Kde prebieha fotosyntéza. Ako rastliny produkujú kyslík

Späť dopredu

Pozor! Ukážka snímky slúži len na informačné účely a nemusí predstavovať celý rozsah prezentácie. Ak vás táto práca zaujala, stiahnite si plnú verziu.

Úlohy: Vytvárať poznatky o reakciách výmeny plastov a energie a ich vzťahu; pripomínajú štrukturálne vlastnosti chloroplastov. Popíšte svetlú a tmavú fázu fotosyntézy. Ukážte dôležitosť fotosyntézy ako procesu, ktorý zabezpečuje syntézu organických látok, absorpciu oxidu uhličitého a uvoľňovanie kyslíka do atmosféry.

Typ lekcie: prednáška.

Vybavenie:

1. Vizuálne pomôcky: tabuľky zo všeobecnej biológie;
2. TCO: počítač; multimediálny projektor.

Plán prednášok:

1. História štúdia procesu.
2. Experimenty s fotosyntézou.
3. Fotosyntéza ako anabolický proces.
4. Chlorofyl a jeho vlastnosti.
5. Fotosystémy.
6. Svetelná fáza fotosyntézy.
7. Temná fáza fotosyntézy.
8. Limitujúce faktory fotosyntézy.

Priebeh prednášky

História štúdia fotosyntézy

1630 ročník začiatku štúdia fotosyntézy . Van Helmont dokázal, že rastliny tvoria organické látky a neprijímajú ich z pôdy. Po zvážení kvetináča so zemou a vŕbou a zvlášť so samotným stromom ukázal, že po 5 rokoch sa hmotnosť stromu zvýšila o 74 kg, pričom pôda stratila iba 57 g. Rozhodol, že strom dostáva potravu z vody. Teraz vieme, že sa používa oxid uhličitý.

AT 1804 Saussure zistili, že voda hrá dôležitú úlohu v procese fotosyntézy.

AT 1887 objavené chemosyntetické baktérie.

AT 1905 Blackman zistil, že fotosyntéza pozostáva z dvoch fáz: rýchlej - svetelnej a série postupných pomalých reakcií tmavej fázy.

Experimenty s fotosyntézou

1 skúsenosť dokazuje dôležitosť slnečného žiarenia (obr. 1.)	2 skúsenosti dokazujú význam oxidu uhličitého pre fotosyntézu (obr. 2.)
3 skúsenosti dokazujú dôležitosť fotosyntézy (obr. 3.)

Fotosyntéza ako anabolický proces

1. Každý rok sa v dôsledku fotosyntézy vytvorí 150 miliárd ton organickej hmoty a 200 miliárd ton voľného kyslíka.
2. Cyklus kyslíka, uhlíka a iných prvkov zapojených do fotosyntézy. Udržiava moderné zloženie atmosféry, nevyhnutné pre existenciu moderných foriem života.
3. Fotosyntéza zabraňuje zvyšovaniu koncentrácie oxidu uhličitého, čím bráni prehrievaniu Zeme v dôsledku skleníkového efektu.
4. Fotosyntéza je základom všetkých potravinových reťazcov na Zemi.
5. Energia uložená vo výrobkoch je hlavným zdrojom energie pre ľudstvo.

Podstata fotosyntézy spočíva v premene svetelnej energie slnečného lúča na chemickú energiu vo forme ATP a NADP·H 2.

Celková rovnica fotosyntézy je:

6C02 + 6H20→C6H1206 + 602

Existujú dva hlavné typy fotosyntézy:

Chlorofyl a jeho vlastnosti

Druhy chlorofylu

Chlorofyl má modifikácie a, b, c, d. Líšia sa štruktúrnou štruktúrou a spektrom absorpcie svetla. Napríklad: chlorofyl b obsahuje o jeden atóm kyslíka viac a o dva atómy vodíka menej ako chlorofyl a.

Všetky rastliny a oxyfotobaktérie majú ako hlavný pigment žltozelený chlorofyl a a ako doplnkový pigment chlorofyl b.

Iné rastlinné pigmenty

Niektoré ďalšie pigmenty sú schopné absorbovať slnečnú energiu a prenášať ju na chlorofyl, čím ho zapájajú do fotosyntézy.

Väčšina rastlín má tmavooranžový pigment - karotén ktorý sa v tele zvierat mení na vitamín A a žltý pigment - xantofyl.

Phycocyanin a fykoerytrín- obsahujú červené a modrozelené riasy. V červených riasach sú tieto pigmenty aktívnejšie zapojené do procesu fotosyntézy ako chlorofyl.

Chlorofyl minimálne absorbuje svetlo v modrozelenej časti spektra. Chlorofyl a, b - vo fialovej oblasti spektra, kde je vlnová dĺžka 440 nm. Jedinečná funkcia chlorofylu spočíva v tom, že intenzívne pohlcuje slnečnú energiu a odovzdáva ju iným molekulám.

Pigmenty absorbujú určitú vlnovú dĺžku, neabsorbované časti slnečného spektra sa odrážajú, čo dodáva farbu pigmentu. Zelené svetlo sa neabsorbuje, takže chlorofyl je zelený.

Pigmenty sú chemické zlúčeniny, ktoré absorbujú viditeľné svetlo a spôsobujú excitáciu elektrónov. Čím je vlnová dĺžka kratšia, tým väčšia je energia svetla a tým väčšia je jeho schopnosť prenášať elektróny do excitovaného stavu. Tento stav je nestabilný a čoskoro sa celá molekula vráti do zvyčajného nízkoenergetického stavu, pričom stráca excitačnú energiu. Táto energia sa môže použiť na fluorescenciu.

Fotosystémy

Rastlinné pigmenty podieľajúce sa na fotosyntéze sú „nabalené“ do chloroplastových tylakoidov vo forme funkčných fotosyntetických jednotiek – fotosyntetických systémov: fotosystém I a fotosystém II.

Každý systém pozostáva zo sady pomocných pigmentov (od 250 do 400 molekúl), ktoré prenášajú energiu na jednu molekulu hlavného pigmentu a tzv. reakčné centrum. Využíva slnečnú energiu na fotochemické reakcie.

Svetlá fáza ide nevyhnutne za účasti svetla, tmavá fáza tak vo svetle, ako aj v tme. Svetlý proces prebieha v tylakoidoch chloroplastov, tmavý proces prebieha v stróme, t.j. tieto procesy sú priestorovo oddelené.

Svetelná fáza fotosyntézy

AT 1958 Arnon a jeho spolupracovníci študovali svetelnú fázu fotosyntézy. Zistili, že svetlo je zdrojom energie pri fotosyntéze a keďže vo svetle pri syntéze chlorofylu z ADP + F.c. → ATP, potom sa tento proces nazýva fosforylácia. Je spojená s prenosom elektrónov v membránach.

Úloha svetelných reakcií: 1. Syntéza ATP - fosforylácia. 2. Syntéza NADP.H2.

Dráha transportu elektrónov je tzv Z-schéma.

Z-schéma. Acyklická a cyklická fotofosforylácia(Obr. 6.)

V priebehu cyklického transportu elektrónov nedochádza k tvorbe NADP.H 2 a fotorozkladu H 2 O, teda k uvoľňovaniu O 2 . Táto cesta sa používa, keď je v bunke nadbytok NADP.H 2, ale je potrebný ďalší ATP.

Všetky tieto procesy patria do svetelnej fázy fotosyntézy. V budúcnosti sa energia ATP a NADP.H 2 využíva na syntézu glukózy. Tento proces nevyžaduje svetlo. Ide o reakcie temnej fázy fotosyntézy.

Temná fáza fotosyntézy alebo Calvinov cyklus

K syntéze glukózy dochádza počas cyklického procesu, ktorý bol pomenovaný po vedcovi Melvinovi Calvinovi, ktorý ho objavil, a bol ocenený Nobelovou cenou.

Ryža. 8. Calvinov cyklus

Každá reakcia Calvinovho cyklu je uskutočňovaná vlastným enzýmom. Na tvorbu glukózy sa využívajú: CO 2, protóny a elektróny z NADP.H 2, energia ATP a NADP.H 2 . Proces prebieha v stróme chloroplastu. Počiatočná a konečná zlúčenina Calvinovho cyklu, na ktorú sa pomocou enzýmu ribulózadifosfátkarboxyláza CO2 sa spája, je to päťuhlíkový cukor - ribulóza bisfosfát obsahujúce dve fosfátové skupiny. V dôsledku toho vzniká šesťuhlíková zlúčenina, ktorá sa okamžite rozloží na dve trojuhlíkové molekuly. kyselina fosfoglycerová, ktoré sú následne obnovené na fosfoglyceraldehyd. Zároveň sa časť vzniknutého fosfoglyceraldehydu využije na regeneráciu ribulózabifosfátu a tým sa cyklus opäť obnoví (5C 3 → 3C 5), časť sa použije na syntézu glukózy a iných organických zlúčenín (2C 3 → C 6 → C6H1206).

Na vytvorenie jednej molekuly glukózy je potrebných 6 otáčok cyklu a je potrebných 12NADP.H 2 a 18 ATP. Z celkovej reakčnej rovnice vyplýva:

6CO2 + 6H20 → C6H1206 + 602

Z vyššie uvedenej rovnice je vidieť, že atómy C a O vstúpili do glukózy z CO 2 a atómy vodíka z H 2 O. Glukóza sa môže neskôr použiť ako na syntézu komplexných sacharidov (celulóza, škrob), tak aj na tvorbu bielkovín a lipidy.

(C 4 - fotosyntéza. V roku 1965 bolo dokázané, že v cukrovej trstine sú prvými produktmi fotosyntézy kyseliny obsahujúce štyri atómy uhlíka (jablčná, oxalooctová, asparágová). Kukurica, cirok, proso patria medzi C 4 rastliny).

Limitujúce faktory fotosyntézy

Rýchlosť fotosyntézy je najdôležitejším faktorom ovplyvňujúcim úrodu poľnohospodárskych plodín. Takže pre tmavé fázy fotosyntézy sú potrebné NADP.H 2 a ATP, a preto rýchlosť tmavých reakcií závisí od reakcií svetla. Pri slabom osvetlení bude rýchlosť tvorby organickej hmoty nízka. Limitujúcim faktorom je teda svetlo.

Zo všetkých faktorov súčasne ovplyvňujúcich proces fotosyntézy obmedzujúce bude tá, ktorá je bližšie k minimálnej úrovni. Nainštalovalo sa Blackman v roku 1905. Limitujúce môžu byť rôzne faktory, no jeden z nich je ten hlavný.

Priestorová úloha rastlín(popísané K. A. Timiryazev) spočíva v tom, že rastliny sú jediné organizmy, ktoré absorbujú slnečnú energiu a akumulujú ju vo forme potenciálnej chemickej energie organických zlúčenín. Uvoľnený O 2 podporuje životnú činnosť všetkých aeróbnych organizmov. Z kyslíka vzniká ozón, ktorý chráni všetko živé pred ultrafialovým žiarením. Rastliny využívali obrovské množstvo CO 2 z atmosféry, ktorého nadbytok vytváral „skleníkový efekt“ a teplota planéty klesla na súčasné hodnoty.

S tvorbou O 2 je najdôležitejšou udalosťou v. , čím sa svetlo Slnka stalo hlavným zdrojom-svob. energie, ale - prakticky neobmedzený zdroj pre syntézu in-in living. V dôsledku toho moderné zložením sa O 2 stal dostupným pre potravu (pozri), a to viedlo k vzniku vysokých organizmov. heterotrofné (používa sa ako zdroj exogénnych org. in-va).

OK 7 % org. Človek využíva produkty fotosyntézy ako potraviny, ako krmivo pre zvieratá, ale aj vo forme a stavbách. materiál. Fosília je tiež produktom fotosyntézy. Jeho spotreba v kon. 20. storočie približne rovnaký ako rast biomasy.

Celková akumulácia energie slnečného žiarenia vo forme produktov fotosyntézy je cca. 1,6 10 21 kJ za rok, čo je asi 10-krát viac ako v súčasnosti. energický. ľudská spotreba. Približne polovica energie slnečného žiarenia dopadá na viditeľnú oblasť spektra (vlnová dĺžka l od 400 do 700 nm), ktorá sa využíva na fotosyntézu (fyziologicky aktívne žiarenie, alebo PAR). IR žiarenie nie je vhodné na fotosyntézu kyslíka produkujúceho (vyššie rastliny a riasy), ale využívajú ho niektoré fotosyntetické baktérie.

Vzhľadom na to, že tvoria hlavné množstvo biosyntetických produktov. činnosti rastlín, chem. Rýchlosť fotosyntézy sa zvyčajne píše takto:

Pre tento p-tion 469,3 kJ / , pokles o 30,3 J / (K mol), -479 kJ / . Kvantová spotreba fotosyntézy pre jednobunkové riasy v laboratóriu. podmienok je 8-12 kvant na CO 2 . Využitie energie slnečného žiarenia dopadajúceho na zemský povrch pri fotosyntéze nie je väčšie ako 0,1 % z celkovej PAR. Naíb. Produktívne rastliny (napr. cukrová trstina) absorbujú cca. 2% energie dopadajúceho žiarenia a plodiny - až 1%. Obvykle je celková produktivita fotosyntézy limitovaná obsahom CO 2 v (0,03-0,04 % obj.), intenzitou svetla a t-rojom. Zrelé špenátové listy v bežnom zložení pri 25 0 C vo svetle intenzity nasýtenia (pri slnečnom svetle) dávajú niekoľko. litrov O2 za hodinu na gram alebo na kilogram sušiny. Pre riasu Chlorella pyrenoidosa pri 35 0 C umožňuje zvýšenie CO 2 z 0,03 na 3 % zvýšenie produkcie O 2 5-násobne, takáto aktivácia je limitná.

Bakteriálna fotosyntéza a celková rýchlosť fotosyntézy. Spolu s fotosyntézou vyšších rastlín a rias, sprevádzaná uvoľňovaním O 2, prebieha v prírode bakteriálna fotosyntéza, v Krom sa neoxiduje, ale iné zlúčeniny s výraznejšou obnovou. Napríklad sv. H2S, SO2. počas bakteriálnej fotosyntézy sa neuvoľňuje, napr.

Fotosyntetické baktérie sú schopné využívať nielen viditeľné, ale aj blízke IR žiarenie (do 1000 nm) v súlade s absorpčnými spektrami bakteriochlorofylov, ktoré v nich prevládajú. Bakteriálna fotosyntéza nie je nevyhnutná pre globálne ukladanie slnečnej energie, ale je dôležitá pre pochopenie všeobecných mechanizmov fotosyntézy. Navyše, lokálne anoxická fotosyntéza môže významne prispieť k celkovej produktivite planktónu. Takže v Čiernom mori je počet bakteriochlorofylu v stĺpci na mnohých miestach približne rovnaký.

S prihliadnutím na údaje o fotosyntéze vyšších rastlín, rias a fotosyntetických baktérií možno zovšeobecnenú rovnicu fotosyntézy zapísať ako:

F Otosyntéza je priestorovo a časovo rozdelená na dva relatívne samostatné procesy: svetlé štádium a tmavé štádium CO2 (obr. 1). Obidve tieto štádiá sa vykonávajú vo vyšších rastlinách a riasach v špecializovaných. organely - . Výnimkou sú modrozelené riasy (sinice), ktoré nemajú aparát fotosyntézy, ktorý je oddelený od cytoplazmy. .

V reakcii. centrum fotosyntézy, kde sa s takmer 100% pravdepodobnosťou prenáša vzruch, vzniká primárny p-tion medzi fotochemicky aktívnym a (bakteriochlorofyl u baktérií) a primárnym akceptorom (PA). Ďalšie oblasti v tylakoidoch sa vyskytujú medzi v ich DOS. stavy a nevyžadujú budenie svetlom. Tieto okresy sú organizované do elektrónového transportného reťazca – sledu pevných nosičov. Elektrónový transportný reťazec vyšších rastlín a rias obsahuje dve fotochem. centrá (fotosystémy) pôsobiace sekvenčne (obr. 2), v reťazci transportu elektrónov baktérie - jedno (obr. 3).

Vo fotosystéme II vyšších rastlín a rias singlet excitovaný a v strede P680 (číslo 680 znamená, že maximálne spektrálne zmeny systému pri excitácii svetlom sú blízko 680 nm) prechádza cez intermediárny akceptor na feofytín (PHEO, analóg bez horčíka), tvoriaci. Radikálový anión redukovaného feofytínu ďalej slúži pre naviazaný plastochinón (HRP*; líši sa od substituentov v chinoidnom kruhu) koordinovaný s Fe 3+ (v baktériách je podobný komplex Fe 3+ -ubichinón). Potom sa prenáša pozdĺž reťazca, vrátane voľného plastochinónu (HRP), ktorý je prítomný v nadbytku vzhľadom na ostatné zložky reťazca, potom (C) b 6 a f, ktoré tvoria komplex so železo-sírovým centrom, cez látku s obsahom mediplastocyanínu (PC; mol. w. 10400) do reakčného centra fotosystému I.

Strediská sú rýchlo obnovené, pričom prechádzajú množstvom intervalov. dopravcovia z . Tvorba O 2 vyžaduje postupnosť. štvornásobná excitácia reakčného centra fotosystému P a je katalyzovaná membránovým komplexom obsahujúcim Mn.

Fotosystém I dokáže konať autonómne bez kontaktu so systémom II. V tomto prípade cyklické prenos (zobrazený v diagrame bodkovanou čiarou) je sprevádzaný NADPH, nie NADPH. Vznikol v štádiu svetla

NADPH a používajú sa v temnom štádiu fotosyntézy, počas ktorej sa opäť tvoria NADP a.

Elektrónové transportné reťazce fotosyntetických baktérií sú vo svojich hlavných znakoch podobné jednotlivým fragmentom tých v chlorofyloch vyšších rastlín. Na obr. 3 znázorňuje elektrónový transportný reťazec purpurových baktérií.

Temné štádium fotosyntézy. Všetky fotosyntetické, produkujúce O 2, ako aj niektoré fotosyntetické baktérie najskôr redukujú CO 2 na tzv. Calvinov cyklus. Vo fotosyntetických baktériách sa zjavne vyskytujú aj iné mechanizmy. Väčšina Calvinovho cyklu sa nachádza v rozpustnom stave v stróme.

Zjednodušený diagram cyklu je znázornený na obr. 4. Prvý stupeň - ribulóza-1,5-difosfát a hydrolýzu produktu s tvorbou dvoch 3-fosfoglycerolov na-váš. Táto C3-kyselina sa fosforyluje za vzniku 3-fosfoglyceroylfosfátu, ktorý sa potom redukuje pomocou NADPH na glyceraldehyd-3-fosfát. Výsledný triózafosfát potom vstupuje do série p-tiónov a preskupení, čím sa získa 3-ribulóza-5-fosfát. Ten je fosforylovaný za účasti tvorby rio-loso-1,5-difosfátu a tým sa cyklus uzatvára. Jeden z vytvorených 6-glyceraldehyd-3-fosfátov sa premení na glukóza-6-fosfát a potom sa použije na syntézu alebo sa z neho uvoľní. Glyceraldehyd-3-fosfát sa môže tiež premeniť na 3-glycerofosfát a potom na. Trioso, pochádzajúce z , sú prevedené na hlavné. c, okraje sa prenesú z listu do iných častí rastliny.

V jednom kompletnom otočení Calvinovho cyklu sa spotrebuje 9 a 6 NADPH na vytvorenie jednej kyseliny 3-fosfoglycerolovej. energie účinnosť cyklu (pomer fotónovej energie potrebnej na fotosyntézu a NADPH k tvorbe DG 0 z CO 2), berúc do úvahy tie, ktoré sú aktívne v stróme, je 83 %. V samotnom Calvinovom cykle nie sú žiadne fotochemikálie. štádia, ale svetelné štádiá ho môžu nepriamo ovplyvniť (vrátane okresov, ktoré nevyžadujú ani NADPH) prostredníctvom zmien Mg 2+ a H+, ako aj úrovne redukcie.

Niektoré vyššie rastliny, ktoré sa prispôsobili vysokej intenzite svetla a teplému podnebiu (napr. cukrová trstina, kukurica), sú schopné navyše fixovať CO 2 . C 4-cyklus. Zároveň je CO 2 najskôr zahrnutý do výmeny štvoruhlíkových dikarboxylových kyselín, ktoré sú následne dekarboxylované tam, kde je lokalizovaný Calvinov cyklus. C 4 -Cyklus je charakteristický pre rastliny so špeciálnym anatomickým. stavba listov a rozdelenie funkcií medzi dva druhy kaktusov, mliečniky a iné rastliny odolné voči suchu, charakteristická je čiastočná separácia fixácie CO 2 a fotosyntézy v čase (CAM-exchange, resp. výmena typu Crassulaceae; CAM skrátene z anglického Crassulaceae acid metabolizmus ). Počas dňa sú prieduchy (kanály, cez ktoré sa uskutočňuje výmena plynov) uzavreté, aby sa zredukovali. Zároveň je sťažený aj prísun CO 2 . V noci sa otvoria prieduchy, CO 2 sa fixuje vo forme kyseliny fosfoenol-pyrohroznovej za vzniku C 4 kyselín, ktoré sa cez deň dekarboxylujú a súčasne uvoľnený CO 2 je zahrnutý do Calvinovho cyklu (obr. 6).

Fotosyntéza halobaktérií. Jediným nechlorofylovým spôsobom uchovávania svetelnej energie, ktorý je v prírode známy, je baktéria Halobacterium halobium. Ha jasné svetlo so zníženou koncentráciou chlorofylu. Nakoniec to dokázala hmotnostná spektrometria. metódou (S. Ruben, M. Kamen, ako aj A. P. Vinogradov a R. V. Teis, 1941).

V rokoch 1935-41 K. Van Niel zhrnul údaje o fotosyntéze vyšších rastlín a baktérií a navrhol všeobecnú rovnicu zahŕňajúcu všetky typy fotosyntézy.X. Gaffron a K. Wohl, ako aj L. Duysens v rokoch 1936-52 na základe množstiev. merania výťažnosti produktov fotosyntézy absorbovaného svetla a obsahu sformulovali koncept „fotosyntetickej jednotky“ – súboru, ktorý vykonáva zber svetla a slúži fotochem. centrum.

V 40-50 rokoch. M. Calvin pomocou 14 C odhalil mechanizmus fixácie CO 2 . D. Arnon (1954) objavil fotofosforyláciu (iniciovanú svetlom z a H 3 PO 4) a sformuloval koncepciu transportu elektrónov v . P. Emerson a Ch.M. Lewis (1942-43) zistil prudký pokles účinnosti fotosyntézy pri 700 nm (červený pád alebo prvý Emersonov efekt) a v roku 1957 Emerson pozoroval neaditívny nárast fotosyntézy, keď sa pridalo svetlo s nízkou intenzitou650 nm až ďaleko červené svetlo (efekt zosilnenia alebo druhý Emersonov efekt). Na tomto v 60. rokoch. sformuloval myšlienku dôsledného konaniafotosystémy v elektrónovom transportnom reťazci fotosyntézy s maximami v akčných spektrách blízko 680 a 700 HM.

Hlavná zákony tvorby O 2 pri fotosyntéze boli stanovené v prácach B. Koka a P. Joliota (1969-70). Objasňovanie móla sa blíži ku koncu. organizáciu membránového komplexu katalyzujúceho tento proces. V 80. rokoch. metódou bola podrobne študovaná štruktúra jednotlivých zložiek fotosyntézy. aparatúry vrátane reakčných centier a komplexov na zber svetla (I. Deizenhofer, X. Michel, P. Huber).

Lit.: Clayton R., Photosyntech. Fyzikálne mechanizmy a chemické modely, trans. z angličtiny, M., 1984; "J. All-Russian Chemical Society pomenovaná po D. I. Mendelejev", 1986, v. 31, č. 6; Fotosyntéza, ed. Govinji, prekl. z angličtiny, zväzok 1-2, M., 1987; Výsledky vedy a techniky, . Biophysics, zväzok 20-22, M., 1987. M.G. Goldfeld.

Ľudský život, ako všetky živé veci na Zemi, je nemožný bez dýchania. Dýchame kyslík zo vzduchu a vydychujeme oxid uhličitý. Prečo nedochádza kyslík? Ukazuje sa, že vzduch v atmosfére je nepretržite zásobovaný kyslíkom. A k tejto saturácii dochádza práve vďaka fotosyntéze.

Fotosyntéza – jednoduchá a jasná!

Každý musí pochopiť, čo je fotosyntéza. Na to vôbec nemusíte písať zložité vzorce, stačí pochopiť dôležitosť a kúzlo tohto procesu.

Hlavnú úlohu v procese fotosyntézy zohrávajú rastliny - tráva, stromy, kríky. Práve v listoch rastlín po milióny rokov dochádza k úžasnej premene oxidu uhličitého na kyslík, ktorý je pre život tak potrebný, aby mohli milenci dýchať. Skúsme si po poriadku rozobrať celý proces fotosyntézy.

1. Rastliny odoberajú z pôdy vodu s rozpustenými minerálmi - dusík, fosfor, mangán, draslík, rôzne soli - celkovo viac ako 50 rôznych chemických prvkov. Rastliny ho potrebujú na výživu. Ale rastliny prijímajú zo zeme len 1/5 potrebných látok. Zvyšné 4/5 dostanú zo vzduchu!

2. Rastliny absorbujú oxid uhličitý zo vzduchu. Ten istý oxid uhličitý, ktorý vydýchneme každú sekundu. Rastliny dýchajú oxid uhličitý, rovnako ako my dýchame kyslík. Ani toto však nestačí.

3. Neodmysliteľnou súčasťou v prírodnom laboratóriu je slnečné svetlo. Slnečné lúče v listoch rastlín prebúdzajú mimoriadnu chemickú reakciu. ako sa to stane?

4. V listoch rastlín je úžasná látka - chlorofyl. Chlorofyl dokáže zachytiť tok slnečného žiarenia a neúnavne spracovávať prijatú vodu, mikroprvky, oxid uhličitý na organické látky potrebné pre každého živého tvora na našej planéte. V tomto bode rastliny uvoľňujú kyslík do atmosféry! Práve toto dielo chlorofylu vedci nazývajú zložené slovo - fotosyntéza.

Prezentáciu na tému Fotosyntéza je možné stiahnuť na vzdelávacom portáli

Prečo je teda tráva zelená?

Teraz, keď vieme, že rastlinné bunky obsahujú chlorofyl, je na túto otázku veľmi ľahké odpovedať. Nie bez dôvodu sa zo starovekého gréckeho jazyka chlorofyl prekladá ako „zelený list“. Na fotosyntézu využíva chlorofyl všetky slnečné lúče okrem zelenej. Vidíme trávu, listy rastlín sú zelené práve preto, že chlorofyl je zelený.

Význam fotosyntézy.

Význam fotosyntézy nemožno preceňovať – bez fotosyntézy by sa v atmosfére našej planéty nahromadilo priveľa oxidu uhličitého, väčšina živých organizmov by jednoducho nemohla dýchať a zomreli by. Naša Zem by sa zmenila na planétu bez života. Aby sa tomu zabránilo, každý človek na planéte Zem si musí pamätať, že sme rastlinám veľmi zaviazaní.

Preto je také dôležité, aby sa v mestách vytvorilo čo najviac parkov a zelených plôch. Chráňte tajgu a džungľu pred zničením. Alebo len zasaďte strom blízko domu. Alebo lámať konáre. Len účasť každého človeka na planéte Zem pomôže zachrániť život na jeho rodnej planéte.

Ale význam fotosyntézy sa neobmedzuje len na premenu oxidu uhličitého na kyslík. V dôsledku fotosyntézy sa v atmosfére vytvorila ozónová vrstva, ktorá chráni planétu pred škodlivými ultrafialovými lúčmi. Rastliny sú potravou pre väčšinu živých vecí na Zemi. Jedlo je potrebné a užitočné. Výživa rastlín je tiež zásluhou fotosyntézy.

Nedávno sa chlorofyl aktívne používa v medicíne. Ľudia už dlho vedia, že choré zvieratá inštinktívne jedia zelené listy, aby sa vyliečili. Vedci zistili, že chlorofyl je podobný látke v ľudských krvinkách a dokáže skutočné zázraky.

Fotosyntéza je biosyntéza, ktorá spočíva v premene svetelnej energie na organické zlúčeniny. Svetlo vo forme fotónov je zachytené farebným pigmentom spojeným s anorganickým alebo organickým donorom elektrónov a umožňuje využitie minerálneho materiálu na syntézu (výrobu) organických zlúčenín.

Inými slovami, čo je fotosyntéza - to je proces syntézy organickej hmoty (cukru) zo slnečného žiarenia. K tejto reakcii dochádza na úrovni chloroplastov, čo sú špecializované bunkové organely, ktoré umožňujú spotrebu oxidu uhličitého a vody na produkciu dikyslíka a organických molekúl, ako je glukóza.

Prebieha v dvoch fázach:

Svetelná fáza (fotofosforylácia) - je súbor fotochemických (t.j. svetlo zachytávajúcich) reakcií závislých od svetla, pri ktorých sú elektróny transportované cez oba fotosystémy (PSI a PSII) za vzniku ATP (energeticky bohatá molekula) a NADPHH (redukčný potenciál) .

Svetelná fáza fotosyntézy teda umožňuje priamu premenu svetelnej energie na chemickú energiu. Vďaka tomuto procesu má teraz naša planéta atmosféru bohatú na kyslík. V dôsledku toho sa vyšším rastlinám podarilo ovládnuť povrch Zeme a poskytnúť potravu mnohým ďalším organizmom, ktoré sa cez ňu živia alebo nachádzajú úkryt. Pôvodná atmosféra obsahovala plyny ako amónium, dusík a oxid uhličitý, ale veľmi málo kyslíka. Rastliny našli spôsob, ako tento CO2 tak hojne premeniť na jedlo pomocou slnečného žiarenia.

Tmavá fáza zodpovedá plne enzymatickému a na svetle nezávislému Calvinovmu cyklu, v ktorom sa adenozíntrifosfát (ATP) a NADPH+H+ (nikotín amid adenín dinukleotid fosfát) používajú na premenu oxidu uhličitého a vody na sacharidy. Táto druhá fáza umožňuje absorpciu oxidu uhličitého.

To znamená, že v tejto fáze fotosyntézy, približne pätnásť sekúnd po absorpcii CO, nastáva syntézna reakcia a objavujú sa prvé produkty fotosyntézy - cukry: triózy, pentózy, hexózy, heptózy. Sacharóza a škrob sa tvoria z určitých hexóz. Okrem uhľohydrátov sa môžu naviazaním na molekulu dusíka vyvinúť aj na lipidy a bielkoviny.

Tento cyklus existuje v riasach, rastlinách mierneho pásma a všetkých stromoch; tieto rastliny sa nazývajú "rastliny C3", najdôležitejšie medziprodukty biochemického cyklu, ktoré majú molekulu troch atómov uhlíka (C3).

V tejto fáze má chlorofyl po absorpcii fotónu energiu 41 kcal na mól, z čoho sa časť premení na teplo alebo fluorescenciu. Použitie izotopových markerov (18O) ukázalo, že kyslík uvoľnený počas tohto procesu pochádza z rozloženej vody a nie z absorbovaného oxidu uhličitého.

Fotosyntéza sa vyskytuje hlavne v listoch rastlín a zriedkavo (niekedy) v stonkách atď. Časti typického listu zahŕňajú: hornú a dolnú epidermis;

• mezofyl;
• cievny zväzok (žily);
• stomata.

Ak bunky hornej a dolnej epidermy nie sú chloroplasty, nedochádza k fotosyntéze. V skutočnosti slúžia predovšetkým ako ochrana zvyšku listu.

Stomata sú otvory nachádzajúce sa hlavne v spodnej časti epidermis a umožňujú výmenu vzduchu (CO a O2). Cievne zväzky (alebo žily) v liste tvoria súčasť transportného systému rastliny, podľa potreby presúvajú vodu a živiny okolo rastliny. Bunky mezofylu majú chloroplasty, to je miesto fotosyntézy.

Mechanizmus fotosyntézy je veľmi zložitý.. Tieto procesy v biológii sú však mimoriadne dôležité. Keď sú chloroplasty (časti rastlinnej bunky obsahujúce chlorofyl) vystavené silnému svetlu, vstupujú do fotosyntézy a spájajú oxid uhličitý (CO) so sladkou vodou za vzniku cukrov C6H12O6.

Pri reakcii sa premenia na škrob C6H12O5, na štvorcový decimeter povrchu listov je v priemere 0,2 g škrobu denne. Celú operáciu sprevádza silné uvoľnenie kyslíka.

V skutočnosti proces fotosyntézy pozostáva hlavne z fotolýzy molekuly vody.

Vzorec pre tento proces je:

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

Voda + oxid uhličitý + svetlo = kyslík + glukóza

• H20 = voda
• CO 2 = oxid uhličitý
• O2 = kyslík
• C6H1206 \u003d glukóza

V preklade tento proces znamená: rastlina potrebuje šesť molekúl vody + šesť molekúl oxidu uhličitého a svetlo, aby vstúpila do reakcie. Výsledkom je vytvorenie šiestich molekúl kyslíka a glukózy v chemickom procese. Glukóza je glukóza, ktorý rastlina využíva ako východiskový materiál pre syntézu tukov a bielkovín. Šesť molekúl kyslíka je pre rastlinu len „nevyhnutným zlom“, ktoré dodáva do okolia cez uzatváracie bunky.

Ako už bolo spomenuté, sacharidy sú najdôležitejším priamym organickým produktom fotosyntézy vo väčšine zelených rastlín. V rastlinách sa tvorí málo voľnej glukózy; namiesto toho sú glukózové jednotky spojené za vzniku škrobu alebo kombinované s fruktózou, ďalším cukrom, za vzniku sacharózy.

Fotosyntéza produkuje viac ako len sacharidy., ako sa kedysi myslelo, ale aj:

• aminokyseliny;
• proteíny;
• lipidy (alebo tuky);
• pigmenty a iné organické zložky zelených tkanív.

Minerály dodávajú prvky (napr. dusík, N; fosfor, P; síra, S) potrebné na tvorbu týchto zlúčenín.

Chemické väzby sa prerušujú medzi kyslíkom (O) a uhlíkom (C), vodíkom (H), dusíkom a sírou a v produktoch, ktoré zahŕňajú plynný kyslík (O 2 ) a organické zlúčeniny, vznikajú nové zlúčeniny. Na prerušenie väzieb medzi kyslíkom a ďalšie prvky (ako je voda, dusičnany a sírany) vyžadujú viac energie, než sa uvoľní pri vytváraní nových väzieb v produktoch. Tento rozdiel vo väzbovej energii vysvetľuje veľkú časť svetelnej energie uloženej ako chemická energia v organických produktoch produkovaných fotosyntézou. Dodatočná energia sa ukladá pri vytváraní zložitých molekúl z jednoduchých.

Faktory ovplyvňujúce rýchlosť fotosyntézy

Rýchlosť fotosyntézy sa určuje v závislosti od rýchlosti produkcie kyslíka buď na jednotku hmotnosti (alebo plochy) tkanív zelených rastlín, alebo na jednotku hmotnosti celkového chlorofylu.

Množstvo svetla, prísun oxidu uhličitého, teplota, zásoba vody a dostupnosť minerálov sú najdôležitejšie environmentálne faktory, ktoré ovplyvňujú rýchlosť fotosyntézy v rastlinách na súši. Jeho rýchlosť je určená aj druhom rastliny a jej fyziologickým stavom, ako je jej zdravotný stav, zrelosť a kvitnutie.

Fotosyntéza prebieha výlučne v chloroplastoch (grécky chlór = zelený, listovitý) rastliny. Chloroplasty sa nachádzajú predovšetkým v palisádach, ale aj v hubovitom tkanive. Na spodnej strane listu sú blokujúce bunky, ktoré koordinujú výmenu plynov. CO 2 prúdi do medzibunkových buniek zvonku.

Voda potrebná na fotosyntézu, transportuje rastlinu zvnútra cez xylém do buniek. Zelený chlorofyl zabezpečuje absorpciu slnečného žiarenia. Po premene oxidu uhličitého a vody na kyslík a glukózu sa uzatváracie bunky otvoria a uvoľnia kyslík do okolia. Glukóza zostáva v bunke a rastlina ju okrem iného premieňa na škrob. Pevnosť je v porovnaní s glukózovým polysacharidom a je len málo rozpustná, takže aj pri vysokých stratách vody v sile rastlinných zvyškov.

Význam fotosyntézy v biológii

Zo svetla prijatého doskou sa 20 % odrazí, 10 % prepustí a 70 % sa skutočne pohltí, z čoho 20 % sa rozptýli teplom, 48 % sa stratí fluorescenciou. Asi 2 % zostávajú na fotosyntézu.

Prostredníctvom tohto procesu rastliny hrať nezastupiteľnú úlohu na povrchu Zeme; v skutočnosti sú zelené rastliny s niektorými skupinami baktérií jediné živé bytosti schopné produkovať organické látky z minerálnych prvkov. Odhaduje sa, že každý rok sa 20 miliárd ton uhlíka fixuje suchozemskými rastlinami z oxidu uhličitého v atmosfére a 15 miliárd z rias.

Zelené rastliny sú hlavnými prvovýrobcami, prvým článkom potravinového reťazca; rastliny bez chlorofylu a bylinožravce a mäsožravce (vrátane človeka) sú úplne závislé na reakcii fotosyntézy.

Zjednodušená definícia fotosyntézy je premena svetelnej energie zo slnka na chemickú energiu. Táto fotonická biosyntéza uhľohydrátov sa vyrába z oxidu uhličitého CO2 pomocou svetelnej energie.

To znamená, že fotosyntéza je výsledkom chemickej činnosti (syntézy) rastlín chlorofylu, ktoré produkujú hlavné biochemické organické látky z vody a minerálnych solí vďaka schopnosti chloroplastov zachytávať časť slnečnej energie.

Fotosyntéza je súbor procesov premeny svetelnej energie na energiu chemických väzieb organických látok za účasti fotosyntetických farbív.

Tento typ výživy je typický pre rastliny, prokaryoty a niektoré typy jednobunkových eukaryotov.

Pri prirodzenej syntéze sa uhlík a voda v interakcii so svetlom premieňajú na glukózu a voľný kyslík:

6CO2 + 6H2O + svetelná energia → C6H12O6 + 6O2

Moderná fyziológia rastlín pod pojmom fotosyntéza chápe fotoautotrofnú funkciu, čo je súbor procesov absorpcie, premeny a využitia kvánt svetelnej energie pri rôznych nespontánnych reakciách, vrátane premeny oxidu uhličitého na organickú hmotu.

Fázy

Fotosyntéza v rastlinách sa vyskytuje v listoch prostredníctvom chloroplastov- poloautonómne dvojmembránové organely patriace do triedy plastidov. S plochým tvarom plechových dosiek je zabezpečená kvalitná absorpcia a plné využitie svetelnej energie a oxidu uhličitého. Voda potrebná na prirodzenú syntézu pochádza z koreňov cez tkanivo, ktoré vedie vodu. Výmena plynov prebieha difúziou cez prieduchy a čiastočne cez kutikulu.

Chloroplasty sú vyplnené bezfarebnou strómou a prestúpené lamelami, ktoré pri vzájomnej kombinácii vytvárajú tylakoidy. Tu prebieha fotosyntéza. Cyanobaktérie samotné sú chloroplasty, takže aparát na prirodzenú syntézu v nich nie je izolovaný do samostatnej organely.

Fotosyntéza pokračuje za účasti pigmentov ktorými sú zvyčajne chlorofyly. Niektoré organizmy obsahujú ďalší pigment - karotenoid alebo fykobilín. Prokaryoty majú pigment bakteriochlorofyl a tieto organizmy po dokončení prirodzenej syntézy neuvoľňujú kyslík.

Fotosyntéza prechádza dvoma fázami – svetlou a tmou. Každý z nich je charakterizovaný určitými reakciami a vzájomne sa ovplyvňujúcimi látkami. Pozrime sa podrobnejšie na proces fáz fotosyntézy.

Svetelný

Prvá fáza fotosyntézy charakterizované tvorbou vysokoenergetických produktov, ktorými sú ATP, bunkový zdroj energie, a NADP, redukčné činidlo. Na konci etapy vzniká ako vedľajší produkt kyslík. Svetelné štádium sa nevyhnutne vyskytuje pri slnečnom svetle.

Proces fotosyntézy prebieha v tylakoidných membránach za účasti proteínov nosiča elektrónov, ATP syntetázy a chlorofylu (alebo iného pigmentu).

Fungovanie elektrochemických obvodov, cez ktoré dochádza k prenosu elektrónov a čiastočne vodíkových protónov, sa tvorí v zložitých komplexoch tvorených pigmentmi a enzýmami.

Popis procesu svetelnej fázy:

1. Keď slnečné svetlo dopadá na listové platne rastlinných organizmov, elektróny chlorofylu sú excitované v štruktúre platní;
2. V aktívnom stave častice opúšťajú molekulu pigmentu a vstupujú na vonkajšiu stranu tylakoidu, ktorá je negatívne nabitá. K tomu dochádza súčasne s oxidáciou a následnou redukciou molekúl chlorofylu, ktoré odoberajú ďalšie elektróny z vody, ktorá sa dostala do listov;
3. Potom nastáva fotolýza vody s tvorbou iónov, ktoré darujú elektróny a premieňajú sa na OH radikály, ktoré sa môžu v budúcnosti zúčastniť reakcií;
4. Tieto radikály sa potom spoja a vytvoria molekuly vody a voľný kyslík unikajúci do atmosféry;
5. Tylakoidná membrána získava na jednej strane kladný náboj vďaka vodíkovému iónu a na druhej strane záporný náboj vďaka elektrónom;
6. S rozdielom 200 mV medzi stranami membrány prechádzajú protóny cez enzým ATP syntetázu, čo vedie k premene ADP na ATP (proces fosforylácie);
7. Atómovým vodíkom uvoľneným z vody sa NADP + redukuje na NADP H2;

Zatiaľ čo voľný kyslík sa počas reakcií uvoľňuje do atmosféry, ATP a NADP H2 sa podieľajú na temnej fáze prirodzenej syntézy.

Tmavý

Povinnou zložkou pre túto fázu je oxid uhličitý., ktoré rastliny neustále prijímajú z vonkajšieho prostredia cez prieduchy v listoch. Procesy tmavej fázy prebiehajú v stróme chloroplastu. Keďže v tomto štádiu nie je potrebné veľké množstvo slnečnej energie a počas svetelnej fázy bude dostatok ATP a NADP H2, reakcie v organizmoch môžu prebiehať vo dne aj v noci. Procesy v tejto fáze sú rýchlejšie ako v predchádzajúcej.

Súhrn všetkých procesov prebiehajúcich v temnej fáze je prezentovaný ako druh reťaze postupných premien oxidu uhličitého prichádzajúceho z vonkajšieho prostredia:

1. Prvou reakciou v takomto reťazci je fixácia oxidu uhličitého. Prítomnosť enzýmu RiBP-karboxyláza prispieva k rýchlemu a hladkému priebehu reakcie, ktorej výsledkom je vznik šesťuhlíkovej zlúčeniny, rozkladajúcej sa na 2 molekuly kyseliny fosfoglycerovej;
2. Potom nastáva pomerne zložitý cyklus, vrátane určitého počtu reakcií, po ktorých sa kyselina fosfoglycerová premení na prírodný cukor – glukózu. Tento proces sa nazýva Calvinov cyklus;

Spolu s cukrom dochádza aj k tvorbe mastných kyselín, aminokyselín, glycerolu a nukleotidov.

Podstata fotosyntézy

Z tabuľky porovnania svetlých a tmavých fáz prirodzenej syntézy možno stručne opísať podstatu každej z nich. Svetelná fáza sa vyskytuje v zrnách chloroplastu s povinným zahrnutím svetelnej energie do reakcií. Reakcie zahŕňajú také zložky, ako sú proteíny nesúce elektróny, ATP syntetáza a chlorofyl, ktoré pri interakcii s vodou vytvárajú voľný kyslík, ATP a NADP H2. Pre tmavú fázu vyskytujúcu sa v stróme chloroplastu nie je slnečné svetlo podstatné. ATP a NADP H2 získané v poslednom štádiu pri interakcii s oxidom uhličitým tvoria prírodný cukor (glukózu).

Ako vyplýva z vyššie uvedeného, ​​fotosyntéza sa javí ako pomerne zložitý a viacstupňový jav, ktorý zahŕňa množstvo reakcií, na ktorých sa podieľajú rôzne látky. V dôsledku prirodzenej syntézy sa získava kyslík, ktorý je nevyhnutný pre dýchanie živých organizmov a ich ochranu pred ultrafialovým žiarením tvorbou ozónovej vrstvy.