високи организми. хетеротрофни (използвани като източник на екзогенна орг. ин-ва).

ДОБРЕ. 7% орг. Човекът използва продуктите на фотосинтезата за храна, като храна за животни, а също и във формата и изграждането. материал. Вкаменелост също е продукт на фотосинтезата. Консумацията му в кон. 20-ти век приблизително равен на растежа на биомасата.

Общото съхранение на енергията на слънчевата радиация под формата на продукти на фотосинтезата е прибл. 1,6 10 21 kJ на година, което е около 10 пъти по-високо от сегашното. енергичен. човешка консумация. Приблизително половината от енергията на слънчевата радиация пада върху видимата област на спектъра (дължина на вълната l от 400 до 700 nm), която се използва за фотосинтеза (физиологично активно лъчение, или PAR). IR лъчението не е подходящо за фотосинтеза на произвеждащи кислород (висши растения и водорасли), но се използва от някои фотосинтезиращи бактерии.

Поради факта, че те съставляват основната маса биосинтетични продукти. растителна дейност, хим. Скоростта на фотосинтеза обикновено се записва като:

За тази р-ция 469,3 kJ / , намаление от 30,3 J / (K mol), -479 kJ / . Квантова консумация на фотосинтеза за едноклетъчни водорасли в лабораторията. условия е 8-12 кванта на CO 2 . Използването по време на фотосинтеза на енергията на слънчевата радиация, достигаща до земната повърхност, е не повече от 0,1% от общия PAR. Найб. Продуктивните растения (напр. захарна тръстика) поглъщат прибл. 2% от енергията на падащото лъчение, а културите - до 1%. Обикновено общата продуктивност на фотосинтезата е ограничена от съдържанието на CO 2 в (0,03-0,04% обемни), интензитета на светлината и t-роя. Зрели листа спанак в нормален състав при 25 0 C в светлината на насищане интензивност (под слънчева светлина) дават няколко. литра O 2 на час на грам или на килограм сух. За водорасли Chlorella pyrenoidosa при 35 0 C увеличението на CO 2 от 0,03 до 3% позволява увеличаване на производството на O 2 с 5 пъти, такова активиране е границата.

Бактериална фотосинтеза и обща скорост на фотосинтеза.Наред с фотосинтезата на висши растения и водорасли, придружена от освобождаване на O 2, в природата се извършва бактериална фотосинтеза, в Кром не се окислява, а се възстановяват други съединения с по-изразено. св. ти например. H2S, SO2. по време на бактериална фотосинтеза не се отделя, например:

Фотосинтезиращите бактерии са в състояние да използват не само видимо, но и близко IR лъчение (до 1000 nm) в съответствие със спектрите на абсорбция на преобладаващите в тях бактериохлорофили. Бактериалната фотосинтеза не е от съществено значение за глобалното съхранение на слънчева енергия, но е важна за разбирането на общите механизми на фотосинтезата. В допълнение, локално аноксичната фотосинтеза може да допринесе значително за общата продуктивност на планктона. Така че в Черно море броят на бактериохлорофила в колоната на редица места е приблизително същият.

Като се вземат предвид данните за фотосинтезата на висши растения, водорасли и фотосинтезиращи бактерии, обобщеното уравнение на фотосинтезата може да се запише като:

Ф Отосинтезата е пространствено и времево разделена на два относително отделни процеса: светъл етап и тъмен етап на CO2 (фиг. 1). И двата етапа се извършват при висшите растения и водораслите в специализираните. органели - . Изключение правят синьо-зелените водорасли (цианобактерии), които нямат фотосинтетичен апарат, който е отделен от цитоплазмата. .

В реакция. центърът на фотосинтезата, където възбуждането се предава с почти 100% вероятност, възниква първичен р-ция между фотохимично активния а (бактериохлорофил в бактериите) и първичния акцептор (РА). Други области в тилакоидите се срещат между в тяхната DOS. състояния и не изискват възбуждане от светлина. Тези области са организирани в електронна транспортна верига - последователност от фиксирани носители. Електронната транспортна верига на висши растения и водорасли съдържа два фотохимия. центрове (фотосистеми), действащи последователно (фиг. 2), в бактериалната електрон транспортна верига - един (фиг. 3).

Във фотосистема II на висши растения и водорасли, синглетът, възбуден a в центъра на P680 (числото 680 показва, че максималните спектрални промени на системата при възбуждане от светлина е близо 680 nm) се предава чрез междинен акцептор на феофитин (PHEO, аналог без магнезий), образувайки. Радикалният анион на редуцирания феофитин освен това служи за свързания пластохинон (HRP*; различава се от заместителите в хиноидния пръстен), координиран с Fe 3+ (в бактериите има подобен Fe 3+ -убихинонов комплекс). След това се пренася по веригата, включително свободен пластохинон (HRP), който присъства в излишък по отношение на останалите компоненти на веригата, след това (C) b 6 и f, които образуват комплекс с желязо-сярен център, чрез съдържаща медпластоцианин (PC; mol. w. 10400) към реакционния център на фотосистема I.

Центровете се възстановяват бързо, като преминават през редица интервали. превозвачи от . Образуването на O 2 изисква последователност. четворно възбуждане на реакционния център на P фотосистемата и се катализира от мембранен комплекс, съдържащ Mn.

Фотосистема I може да действа автономно без контакт със система II. В този случай циклично трансферът (показан с пунктирана линия на диаграмата) е придружен от NADPH, а не от NADPH. Образува се в светлинен стадий

NADPH и се използват в тъмния стадий на фотосинтезата, по време на който отново се образуват NADP и.

Електронните транспортни вериги на фотосинтезиращите бактерии по своите основни характеристики са подобни на отделните фрагменти от тези в хлорофилите на висшите растения. На фиг. 3 показва веригата за транспортиране на електрони на лилавите бактерии.

Тъмна фаза на фотосинтезата.Всички фотосинтезиращи, произвеждащи O 2, както и някои фотосинтезиращи бактерии, първо редуцират CO 2 до т.нар. Цикъл на Калвин. При фотосинтезиращите бактерии очевидно има и други механизми. По-голямата част от цикъла на Калвин се намира в разтворимо състояние в стромата.

Опростена циклична диаграма е показана на фиг. 4. Първи етап - рибулоза-1,5-дифосфат и хидролизиране на продукта с образуването на два 3-фосфоглицерол към-ти. Тази С3-киселина се фосфорилира до образуване на 3-фосфоглицероилфосфат, който след това се редуцира от NADPH до глицералдехид-3-фосфат. Полученият триозен фосфат след това влиза в серия от р-ции и пренареждания, давайки 3 рибулоза-5-фосфат. Последният се фосфорилира с участието с образуването на рио-лозо-1,5-дифосфат и по този начин цикълът се затваря. Един от получените 6 глицералдехид-3-фосфат се превръща в глюкоза-6-фосфат и след това се използва за синтез или се изолира от. Глицералдехид-3-фосфат може също да се превърне в 3-глицерофосфат и след това в. Триозо, идващи от , се преобразуват в main. в, ръбовете се прехвърлят от листа към други части на растението.

В един пълен ход на цикъла на Калвин, 9 и 6 NADPH се изразходват за образуване на една 3-фосфоглицеролова киселина. Енергия ефективност на цикъла (съотношението на енергията на фотоните, необходима за фотосинтезата и образуването на NADPH към DG 0 от CO 2), като се вземат предвид активните в стромата, е 83%. В самия цикъл на Калвин няма фотохимикали. етапи, но светлите етапи могат косвено да го повлияят (включително областите, които не изискват или NADPH) чрез промени в Mg 2+ и H +, както и нивото на редукция.

Някои висши растения, които са се адаптирали към висок интензитет на светлината и топъл климат (напр. захарна тръстика, царевица), са в състояние допълнително да фиксират предварително CO 2. C 4-цикъл. В същото време CO 2 първо се включва в обмена на четири въглеродни дикарбоксилни киселини, които след това се декарбоксилират, където е локализиран цикълът на Калвин. C 4 -Цикълът е характерен за растения със специална анатомична. структура на листата и разделение на функциите между два вида кактуси, млечни и други устойчиви на суша растения, е характерно частично разделяне на фиксиране на CO 2 и фотосинтеза във времето (CAM-обмен, или обмен тип Crassulaceae; CAM съкратено от английски Crassulaceae acid metabolism ). През деня устицата (канали, през които се осъществява газообмен) се затварят, за да се намалят. В същото време доставката на CO 2 също е затруднена. През нощта устицата се отварят, CO 2 се фиксира под формата на фосфоенол-пировиноградна киселина, за да образува C 4 киселини, които се декарбоксилират през деня, а освободеният CO 2 по същото време се включва в цикъла на Калвин (фиг. 6).

Фотосинтеза на халобактерии.Единственият нехлорофилен начин за съхранение на светлинна енергия, известен в природата, се осъществява от бактерията Halobacterium halobium. Ha ярка светлина с намалена концентрация на хлорофил. Това най-накрая беше доказано чрез масспектрометрия. метод (С. Рубен, М. Камен, както и А. П. Виноградов и Р. В. Тейс, 1941).

През 1935-41 г. К. Ван Нил обобщава данни за фотосинтезата на висши растения и бактерии и предлага общо уравнение, обхващащо всички видове фотосинтеза.X. Gaffron и K. Wohl, както и L. Duysens през 1936-52 г. на базата на количествата. измерванията на добива на продуктите на фотосинтезата на погълнатата светлина и съдържанието формулират концепцията за "фотосинтетична единица" - ансамбъл, който извършва събиране на светлина и обслужва фотохимията. Център.

През 40-50-те години. М. Калвин, използвайки 14 С, разкрива механизма на фиксиране на CO 2 . D. Arnon (1954) открива фотофосфорилирането (инициирано от светлина от и H 3 PO 4) и формулира концепцията за електронен транспорт в . P. Emerson и Ch.M. Люис (1942-43) открива рязко намаляване на ефективността на фотосинтезата при 700 nm (червено падане или първи ефект на Емерсън), а през 1957 г. Емерсън наблюдава неаддитивно увеличение на фотосинтезата, когато се добавя светлина с нисък интензитет с650 nm до далечна червена светлина (ефект на усилване или втори ефект на Emerson). За това през 60-те години. формулира идеята за последователно действиефотосистеми в електрон транспортната верига на фотосинтезата с максимуми в спектрите на действие близо до 680 и 700 HM.

Основен законите за образуване на O 2 at при фотосинтезата са установени в трудовете на B. Kok и P. Joliot (1969-70). Изясняването на кея е към завършване. организация на мембранния комплекс, катализиращ този процес. През 80-те години. по метода е подробно проучена структурата на отделните компоненти на фотосинтезата. апарати, включително реакционни центрове и комплекси за събиране на светлина (I. Deizenhofer, X. Michel, P. Huber).

Литература: Клейтън Р., Фотосинтех. Физични механизми и химични модели, транс. от английски, М., 1984; "J. Всеруско химическо дружество на името на Д. И. Менделеев", 1986 г., т. 31, № 6; Фотосинтеза, изд. Говинджи, прев. от английски, т. 1-2, М., 1987; Резултати от науката и технологиите,. Биофизика, т. 20-22, М., 1987. М.Г. Голдфелд.

Човешкият живот, както всички живи същества на Земята, е невъзможен без дишане. Ние вдишваме кислород от въздуха и издишваме въглероден диоксид. Защо кислородът не свършва? Оказва се, че въздухът в атмосферата непрекъснато се захранва с кислород. И това насищане се получава именно поради фотосинтезата.

Фотосинтеза - просто и ясно!

Всеки трябва да разбере какво е фотосинтеза. За да направите това, изобщо не е нужно да пишете сложни формули, достатъчно е да разберете важността и магията на този процес.

Основната роля в процеса на фотосинтеза играят растенията - трева, дървета, храсти. Именно в листата на растенията в продължение на милиони години се извършва невероятно преобразуване на въглеродния диоксид в кислород, който е толкова необходим за живота на любителите да дишат. Нека се опитаме да разглобим целия процес на фотосинтеза по ред.

1. Растенията поемат вода от почвата с разтворени в нея минерали – азот, фосфор, манган, калий, различни соли – общо над 50 различни химични елемента. Растенията се нуждаят от него за хранене. Но растенията получават само 1/5 от необходимите вещества от земята. Останалите 4/5 излизат от нищото!

2. Растенията поглъщат въглероден диоксид от въздуха. Същият въглероден диоксид, който издишваме всяка секунда. Растенията дишат въглероден диоксид, точно както ние дишаме кислород. Но и това не е достатъчно.

3. Незаменим компонент в естествената лаборатория е слънчевата светлина. Слънчевите лъчи в листата на растенията събуждат необикновена химическа реакция. Как се случва?

4. В листата на растенията има невероятно вещество - хлорофил. Хлорофилът е в състояние да улавя потока от слънчева светлина и неуморно да преработва получената вода, микроелементи, въглероден диоксид в органични вещества, необходими за всяко живо същество на нашата планета. В този момент растенията отделят кислород в атмосферата! Именно тази работа на хлорофил учените наричат ​​сложна дума - фотосинтеза.

Презентация на тема Фотосинтеза може да изтеглите на образователния портал

И така, защо тревата е зелена?

Сега, когато знаем, че растителните клетки съдържат хлорофил, на този въпрос е много лесно да се отговори. Не без причина от древногръцкия език хлорофилът се превежда като „зелени листа“. За фотосинтеза хлорофилът използва всички лъчи на слънчевата светлина с изключение на зелените. Виждаме трева, листата на растенията са зелени именно защото хлорофилът е зелен.

Значението на фотосинтезата.

Значението на фотосинтезата не може да бъде надценено - без фотосинтеза твърде много въглероден диоксид би се натрупал в атмосферата на нашата планета, повечето живи организми просто не биха могли да дишат и биха умрели. Нашата Земя ще се превърне в безжизнена планета. За да предотвратим това, всеки човек на планетата Земя трябва да помни, че сме много задължени на растенията.

Ето защо е толкова важно да се направят колкото се може повече паркове и зелени площи в градовете. Защитете тайгата и джунглата от унищожение. Или просто засадете дърво близо до къщата. Или счупете клони. Само участието на всеки човек на планетата Земя ще помогне за спасяването на живота на родната им планета.

Но значението на фотосинтезата не се ограничава до превръщането на въглеродния диоксид в кислород. В резултат на фотосинтезата в атмосферата се образува озоновият слой, който предпазва планетата от вредните ултравиолетови лъчи. Растенията са храна за повечето живи същества на Земята. Храната е необходима и полезна. Храненето на растенията също е заслуга на фотосинтезата.

Напоследък хлорофилът се използва активно в медицината. Хората отдавна знаят, че болните животни инстинктивно ядат зелени листа, за да се излекуват. Учените са открили, че хлорофилът е подобен на веществото в човешките кръвни клетки и може да прави истински чудеса.

Фотосинтезата е биосинтеза, състояща се в превръщането на светлинната енергия в органични съединения. Светлината под формата на фотони се улавя от оцветен пигмент, свързан с неорганичен или органичен донор на електрони, и позволява минералният материал да се използва за синтеза (производството) на органични съединения.

С други думи, какво е фотосинтеза – това е процесът на синтезиране на органична материя (захар) от слънчева светлина. Тази реакция се случва на нивото на хлоропластите, които са специализирани клетъчни органели, които позволяват на въглероден диоксид и вода да се консумират за производство на диоксид и органични молекули като глюкоза.

Провежда се в две фази:

Светлинна фаза (фотофосфорилиране) - е набор от зависими от светлина фотохимични (т.е. улавящи светлина) реакции, при които електроните се транспортират през двете фотосистеми (PSI и PSII), за да произведат ATP (богата на енергия молекула) и NADPH (намаляващ потенциал) .

Така светлинната фаза на фотосинтезата позволява директното преобразуване на светлинната енергия в химическа енергия. Именно чрез този процес нашата планета сега има богата на кислород атмосфера. В резултат на това висшите растения са успели да доминират върху повърхността на Земята, осигурявайки храна за много други организми, които се хранят или намират подслон чрез нея. Първоначалната атмосфера съдържаше газове като амоний, азот и въглероден диоксид, но много малко кислород. Растенията са намерили начин да превърнат този CO2 толкова изобилно в храна, използвайки слънчева светлина.

Тъмната фаза съответства на напълно ензимния и независим от светлина цикъл на Калвин, в който аденозин трифосфат (АТФ) и NADPH+H+ (никотин амид аденин динуклеотид фосфат) се използват за превръщане на въглероден диоксид и вода във въглехидрати. Тази втора фаза позволява усвояването на въглеродния диоксид.

Тоест в тази фаза на фотосинтезата, приблизително петнадесет секунди след усвояването на CO, настъпва реакция на синтез и се появяват първите продукти на фотосинтезата - захари: триози, пентози, хексози, хептози. Захарозата и нишестето се образуват от определени хексози. В допълнение към въглехидратите, те също могат да се развият в липиди и протеини чрез свързване с азотна молекула.

Този цикъл съществува във водораслите, растенията с умерен климат и всички дървета; тези растения се наричат ​​"C3 растения", най-важните междинни тела на биохимичния цикъл, имащи молекула от три въглеродни атома (C3).

В тази фаза хлорофилът, след поглъщане на фотон, има енергия от 41 kcal на мол, част от която се превръща в топлина или флуоресценция. Използването на изотопни маркери (18O) показа, че кислородът, освободен по време на този процес, идва от разложена вода, а не от абсорбиран въглероден диоксид.

Фотосинтезата се извършва главно в листата на растенията и рядко (когато) в стъблата и др. Частите на типичния лист включват: горен и долен епидермис;

• мезофил;
• съдов сноп (вени);
• устицата.

Ако клетките на горния и долния епидермис не са хлоропласти, фотосинтезата не настъпва. Всъщност те служат предимно като защита за останалата част от листа.

Устицата са дупки, намиращи се главно в долния епидермис и позволяват обмен на въздух (CO и O2). Съдовите снопове (или вени) в листата са част от транспортната система на растението, като при необходимост придвижват вода и хранителни вещества около растението. Мезофилните клетки имат хлоропласти, това е мястото на фотосинтеза.

Механизмът на фотосинтезата е много сложен.. Тези процеси в биологията обаче са от особено значение. Когато са изложени на силна светлина, хлоропластите (частите от растителната клетка, които съдържат хлорофил), влизайки в реакция на фотосинтеза, комбинират въглероден диоксид (CO) с прясна вода, за да образуват захари C6H12O6.

Те се превръщат в нишесте C6H12O5 по време на реакцията, за квадратен дециметър листна повърхност, средно 0,2 g нишесте на ден. Цялата операция е придружена от силно отделяне на кислород.

Всъщност процесът на фотосинтеза се състои главно от фотолизата на водна молекула.

Формулата за този процес е:

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

Вода + въглероден диоксид + светлина = кислород + глюкоза

• H2O = вода
• CO 2 = въглероден диоксид
• O 2 = Кислород
• C 6 H 12 O 6 \u003d глюкоза

В превод този процес означава: растението се нуждае от шест молекули вода + шест молекули въглероден диоксид и светлина, за да влезе в реакция. Това води до образуването на шест молекули кислород и глюкоза в химичен процес. Глюкозата си е глюкоза, който растението използва като изходен материал за синтеза на мазнини и протеини. Шест молекули кислород са просто "необходимо зло" за растението, което то доставя в околната среда чрез затварящите клетки.

Както вече споменахме, въглехидратите са най-важният пряк органичен продукт на фотосинтезата в повечето зелени растения. В растенията се образува малко свободна глюкоза; вместо това глюкозните единици са свързани, за да образуват нишесте или се комбинират с фруктоза, друга захар, за да образуват захароза.

Фотосинтезата произвежда повече от въглехидрати., както се смяташе някога, но също така:

• аминокиселини;
• протеини;
• липиди (или мазнини);
• пигменти и други органични компоненти на зелените тъкани.

Минералите доставят елементите (напр. азот, N; фосфор, P; сяра, S), необходими за образуването на тези съединения.

Разрушават се химични връзки между кислород (O) и въглерод (C), водород (H), азот и сяра и се образуват нови съединения в продукти, които включват газообразен кислород (O 2 ) и органични съединения. За разрушаване на връзките между кислородаи други елементи (като вода, нитрати и сулфати) изискват повече енергия, отколкото се освобождава, когато се образуват нови връзки в продуктите. Тази разлика в енергията на свързване обяснява голяма част от светлинната енергия, съхранявана като химическа енергия в органични продукти, произведени от фотосинтезата. Допълнителна енергия се съхранява при създаване на сложни молекули от прости.

Фактори, влияещи върху скоростта на фотосинтезата

Скоростта на фотосинтезата се определя в зависимост от скоростта на производство на кислород или на единица маса (или площ) зелени растителни тъкани, или на единица тегло на общия хлорофил.

Количеството светлина, доставката на въглероден диоксид, температурата, водоснабдяването и наличието на минерали са най-важните фактори на околната среда, които влияят върху скоростта на реакцията на фотосинтеза в наземните растения. Скоростта му се определя и от вида на растението и неговото физиологично състояние, като здравето, зрелостта и цъфтежа.

Фотосинтезата се извършва изключително в хлоропластите (гръцки хлор = зелен, подобен на лист) на растението. Хлоропластите се намират предимно в палисадите, но също и в гъбестата тъкан. От долната страна на листа има блокиращи клетки, които координират обмяната на газове. CO 2 се влива в междуклетъчните клетки отвън.

Вода, необходима за фотосинтезата, транспортира растението отвътре през ксилема в клетките. Зеленият хлорофил осигурява усвояването на слънчевата светлина. След като въглеродният диоксид и водата се превърнат в кислород и глюкоза, затварящите клетки се отварят и освобождават кислород в околната среда. Глюкозата остава в клетката и се превръща от растението, наред с другото, в нишесте. Силата се сравнява с глюкозния полизахарид и е слабо разтворим, така че дори при големи загуби на вода в силата на растителните остатъци.

Значението на фотосинтезата в биологията

От светлината, получена от листа, 20% се отразява, 10% се предава и 70% действително се абсорбира, от които 20% се разсейват при топлина, 48% се губят при флуоресценция. Около 2% остават за фотосинтеза.

Чрез този процес растениятаиграят незаменима роля на повърхността на Земята; всъщност зелените растения с някои групи бактерии са единствените живи същества, способни да произвеждат органични вещества от минерални елементи. Смята се, че всяка година 20 милиарда тона въглерод се фиксират от сухоземните растения от въглеродния диоксид в атмосферата и 15 милиарда от водораслите.

Зелените растения са основните първични производители, първото звено в хранителната верига; нехлорофилните растения и тревопасните и хищните животни (включително хората) са напълно зависими от реакцията на фотосинтеза.

Опростена дефиниция на фотосинтезатае да преобразува светлинната енергия от слънцето в химическа енергия. Този фотонен въглехидратен биосинтез се произвежда от въглероден диоксид CO2 с помощта на светлинна енергия.

Тоест фотосинтезата е резултат от химическата активност (синтеза) на хлорофилните растения, които произвеждат основните биохимични органични вещества от вода и минерални соли поради способността на хлоропластите да улавят част от слънчевата енергия.

Фотосинтезата е съвкупност от процеси за образуване на светлинна енергия в енергията на химичните връзки на органичните вещества с участието на фотосинтетичните багрила.

Този тип хранене е характерен за растенията, прокариотите и някои видове едноклетъчни еукариоти.

При естествения синтез въглеродът и водата, при взаимодействие със светлината, се превръщат в глюкоза и свободен кислород:

6CO2 + 6H2O + светлинна енергия → C6H12O6 + 6O2

Съвременната физиология на растенията под понятието фотосинтеза разбира фотоавтотрофната функция, която е съвкупност от процеси на абсорбция, трансформация и използване на кванти на светлинна енергия в различни неспонтанни реакции, включително превръщането на въглеродния диоксид в органична материя.

Фази

Фотосинтеза в растенията се среща в листата чрез хлоропласти- полуавтономни двумембранни органели, принадлежащи към клас пластиди. С плоската форма на листовите плочи се осигурява висококачествено усвояване и пълно използване на светлинна енергия и въглероден диоксид. Водата, необходима за естествения синтез, идва от корените през водопроводната тъкан. Газообменът се осъществява чрез дифузия през устицата и отчасти през кутикулата.

Хлоропластите са изпълнени с безцветна строма и са пропити с ламели, които, когато се комбинират един с друг, образуват тилакоиди. Тук се извършва фотосинтезата. Самите цианобактерии са хлоропласти, така че апаратът за естествен синтез в тях не е изолиран в отделна органела.

Фотосинтезата продължава с участието на пигментикоито обикновено са хлорофили. Някои организми съдържат друг пигмент - каротеноид или фикобилин. Прокариотите притежават пигмента бактериохлорофил и тези организми не отделят кислород при завършване на естествения синтез.

Фотосинтезата преминава през две фази – светла и тъмна. Всеки от тях се характеризира с определени реакции и взаимодействащи вещества. Нека разгледаме по-подробно процеса на фазите на фотосинтезата.

Светещ

Първа фаза на фотосинтезатахарактеризиращ се с образуването на високоенергийни продукти, които са АТФ, клетъчен източник на енергия, и NADP, редуциращ агент. В края на етапа се образува кислород като страничен продукт. Светлинният етап настъпва задължително със слънчева светлина.

Процесът на фотосинтеза протича в тилакоидни мембрани с участието на белтъци носители на електрони, АТФ синтетаза и хлорофил (или друг пигмент).

Функционирането на електрохимичните вериги, чрез които се осъществява трансфер на електрони и частично водородни протони, се образува в сложни комплекси, образувани от пигменти и ензими.

Описание на процеса на светлинната фаза:

1. Когато слънчевата светлина удари листните плочи на растителните организми, в структурата на плочите се възбуждат хлорофилни електрони;
2. В активно състояние частиците напускат пигментната молекула и влизат във външната страна на тилакоида, който е отрицателно зареден. Това се случва едновременно с окисляването и последващата редукция на молекулите на хлорофила, които отнемат следващите електрони от водата, постъпила в листата;
3. След това настъпва фотолиза на водата с образуването на йони, които даряват електрони и се превръщат в OH радикали, които могат да участват в реакции в бъдеще;
4. След това тези радикали се комбинират, за да образуват водни молекули и свободен кислород, изтичащ в атмосферата;
5. Тилакоидната мембрана придобива, от една страна, положителен заряд, дължащ се на водородния йон, а от друга, отрицателен заряд, дължащ се на електроните;
6. С разлика от 200 mV между страните на мембраната, протоните преминават през ензима ATP синтетаза, което води до превръщането на ADP в ATP (процес на фосфорилиране);
7. С атомарния водород, освободен от водата, NADP + се редуцира до NADP H2;

Докато свободният кислород се освобождава в атмосферата по време на реакциите, АТФ и NADP H2 участват в тъмната фаза на естествения синтез.

Тъмно

Задължителен компонент за този етап е въглеродният диоксид., който растенията постоянно поглъщат от външната среда чрез устицата в листата. Процесите на тъмната фаза протичат в стромата на хлоропласта. Тъй като на този етап не се изисква много слънчева енергия и ще има достатъчно ATP и NADP H2, получени по време на светлинната фаза, реакциите в организмите могат да протичат както през деня, така и през нощта. Процесите на този етап са по-бързи, отколкото на предишния.

Съвкупността от всички процеси, протичащи в тъмната фаза, се представя като вид верига от последователни трансформации на въглероден диоксид, идващи от външната среда:

1. Първата реакция в такава верига е фиксирането на въглероден диоксид. Наличието на ензима RiBP-карбоксилаза допринася за бързото и гладко протичане на реакцията, което води до образуването на шествъглеродно съединение, разлагащо се на 2 молекули фосфоглицеринова киселина;
2. Тогава възниква доста сложен цикъл, включващ определен брой реакции, след което фосфоглицериновата киселина се превръща в естествена захар - глюкоза. Този процес се нарича цикъл на Калвин;

Заедно със захарта се получава и образуването на мастни киселини, аминокиселини, глицерол и нуклеотиди.

Същността на фотосинтезата

От таблицата за сравнение на светлите и тъмните фази на естествения синтез може накратко да се опише същността на всяка от тях. Светлинната фаза възниква в зърната на хлоропласта със задължително включване на светлинна енергия в реакциите. Реакциите включват такива компоненти като белтъци, пренасящи електрони, АТФ синтетаза и хлорофил, които при взаимодействие с вода образуват свободен кислород, АТФ и NADP H2. За тъмната фаза, настъпваща в стромата на хлоропласта, слънчевата светлина не е от съществено значение. Получените на последния етап ATP и NADP H2 при взаимодействие с въглероден диоксид образуват естествена захар (глюкоза).

Както може да се види от горното, фотосинтезата изглежда е доста сложно и многоетапно явление, включващо много реакции, в които участват различни вещества. В резултат на естествения синтез се получава кислород, който е необходим за дишането на живите организми и защитата им от ултравиолетова радиация чрез образуването на озоновия слой.