Hol zajlik a fotoszintézis. Hogyan termelnek oxigént a növények

Vissza előre

Figyelem! A dia előnézete csak tájékoztató jellegű, és nem feltétlenül képviseli a bemutató teljes terjedelmét. Ha érdekli ez a munka, töltse le a teljes verziót.

Feladatok: Ismereteket formálni a képlékeny- és energiacserék reakcióiról, kapcsolatairól; felidézzük a kloroplasztiszok szerkezeti jellemzőit. Ismertesse a fotoszintézis világos és sötét fázisait! Mutassa be a fotoszintézis, mint szerves anyagok szintézisét, a szén-dioxid felszívódását és az oxigén légkörbe jutását biztosító folyamat fontosságát!

Az óra típusa: előadás.

Felszerelés:

1. Vizuális segédeszközök: általános biológia táblázatok;
2. TCO: számítógép; multimédiás projektor.

Előadás terv:

1. A folyamat tanulmányozásának története.
2. Fotoszintézis kísérletek.
3. A fotoszintézis mint anabolikus folyamat.
4. A klorofill és tulajdonságai.
5. Fotórendszerek.
6. A fotoszintézis világos fázisa.
7. A fotoszintézis sötét fázisa.
8. A fotoszintézis korlátozó tényezői.

Előadás haladás

A fotoszintézis tanulmányozásának története

1630 a fotoszintézis tanulmányozásának kezdetének éve . Van Helmont bebizonyította, hogy a növények szerves anyagokat képeznek, és nem a talajból veszik fel azokat. A cserepet földdel és fűzfával, valamint magát a fát lemérve kimutatta, hogy 5 év után a fa tömege 74 kg-mal nőtt, míg a talaj csak 57 g-ot veszített. Ma már tudjuk, hogy szén-dioxidot használnak.

NÁL NÉL 1804 Saussure megállapították, hogy a víz fontos szerepet játszik a fotoszintézis folyamatában.

NÁL NÉL 1887 kemoszintetikus baktériumokat fedeztek fel.

NÁL NÉL 1905 Blackman megállapították, hogy a fotoszintézis két fázisból áll: gyors - fény és egy sor egymást követő lassú reakció a sötét fázisban.

Fotoszintézis kísérletek

1 tapasztalat bizonyítja a napfény fontosságát (1. ábra)	2 tapasztalat bizonyítja a szén-dioxid fontosságát a fotoszintézisben (2. ábra).
3 tapasztalat bizonyítja a fotoszintézis fontosságát (3. ábra).

A fotoszintézis mint anabolikus folyamat

1. Évente a fotoszintézis eredményeként 150 milliárd tonna szerves anyag és 200 milliárd tonna szabad oxigén keletkezik.
2. Az oxigén, a szén és a fotoszintézisben részt vevő egyéb elemek körforgása. Fenntartja a légkör modern összetételét, amely a modern életformák létezéséhez szükséges.
3. A fotoszintézis megakadályozza a szén-dioxid koncentrációjának növekedését, megakadályozva a Föld túlmelegedését az üvegházhatás miatt.
4. A fotoszintézis az összes tápláléklánc alapja a Földön.
5. A termékekben tárolt energia az emberiség fő energiaforrása.

A fotoszintézis lényege A napsugár fényenergiájának kémiai energiává való átalakítása ATP és NADP·H 2 formájában.

A teljes fotoszintézis egyenlet:

6CO 2 + 6H 2 O→C 6 H 12 O 6 + 6O 2

A fotoszintézisnek két fő típusa van:

A klorofill és tulajdonságai

A klorofill fajtái

A klorofill a, b, c, d módosulatokkal rendelkezik. Szerkezeti felépítésükben és fényelnyelési spektrumában különböznek egymástól. Például: a b klorofill egy oxigénatommal több és két hidrogénatommal kevesebbet tartalmaz, mint a klorofill a.

Minden növénynek és oxifotobaktériumnak a sárgászöld klorofill a fő pigmentje, a klorofill b pedig kiegészítő pigment.

Egyéb növényi pigmentek

Más pigmentek képesek elnyelni a napenergiát és átadni a klorofillnak, ezáltal bevonják a fotoszintézisbe.

A legtöbb növény sötétnarancssárga pigmenttel rendelkezik - karotin, amely az állati szervezetben A-vitaminná és sárga pigmentté alakul - xantofill.

Phycocyaninés fikoeritrin- vörös és kék-zöld algát tartalmaz. A vörös algákban ezek a pigmentek aktívabban vesznek részt a fotoszintézis folyamatában, mint a klorofill.

A klorofill minimálisan nyeli el a fényt a spektrum kék-zöld részén. Klorofil a, b - a spektrum lila tartományában, ahol a hullámhossz 440 nm. A klorofill egyedülálló funkciója abban áll, hogy intenzíven elnyeli a napenergiát és átadja azt más molekuláknak.

A pigmentek egy bizonyos hullámhosszt elnyelnek, a napspektrum el nem abszorbeált részei visszaverődnek, ami biztosítja a pigment színét. A zöld fény nem nyelődik el, ezért a klorofill zöld.

Pigmentek olyan kémiai vegyületek, amelyek elnyelik a látható fényt, és az elektronokat gerjesztik. Minél rövidebb a hullámhossz, annál nagyobb a fény energiája, és annál nagyobb a képessége, hogy elektronokat gerjesztett állapotba vigyen át. Ez az állapot instabil, és hamarosan az egész molekula visszatér szokásos alacsony energiájú állapotába, és elveszíti a gerjesztési energiát. Ez az energia felhasználható fluoreszcenciára.

Fotórendszerek

A fotoszintézisben részt vevő növényi pigmentek kloroplaszt tilakoidokba "pakolódnak" funkcionális fotoszintetikus egységek - fotoszintetikus rendszerek: fotoszisztéma I és fotoszisztéma II formájában.

Minden rendszer egy sor segédpigmentből áll (250-400 molekula), amelyek energiát adnak át a fő pigment egy molekulájának, és az ún. reakcióközpont. A napenergiát fotokémiai reakciókhoz használja.

A világos fázis szükségszerűen a fény részvételével megy végbe, a sötét fázis mind a világosban, mind a sötétben. A fényfolyamat a kloroplasztiszok tilakoidjaiban, a sötét folyamat a stromában, azaz. ezek a folyamatok térben elkülönülnek.

A fotoszintézis könnyű fázisa

NÁL NÉL 1958 Arnonés munkatársai a fotoszintézis fényfázisát tanulmányozták. Azt találták, hogy a fény az energiaforrás a fotoszintézis során, és mivel a klorofillban lévő fény az ADP + F.k-ból szintetizálódik. → ATP, akkor ezt a folyamatot nevezzük foszforiláció. A membránokban az elektronok átviteléhez kapcsolódik.

A fényreakciók szerepe: 1. ATP szintézis - foszforiláció. 2. A NADP szintézise.H 2 .

Az elektrontranszport utat ún Z-séma.

Z-séma. Aciklikus és ciklikus fotofoszforiláció(6. ábra.)

A ciklikus elektrontranszport során nem képződik NADP.H 2 és a H 2 O fotobomlása, ezért O 2 szabadul fel. Ezt az utat akkor használják, ha a sejtben többlet NADP.H 2 van, de további ATP-re van szükség.

Mindezek a folyamatok a fotoszintézis fényfázisához tartoznak. A jövőben az ATP és a NADP.H 2 energiáját használják fel a glükóz szintézisére. Ez a folyamat nem igényel fényt. Ezek a fotoszintézis sötét fázisának reakciói.

A fotoszintézis vagy a Calvin-ciklus sötét fázisa

A glükóz szintézise ciklikus folyamat során megy végbe, amely Melvin Calvin tudósról kapta a nevét, aki felfedezte, és Nobel-díjjal jutalmazták.

Rizs. 8. Calvin-ciklus

A Calvin-ciklus minden reakcióját a saját enzime hajtja végre. A glükóz képződésére: CO 2 , a NADP.H 2 protonjai és elektronjai, az ATP és a NADP.H 2 energiája. A folyamat a kloroplasztisz strómájában játszódik le. A Calvin-ciklus kezdeti és végső vegyülete, amelyhez enzim segítségével ribulóz-difoszfát-karboxiláz CO2 csatlakozik, egy öt szénatomos cukor - ribulóz-biszfoszfát két foszfátcsoportot tartalmaz. Ennek eredményeként hat szénatomos vegyület keletkezik, amely azonnal két három szénatomos molekulára bomlik. foszfoglicerinsav, amelyeket aztán visszaállítanak foszfogliceraldehid. Ugyanakkor a keletkező foszfogliceraldehid egy részét a ribulóz-bifoszfát regenerálására használják fel, és így a ciklus újra megújul (5C 3 → 3C 5), egy részét pedig a glükóz és más szerves vegyületek szintézisére használják (2C 3 → C 6 → C6H12O6).

Egy glükózmolekula kialakulásához 6 ciklusfordulat és 12NADP.H 2 és 18 ATP szükséges. A teljes reakcióegyenletből kiderül:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

A fenti egyenletből látható, hogy a szén-dioxidból a glükózba C és az O atomok, a H 2 O-ból a hidrogénatomok kerültek be. A glükóz később felhasználható mind összetett szénhidrátok (cellulóz, keményítő) szintézisére, mind fehérjék képzésére. és lipidek.

(C 4 - fotoszintézis. 1965-ben bebizonyosodott, hogy a cukornádban a fotoszintézis első termékei a négy szénatomot tartalmazó savak (almasavsav, oxálecetsav, aszparaginsav). A kukorica, cirok, köles a C 4 növények közé tartozik).

A fotoszintézis korlátozó tényezői

A fotoszintézis sebessége a mezőgazdasági növények terméshozamát befolyásoló legfontosabb tényező. Tehát a fotoszintézis sötét fázisaihoz NADP.H 2 és ATP szükséges, ezért a sötét reakciók sebessége a fényreakcióktól függ. Gyenge megvilágítás mellett a szerves anyagok képződésének sebessége alacsony lesz. Tehát a fény a korlátozó tényező.

A fotoszintézis folyamatát egyidejűleg befolyásoló összes tényező közül korlátozó az lesz, amelyik közelebb van a minimális szinthez. Telepítette Blackman 1905-ben. Különböző tényezők korlátozhatják, de ezek közül az egyik a fő.

A növények térbeli szerepe(leírva K. A. Timirjazev) abban rejlik, hogy a növények az egyetlen olyan organizmus, amely elnyeli a napenergiát, és azt szerves vegyületek potenciális kémiai energiája formájában felhalmozza. A felszabaduló O 2 támogatja az összes aerob szervezet létfontosságú tevékenységét. Az oxigénből ózon képződik, amely minden élőlényt megvéd az ultraibolya sugaraktól. A növények hatalmas mennyiségű CO 2 -t használtak fel a légkörből, melynek feleslege "üvegházhatást" váltott ki, és a bolygó hőmérséklete a jelenlegi értékekre esett vissza.

Az O 2 képződésével a legfontosabb esemény. , amely a Nap fényét tette a fő forrás-svob. energia, de - gyakorlatilag korlátlan forrás a beélés szintéziséhez. Ennek eredményeként a modern összetétele, az O 2 élelmiszerek számára elérhetővé vált (lásd), és ez a magas élőlények megjelenéséhez vezetett. heterotróf (exogén org. in-va forrásaként használják).

RENDBEN. 7% org. Az ember a fotoszintézis termékeit élelmiszerként, állati takarmányként, illetve formában és építkezésként is felhasználja. anyag. A fosszília szintén a fotoszintézis terméke. Fogyasztása kon. 20. század megközelítőleg megegyezik a biomassza növekedésével.

A napsugárzási energia teljes tárolása fotoszintézis termékek formájában kb. évi 1,6 10 21 kJ, ami körülbelül 10-szerese a jelenleginek. energikus. emberi fogyasztás. A napsugárzás energiájának körülbelül a fele esik a spektrum látható tartományára (l hullámhossz 400-700 nm), amelyet a fotoszintézishez (fiziológiailag aktív sugárzás, vagy PAR) használnak. Az infravörös sugárzás nem alkalmas oxigéntermelő (magasabb növények és algák) fotoszintézisére, de bizonyos fotoszintetikus baktériumok felhasználják.

Annak a ténynek köszönhetően, hogy ők alkotják a fő bioszintetikus termékek tömege. üzemi tevékenységek, kém. A fotoszintézis sebességét általában a következőképpen írják fel:

Ennél a p-ciónál 469,3 kJ / 30,3 J / (K mol), -479 kJ / csökkenés. Az egysejtű algák fotoszintézisének kvantumfogyasztása a laboratóriumban. feltételek 8-12 kvantum/CO 2 . A földfelszínt érő napsugárzás energiájának hasznosítása a fotoszintézis során nem haladja meg a teljes PAR 0,1%-át. Naib. A termő növények (pl. cukornád) kb. A beeső sugárzás energiájának 2% -a, és a növények - legfeljebb 1%. A fotoszintézis teljes termelékenységét általában a CO 2 -tartalom (0,03-0,04 térfogat%), a fényintenzitás és a t-raj korlátozza. Az érett spenótlevelek normál összetételben 25 0 C-on telítési intenzitás fényében (napfény alatt) adnak több. liter O 2 óránként grammonként vagy száraz kilogrammonként. A Chlorella pyrenoidosa algák esetében 35 0 C-on a CO 2 0,03-ról 3%-ra történő növelése lehetővé teszi az O 2 kibocsátásának ötszörösére való növelését, ez az aktiválás a határ.

Bakteriális fotoszintézis és a fotoszintézis teljes sebessége. A magasabb rendű növények és algák O 2 felszabadulásával járó fotoszintézisével együtt a természetben a bakteriális fotoszintézis is végbemegy, Kromban nem oxidálódik, hanem más, kifejezettebb helyreállású vegyületek. St. te például. H2S, SO2. a bakteriális fotoszintézis során nem szabadul fel, például:

A fotoszintetikus baktériumok a bennük uralkodó bakterioklorofillok abszorpciós spektrumának megfelelően nem csak látható, hanem közel IR sugárzást is képesek felhasználni (1000 nm-ig). A bakteriális fotoszintézis nem elengedhetetlen a napenergia globális tárolásához, de fontos a fotoszintézis általános mechanizmusainak megértéséhez. Emellett a lokális anoxikus fotoszintézis jelentős mértékben hozzájárulhat a plankton teljes termelékenységéhez. Tehát a Fekete-tengeren az oszlopban lévő bakterioklorofill száma számos helyen megközelítőleg azonos.

Figyelembe véve a magasabb rendű növények, algák és fotoszintetikus baktériumok fotoszintézisére vonatkozó adatokat, az általánosított fotoszintézis egyenlet a következőképpen írható fel:

F Az otoszintézis térben és időben két viszonylag különálló folyamatra oszlik: a CO2 világos és sötét szakaszára (1. ábra). Mindkét szakaszt magasabb növényekben és algákban hajtják végre a speciális. sejtszervecskék - . Kivételt képeznek a kék-zöld algák (cianobaktériumok), amelyek nem rendelkeznek a citoplazmától elkülönülő fotoszintézis-készülékkel. .

A reakcióban. a fotoszintézis központja, ahol a gerjesztés közel 100%-os valószínűséggel kerül átadásra, a fotokémiailag aktív a (bakterioklorofill a baktériumokban) és az elsődleges akceptor (PA) között primer p-ció lép fel. A tilakoidokban további körzetek fordulnak elő a DOS-ban. állapotok, és nem igényelnek fénnyel való gerjesztést. Ezek a körzetek elektrontranszport láncba szerveződnek – rögzített hordozók sorozatába. A magasabb rendű növények és algák elektrontranszport lánca két fotokémiai anyagot tartalmaz. szekvenciálisan ható centrumok (fotorendszerek) (2. ábra), a bakteriális elektrontranszport láncban - egy (3. ábra).

A magasabb rendű növények és algák II. fotorendszerében a P680 közepén gerjesztett szingulett (a 680-as szám azt jelzi, hogy a rendszer maximális spektrális változása fénnyel gerjesztve közel 680 nm) egy köztes akceptoron keresztül feofitint (PHEO, magnéziummentes analóg), képezve. A redukált feofitin gyökös anionja szolgál továbbá a megkötött plasztokinon (HRP*; különbözik a kinoid gyűrű szubsztituenseitől) Fe 3+-al koordinálva (hasonló Fe 3+ -ubikinon komplex van a baktériumokban). Ezután a lánc mentén átkerül, beleértve a szabad plasztokinont (HRP), amely a lánc többi komponenséhez képest feleslegben van jelen, majd (C) b 6 és f, amelyek komplexet alkotnak egy vas-kén centrummal, egy réztartalmúplasztocianint (PC; mol. w. 10400) az I. fotorendszer reakcióközpontjába.

A központok gyorsan helyreállnak, számos időközönként. fuvarozók a . Az O 2 képződése szukcessziót igényel. A P fotorendszer reakcióközpontjának négyszeres gerjesztése, és egy Mn-t tartalmazó membránkomplex katalizálja.

Az I. Photosystem autonóm módon, a II. rendszerrel való érintkezés nélkül képes működni. Ebben az esetben ciklikus átvitelt (a diagramon szaggatott vonallal mutatjuk) a NADPH kíséri, nem a NADPH. Könnyű színpadon alakult ki

A NADPH és a fotoszintézis sötét szakaszában használatosak, amelynek során ismét NADP és képződik.

A fotoszintetikus baktériumok elektrontranszport láncai fő jellemzőikben hasonlóak a magasabb rendű növények klorofilljainak egyes fragmentumaihoz. ábrán A 3. ábra a lila baktériumok elektrontranszport láncát mutatja.

A fotoszintézis sötét szakasza. Minden fotoszintetikus, O 2 -t termelő, valamint egyes fotoszintetikus baktériumok először a CO 2 -t az ún. Calvin ciklus. A fotoszintetikus baktériumokban nyilvánvalóan más mechanizmusok is előfordulnak. A Calvin-ciklus nagy része oldható állapotban a stromában található.

ábrán egy egyszerűsített ciklusdiagram látható. 4. Az első szakasz - ribulóz-1,5-difoszfát és hidroa termék lízise két 3-foszfoglicerin képződésével. Ez a C3-sav foszforilezve 3-foszfogliceril-foszfátot képez, amelyet azután NADPH redukál gliceraldehid-3-foszfáttá. A kapott trióz-foszfát ezután p-ionok és átrendeződések sorozatába lép be, így 3-ribulóz-5-foszfát keletkezik. Ez utóbbi rio-loso-1,5-difoszfát képződésével foszforilálódik, és így a ciklus bezárul. A képződött 6 glicerinaldehid-3-foszfát egyike glükóz-6-foszfáttá alakul, majd szintézisre kerül felhasználásra, vagy felszabadul belőle. A gliceraldehid-3-foszfát 3-glicerofoszfáttá, majd azután is átalakítható. Trioso, innen származnak, fővé alakulnak át. c, a szélek átkerülnek a levélről a növény más részeire.

A Calvin-ciklus egy teljes fordulata során 9 és 6 NADPH fogy, hogy egy 3-foszfoglicerin sav keletkezzen. Energia ciklushatásfoka (a fotoszintézishez és a NADPH-hoz szükséges fotonenergia aránya a CO 2-ból történő DG 0-hoz viszonyítva), a stromában aktívakat figyelembe véve 83%. Magában a Calvin-ciklusban nincsenek fotokémiai anyagok. szakaszaiban, de a fénystádiumok közvetetten befolyásolhatják (beleértve a nem igénylő körzeteket vagy NADPH-t is) a Mg 2+ és a H +, valamint a redukció mértékének változásán keresztül.

Egyes magasabbrendű növények, amelyek alkalmazkodtak a nagy fényintenzitáshoz és a meleg éghajlathoz (pl. cukornád, kukorica), képesek ezen felül CO 2 -t előfixálni. C 4-ciklusú. Ugyanakkor a CO 2 először bekerül a négy szénatomos dikarbonsavak cseréjébe, amelyek aztán dekarboxileződnek ott, ahol a Calvin-ciklus lokalizálódik. A C 4 -Cycle a speciális anatómiával rendelkező növényekre jellemző. a levélszerkezet és a funkciómegosztás kétféle kaktuszok, selyemfű és egyéb szárazságtűrő növények között, a CO 2 megkötésének és a fotoszintézisnek időbeni részleges szétválása a jellemző (CAM-csere, vagy Crassulaceae típusú csere; CAM az angol Crassulaceae sav metabolizmusból rövidítve ). Napközben a sztómák (csatornák, amelyeken keresztül a gázcsere történik) zárva vannak, hogy csökkentsék. Ugyanakkor a CO 2 -ellátás is nehézkes. Éjszaka a sztómák kinyílnak, a CO 2 foszfoenol-piruborzősav formájában rögzítve C 4 savakat képez, amelyek nappal dekarboxileződnek, és az ezzel egy időben felszabaduló CO 2 bekerül a Calvin-ciklusba (ábra). 6).

Halobaktériumok fotoszintézise. A fényenergia tárolásának egyetlen, a természetben ismert nem klorofill módszerét a Halobacterium halobium baktérium végzi. Ha erős fény, csökkentett koncentrációjú klorofill. Ezt végül tömegspektrometriával igazolták. módszerrel (S. Ruben, M. Kamen, valamint A.P. Vinogradov és R.V. Teis, 1941).

1935-41-ben K. Van Niel összefoglalta a magasabb rendű növények és baktériumok fotoszintézisére vonatkozó adatokat, és egy általános egyenletet javasolt, amely a fotoszintézis minden típusára kiterjed.X. Gaffron és K. Wohl, valamint L. Duysens 1936-52-ben mennyiségek alapján. Az elnyelt fény és a tartalom fotoszintézis-termékeinek hozamának mérései megfogalmazták a „fotoszintetikus egység” fogalmát – egy fénygyűjtést végző és a fotokémiát kiszolgáló együttest. Központ.

A 40-50-es években. M. Calvin 14 C-ot használva feltárta a CO 2 rögzítésének mechanizmusát. D. Arnon (1954) felfedezte a fotofoszforilációt (amelyet a H 3 PO 4 fénye indít el), és ben megfogalmazta az elektrontranszport fogalmát. P. Emerson és Ch.M. Lewis (1942-43) a fotoszintézis hatékonyságának éles csökkenését tapasztalta 700 nm-en (vörösesés vagy első Emerson-effektus), és 1957-ben Emerson megfigyelte a fotoszintézis nem additív növekedését, amikor alacsony intenzitású fényt adtak hozzá.650 nm-től távoli vörös fényig (erősítő hatás vagy második Emerson-effektus). Erről a 60-as években. megfogalmazta a következetes cselekvés gondolatátfotorendszerek a fotoszintézis elektrontranszport láncában 680 és 700 HM közeli akcióspektrummal.

Fő az O 2 at képződésének törvényeit a fotoszintézisben B. Kok és P. Joliot (1969-70) munkái állapították meg. A móló tisztázása a végéhez közeledik. a folyamatot katalizáló membránkomplex szerveződése. A 80-as években. módszerrel részletesen tanulmányoztam a fotoszintetikus egyes komponenseinek szerkezetét. berendezések, beleértve a reakcióközpontokat és fénygyűjtő komplexeket (I. Deizenhofer, X. Michel, P. Huber).

Irod.: Clayton R., Photosyntech. Fizikai mechanizmusok és kémiai modellek, ford. angolból, M., 1984; "D.I. Mengyelejevről elnevezett J. All-Russian Chemical Society", 1986, 31. v., 6. szám; Fotoszintézis, szerk. Govinji, ford. angol nyelvből, 1-2. kötet, M., 1987; Tudományos és technológiai eredmények, . Biophysics, 20-22. kötet, M., 1987. M.G. Goldfeld.

Az emberi élet, mint minden élőlény a Földön, lehetetlen légzés nélkül. A levegőből oxigént lélegzünk be és szén-dioxidot. Miért nem fogy el az oxigén? Kiderült, hogy a légkör levegőjét folyamatosan oxigénnel táplálják. És ez a telítettség pontosan a fotoszintézis miatt következik be.

Fotoszintézis - egyszerű és világos!

Mindenkinek meg kell értenie, mi a fotoszintézis. Ehhez egyáltalán nem kell bonyolult képleteket írni, elég megérteni ennek a folyamatnak a fontosságát és varázslatát.

A fotoszintézis folyamatában a fő szerepet a növények - fű, fák, cserjék - játsszák. Évmilliókon át a növények leveleiben megy végbe a szén-dioxid elképesztő oxigénné történő átalakulása, amely annyira szükséges az élethez, hogy a szerelmesek lélegezzenek. Próbáljuk meg sorrendben szétszedni a fotoszintézis teljes folyamatát.

1. A növények vizet vesznek fel a talajból, benne oldott ásványi anyagokkal - nitrogén, foszfor, mangán, kálium, különféle sók - összesen több mint 50 különböző kémiai elem. A növényeknek szüksége van rá a táplálkozáshoz. De a növények csak a szükséges anyagok 1/5-ét kapják a földből. A többi 4/5 a légből kapott!

2. A növények szén-dioxidot szívnak fel a levegőből. Ugyanaz a szén-dioxid, amit minden másodpercben kilélegzünk. A növények szén-dioxidot lélegeznek be, ahogy mi az oxigént. De még ez sem elég.

3. A természetes laboratóriumok nélkülözhetetlen összetevője a napfény. A növények leveleiben a napsugarak rendkívüli kémiai reakciót ébresztenek. Hogyan történik?

4. Csodálatos anyag van a növények leveleiben - klorofill. A klorofill képes megragadni a napfény áramlását és fáradhatatlanul feldolgozni a kapott vizet, mikroelemeket, szén-dioxidot bolygónk minden élőlényének szükséges szerves anyagokká. Ezen a ponton a növények oxigént bocsátanak ki a légkörbe! A klorofillnak ezt a munkáját nevezik a tudósok összetett szónak - fotoszintézis.

A fotoszintézis témában készült előadás letölthető az oktatási portálról

Akkor miért zöld a fű?

Most, hogy tudjuk, hogy a növényi sejtek klorofillt tartalmaznak, erre a kérdésre nagyon könnyű válaszolni. Nem ok nélkül az ókori görög nyelvből a klorofillt „zöld levélnek” fordítják. A fotoszintézishez a klorofill a napfény összes sugarát felhasználja, kivéve a zöldet. Fűt látunk, a növények levelei éppen azért zöldek, mert zöld a klorofill.

A fotoszintézis jelentése.

A fotoszintézis jelentőségét nem lehet túlbecsülni – fotoszintézis nélkül túl sok szén-dioxid halmozódna fel bolygónk légkörében, a legtöbb élő szervezet egyszerűen nem tudna lélegezni és elpusztulna. Földünk élettelen bolygóvá változna. Ennek megelőzése érdekében a Földön minden embernek emlékeznie kell arra, hogy nagyon hálásak vagyunk a növényeknek.

Ezért is olyan fontos, hogy minél több park és zöldfelület legyen a városokban. Védje meg a tajgát és a dzsungelt a pusztulástól. Vagy csak ültessen egy fát a ház közelébe. Vagy letörni az ágakat. Csak a Föld bolygó minden emberének részvétele segít megmenteni az életet szülőföldjén.

A fotoszintézis jelentősége azonban nem korlátozódik a szén-dioxid oxigénné való átalakulására. A fotoszintézis eredményeként alakult ki a légkörben az ózonréteg, amely megvédi a bolygót a káros ultraibolya sugaraktól. A növények a legtöbb élőlény tápláléka a Földön. Az étel szükséges és hasznos. A növényi táplálkozás is a fotoszintézis érdeme.

A közelmúltban a klorofillt aktívan használják az orvostudományban. Az emberek régóta tudják, hogy a beteg állatok ösztönösen esznek zöld leveleket, hogy meggyógyuljanak. A tudósok megállapították, hogy a klorofill hasonló az emberi vérsejtekben lévő anyaghoz, és valódi csodákra képes.

A fotoszintézis bioszintézis, amely a fényenergia szerves vegyületekké történő átalakításából áll. A fotonok formájában megjelenő fényt egy szervetlen vagy szerves elektrondonorhoz kapcsolódó színes pigment fogja fel, és lehetővé teszi az ásványi anyag felhasználását szerves vegyületek szintézisére (termelésére).

Más szóval, mi a fotoszintézis - ez a szerves anyag (cukor) szintetizálásának folyamata a napfényből. Ez a reakció a kloroplasztiszok szintjén megy végbe, amelyek speciális sejtszervecskék, amelyek lehetővé teszik szén-dioxid és víz fogyasztását dioxigén és szerves molekulák, például glükóz előállításához.

Két fázisban zajlik:

Fényfázis (fotofoszforiláció) – fényfüggő fotokémiai (azaz fénybefogó) reakciók összessége, amelyek során az elektronokat mindkét fotorendszeren (PSI és PSII) keresztül szállítják, hogy ATP-t (energiában gazdag molekulát) és NADPHH-t (redukáló potenciál) hozzon létre. .

Így a fotoszintézis fényfázisa lehetővé teszi a fényenergia közvetlen átalakulását kémiai energiává. Ennek a folyamatnak köszönhető, hogy bolygónk légköre oxigénben gazdag. Ennek eredményeként a magasabb rendű növényeknek sikerült uralniuk a Föld felszínét, táplálékot biztosítva sok más élőlénynek, amelyek ezen keresztül táplálkoznak vagy menedéket találnak. Az eredeti légkör gázokat, például ammóniumot, nitrogént és szén-dioxidot tartalmazott, de nagyon kevés oxigént. A növények megtalálták a módot arra, hogy ezt a szén-dioxidot olyan bőségesen élelmiszerré alakítsák a napfény segítségével.

A sötét fázis a teljesen enzimatikus és fényfüggetlen Calvin-ciklusnak felel meg, amelyben az adenozin-trifoszfátot (ATP) és a NADPH+H+-t (nikotin-amid-adenin-dinukleotid-foszfát) használják a szén-dioxid és a víz szénhidráttá alakítására. Ez a második fázis lehetővé teszi a szén-dioxid felszívódását.

Vagyis a fotoszintézis ezen fázisában, körülbelül tizenöt másodperccel a CO abszorpciója után, szintézis reakció megy végbe, és megjelennek a fotoszintézis első termékei - cukrok: triózok, pentózok, hexózok, heptózok. Bizonyos hexózokból szacharóz és keményítő képződik. A szénhidrátok mellett nitrogénmolekulához kötődve lipidekké és fehérjékké is fejlődhetnek.

Ez a körforgás létezik az algákban, a mérsékelt égövi növényekben és minden fában; ezeket a növényeket "C3 növényeknek" nevezik, amelyek a biokémiai ciklus legfontosabb köztes testei, három szénatomos (C3) molekulával.

Ebben a fázisban a klorofill egy foton elnyelése után 41 kcal/mol energiával rendelkezik, amelynek egy része hővé vagy fluoreszcenciává alakul. Az izotóp markerek (18O) használata azt mutatta, hogy a folyamat során felszabaduló oxigén a lebomlott vízből és nem az elnyelt szén-dioxidból származik.

A fotoszintézis főleg a növényi levelekben és ritkán (valamikor) a szárban stb. Egy tipikus levél részei a következők: felső és alsó epidermisz;

• mezofill;
• érköteg (vénák);
• sztóma.

Ha a felső és alsó epidermisz sejtjei nem kloroplasztok, akkor a fotoszintézis nem megy végbe. Valójában elsősorban a levél többi részének védelmét szolgálják.

A sztómák főként az epidermisz alsó részén található lyukak, amelyek lehetővé teszik a levegő (CO és O2) cseréjét. A levélben található érkötegek (vagy erek) a növény szállítórendszerének részét képezik, szükség szerint mozgatják a vizet és a tápanyagokat a növény körül. A mezofil sejtekben kloroplasztok vannak, ez a fotoszintézis helye.

A fotoszintézis mechanizmusa nagyon összetett.. Ezek a folyamatok azonban a biológiában különösen fontosak. Erős fény hatására a kloroplasztiszok (a növényi sejt klorofillt tartalmazó részei) fotoszintézisreakcióba lépve a szén-dioxidot (CO) édesvízzel egyesítik, így C6H12O6 cukrot képeznek.

A reakció során C6H12O5 keményítővé alakulnak át, egy négyzetdeciméter levélfelületre átlagosan napi 0,2 g keményítő. Az egész műveletet erős oxigénfelszabadulás kíséri.

Valójában a fotoszintézis folyamata főként egy vízmolekula fotolíziséből áll.

Ennek a folyamatnak a képlete:

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

Víz + szén-dioxid + fény = oxigén + glükóz

• H 2 O = víz
• CO 2 = szén-dioxid
• O 2 = oxigén
• C 6 H 12 O 6 \u003d glükóz

Lefordítva ez a folyamat azt jelenti: egy növénynek hat molekula vízre + hat molekula szén-dioxidra és fényre van szüksége ahhoz, hogy reakcióba lépjen. Ennek eredményeként hat oxigén- és glükózmolekula képződik egy kémiai folyamat során. A glükóz az glükóz, amelyet a növény kiindulási anyagként használ a zsírok és fehérjék szintéziséhez. Hat oxigénmolekula csak „szükséges rossz” a növény számára, amelyet a zárósejteken keresztül juttat a környezetbe.

Mint már említettük, a legtöbb zöld növényben a szénhidrátok a fotoszintézis legfontosabb közvetlen szerves termékei. A növényekben kevés szabad glükóz képződik; ehelyett a glükózegységek összekapcsolódnak keményítővé, vagy fruktózzal, egy másik cukorral kombinálva szacharózt képeznek.

A fotoszintézis nem csak szénhidrátokat termel., ahogy egykor gondolták, hanem:

• aminosavak;
• fehérjék;
• lipidek (vagy zsírok);
• pigmentek és a zöld szövetek egyéb szerves komponensei.

Az ásványi anyagok biztosítják a vegyületek előállításához szükséges elemeket (pl. nitrogén, N; foszfor, P; kén, S).

Kémiai kötések bomlanak fel az oxigén (O) és a szén (C), a hidrogén (H), a nitrogén és a kén között, és új vegyületek keletkeznek olyan termékekben, amelyek gázhalmazállapotú oxigént (O 2 ) és szerves vegyületeket tartalmaznak. Az oxigén közötti kötések megszakításáraés más elemek (például víz, nitrát és szulfát) több energiát igényelnek, mint amennyi felszabadul, amikor új kötések képződnek a termékekben. Ez a különbség a kötési energiában magyarázza a fotoszintézis által előállított szerves termékekben kémiai energiaként tárolt fényenergia nagy részét. További energia tárolódik, amikor egyszerű molekulákból összetett molekulákat hozunk létre.

A fotoszintézis sebességét befolyásoló tényezők

A fotoszintézis sebességét az oxigéntermelés sebessége határozza meg, vagy a zöld növényi szövetek tömegére (vagy területére), vagy a teljes klorofill egységnyi tömegére vonatkoztatva.

A fény mennyisége, a szén-dioxid-ellátás, a hőmérséklet, a vízellátás és az ásványi anyagok elérhetősége a legfontosabb környezeti tényezők, amelyek befolyásolják a fotoszintézis reakciójának sebességét a szárazföldi növényekben. Gyorsaságát a növényfajok és élettani állapota is meghatározza, így egészségi állapota, érettsége és virágzása.

A fotoszintézis kizárólag a növény kloroplasztiszaiban (görögül klór = zöld, lapszerű) megy végbe. A kloroplasztok túlnyomórészt a palántákban találhatók, de a szivacsos szövetekben is. A levél alsó részén blokkoló sejtek találhatók, amelyek koordinálják a gázcserét. A CO 2 kívülről áramlik az intercelluláris sejtekbe.

A fotoszintézishez szükséges víz, a növényt belülről a xilémen keresztül a sejtekbe szállítja. A zöld klorofill biztosítja a napfény elnyelését. Miután a szén-dioxid és a víz oxigénné és glükózzá alakul, a zárósejtek kinyílnak és oxigént bocsátanak ki a környezetbe. A glükóz a sejtben marad, és a növény többek között keményítővé alakítja. Erősségét a glükóz poliszacharidhoz hasonlítják, és csak kismértékben oldódik, így még nagy vízveszteség esetén is a növényi maradványok szilárdsága.

A fotoszintézis jelentősége a biológiában

A lap által kapott fény 20%-a visszaverődik, 10%-a áthalad és 70%-a ténylegesen elnyelődik, aminek 20%-a hő hatására eloszlik, 48%-a fluoreszcenciában elvész. Körülbelül 2% marad a fotoszintézis számára.

Ezen a folyamaton keresztül a növények nélkülözhetetlen szerepet játszanak a Föld felszínén; valójában a zöld növények bizonyos baktériumcsoportokkal az egyedüli élőlények, amelyek ásványi elemekből képesek szerves anyagokat előállítani. Becslések szerint évente 20 milliárd tonna szenet kötnek meg a szárazföldi növények a légkörben lévő szén-dioxidból és 15 milliárd tonna szenet az algák.

A zöld növények a fő elsődleges termelők, az élelmiszerlánc első láncszemei; a nem klorofill növények, valamint a növényevők és húsevők (beleértve az embert is) teljes mértékben függenek a fotoszintézis reakciójától.

A fotoszintézis egyszerűsített meghatározása célja, hogy a napból származó fényenergiát vegyi energiává alakítsa. Ezt a fotonikus szénhidrát bioszintézist szén-dioxid-CO2-ból állítják elő fényenergia felhasználásával.

Vagyis a fotoszintézis a klorofill növények kémiai tevékenységének (szintézisének) eredménye, amelyek vízből és ásványi sókból állítják elő a fő biokémiai szerves anyagokat, mivel a kloroplasztiszok képesek megkötni a napenergia egy részét.

A fotoszintézis olyan folyamatok összessége, amelyek a fényenergiát a szerves anyagok kémiai kötéseinek energiájává alakítják fotoszintetikus színezékek részvételével.

Ez a fajta táplálkozás jellemző a növényekre, a prokariótákra és bizonyos típusú egysejtű eukariótákra.

A természetes szintézis során a szén és a víz a fénnyel kölcsönhatásban glükózzá és szabad oxigénné alakul:

6CO2 + 6H2O + fényenergia → C6H12O6 + 6O2

A modern növényélettan a fotoszintézis fogalma alatt a fotoautotróf funkciót érti, amely a fényenergia-kvantumok abszorpciós, átalakulási és felhasználási folyamatainak összessége különféle nem spontán reakciókban, beleértve a szén-dioxid szerves anyaggá történő átalakulását.

Fázisok

Fotoszintézis növényekben a levelekben kloroplasztokon keresztül fordul elő- a plasztidok osztályába tartozó félautonóm kétmembrán organellumok. A lapos lemezek lapos formájával a kiváló minőségű elnyelés, valamint a fényenergia és a szén-dioxid teljes körű felhasználása biztosított. A természetes szintézishez szükséges víz a gyökerekből származik a vízvezető szöveten keresztül. A gázcsere diffúzióval történik a sztómán és részben a kutikulán keresztül.

A kloroplasztok színtelen stromával vannak megtöltve, és lamellákkal vannak átjárva, amelyek egymással kombinálva tilakoidokat képeznek. Itt megy végbe a fotoszintézis. A cianobaktériumok maguk is kloroplasztiszok, ezért a bennük lévő természetes szintézis berendezése nincs külön organellumba izolálva.

Folyik a fotoszintézis pigmentek részvételével amelyek általában klorofillok. Egyes organizmusok egy másik pigmentet is tartalmaznak - karotinoidot vagy fikobilint. A prokarióták rendelkeznek a bakterioklorofill pigmenttel, és ezek a szervezetek nem bocsátanak ki oxigént a természetes szintézis befejezésekor.

A fotoszintézis két fázison megy keresztül - világos és sötét. Mindegyiket bizonyos reakciók és kölcsönhatásba lépő anyagok jellemzik. Tekintsük részletesebben a fotoszintézis fázisainak folyamatát.

Világító

A fotoszintézis első fázisa nagy energiájú termékek képződése jellemzi, amelyek az ATP, a sejtes energiaforrás és a NADP, egy redukálószer. A szakasz végén melléktermékként oxigén képződik. A világos szakasz szükségszerűen napfénnyel történik.

A fotoszintézis folyamata tilakoid membránokban megy végbe elektronhordozó fehérjék, ATP szintetáz és klorofill (vagy más pigment) részvételével.

Az elektrokémiai áramkörök működése, amelyeken keresztül az elektronok és részben a hidrogén protonok átvitele, pigmentek és enzimek által alkotott komplex komplexekben jön létre.

A könnyű fázis folyamatának leírása:

1. Amikor a napfény éri a növényi szervezetek levéllemezeit, a klorofill elektronok gerjesztődnek a lemezek szerkezetében;
2. Aktív állapotban a részecskék elhagyják a pigment molekulát és belépnek a tilakoid külső oldalára, amely negatív töltésű. Ez egyidejűleg történik a klorofillmolekulák oxidációjával, majd redukciójával, amelyek a levelekbe került vízből veszik el a következő elektronokat;
3. Ezután a víz fotolízise történik olyan ionok képződésével, amelyek elektronokat adnak át, és OH-gyökökké alakulnak, amelyek a jövőben részt vehetnek a reakciókban;
4. Ezek a gyökök ezután egyesülve vízmolekulákat és a légkörbe távozó szabad oxigént képeznek;
5. A tilakoid membrán egyrészt a hidrogénion hatására pozitív, másrészt az elektronok miatt negatív töltést kap;
6. A membrán oldalai közötti 200 mV különbséggel a protonok áthaladnak az ATP szintetáz enzimen, ami az ADP ATP-vé való átalakulásához vezet (foszforilációs folyamat);
7. A vízből felszabaduló atomos hidrogénnel a NADP + NADP H2-vé redukálódik;

Míg a reakciók során szabad oxigén kerül a légkörbe, addig az ATP és a NADP H2 a természetes szintézis sötét fázisában vesz részt.

Sötét

Ennek a szakasznak a kötelező összetevője a szén-dioxid., amelyet a növények a levelekben lévő sztómákon keresztül folyamatosan felszívnak a külső környezetből. A sötét fázis folyamatai a kloroplasztisz strómájában játszódnak le. Mivel ebben a szakaszban nincs szükség sok napenergiára, és a fényfázisban elegendő ATP és NADP H2 nyerhető, a reakciók az élőlényekben éjjel és nappal is lejátszódhatnak. A folyamatok ebben a szakaszban gyorsabbak, mint az előzőben.

A sötét fázisban végbemenő folyamatok összessége a külső környezetből származó szén-dioxid egymást követő átalakulások egyfajta láncolataként jelenik meg:

1. Az első reakció egy ilyen láncban a szén-dioxid rögzítése. A RiBP-karboxiláz enzim jelenléte hozzájárul a reakció gyors és zökkenőmentes lefolyásához, ami hat szénatomos vegyület képződését eredményezi, amely 2 molekula foszfoglicerinsavra bomlik;
2. Ezután egy meglehetősen összetett ciklus következik be, beleértve bizonyos számú reakciót, amely után a foszfoglicerinsav természetes cukorrá - glükózzá alakul. Ezt a folyamatot Kálvin-ciklusnak nevezik;

A cukorral együtt zsírsavak, aminosavak, glicerin és nukleotidok képződése is megtörténik.

A fotoszintézis lényege

A természetes szintézis világos és sötét fázisainak összehasonlító táblázatából röviden leírható mindegyik lényege. A fényfázis a kloroplasztisz szemcséiben jön létre, a fényenergia kötelező bevonásával a reakciókba. A reakciókban olyan komponensek vesznek részt, mint az elektronhordozó fehérjék, az ATP-szintetáz és a klorofill, amelyek vízzel kölcsönhatásba lépve szabad oxigént, ATP-t és NADP H2-t képeznek. A kloroplasztisz strómájában előforduló sötét fázishoz a napfény nem elengedhetetlen. Az utolsó szakaszban kapott ATP és NADP H2 szén-dioxiddal kölcsönhatásba lépve természetes cukrot (glükózt) képez.

Amint az a fentiekből látható, a fotoszintézis meglehetősen összetett és többlépcsős jelenségnek tűnik, amely számos reakciót foglal magában, amelyekben különböző anyagok vesznek részt. A természetes szintézis eredményeként oxigént nyernek, amely az élő szervezetek légzéséhez és az ózonréteg kialakulásán keresztül az ultraibolya sugárzás elleni védelméhez szükséges.