В процессе фотосинтеза образуются: что происходит в растении в процессе фотосинтеза, что выделяется в световую и темновую фазу фотосинтеза

Содержание

что происходит в растении в процессе фотосинтеза, что выделяется в световую и темновую фазу фотосинтеза

Что такое фотосинтез

Фотосинтез — процесс, при котором в клетках, содержащих хлорофилл, под действием энергии света образуются органические вещества из неорганических. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород, как побочный продукт фотосинтеза.

Процессы фотосинтеза идут в тканях, содержащих хлоропласты, — преимущественно, в листе, на который приходится большая часть процессов фотосинтеза. Такая ткань называется хлоренхима, или мезофилл. 

Строение хлоропластов

Чтобы понять, что происходит в растении при фотосинтезе, изучим подробнее хлоропласты. Хлоропласты — это особые пластиды растительных клеток, в которых происходит фотосинтез. Основные элементы структурной организации хлоропластов высших растений представлены на рис.1.

Рис.1. Строение хлоропласта высших растений

Хлоропласт — это двумембранный органоид. Внешняя мембрана проницаема для большинства органических и неорганических соединений. Она содержит специальные транспортные белки, благодаря которым нужные для работы хлоропласта пептиды и другие вещества попадают в него из цитоплазмы. Внутренняя мембрана обладает избирательной проницаемостью и способна контролировать, какие именно вещества попадут во внутреннее пространство хлоропласта.

Для хлоропластов характерна сложная система внутренних мембран, позволяющая пространственно организовать фотосинтетический аппарат, упорядочить и разделить реакции фотосинтеза, несовместимые между собой, и их продукты. Мембраны образуют тилакоиды, которые, в свою очередь, собираются в «стопки» — граны. Пространство внутри тилакоидов называется внутритилакоидным пространством, или люменом. 

Внутреннее пространство хлоропласта между гранами заполняет строма — гидрофильный слабоструктурированный матрикс. В строме содержатся необходимые для реакций синтеза сахаров ферменты, а также рибосомы, кольцевая молекула ДНК, крахмальные зёрна.

Пигменты хлоропластов

Что происходит во время фотосинтеза? На молекулярном уровне фотосинтез обеспечивают особые вещества — пигменты, благодаря которым энергия солнечного света становится доступной для биологических систем. У фотосинтезирующих организмов можно выделить три основные группы пигментов:

  • хлорофилл а — у большинства фотосинтезирующих организмов,
  • хлорофилл b — у высших растений и зелёных водорослей,
  • хлорофилл c — у бурых водорослей,
  • хлорофилл d — у некоторых красных водорослей.
  • каротины — у всех фотосинтезирующих организмов, кроме прокариот;
  • ксантофиллы — у всех фотосинтезирующих организмов, кроме прокариот
  • Фикобилины — красные и синие пигменты красных водорослей.

В хлоропластах пигменты ассоциированы с белками с помощью ионных, водородных и других типов связей. Не стоит забывать, что у растений есть множество других пигментов, находящихся не в хлоропластах и не принимающих участие в фотосинтезе — например, антоцианы.

Хлорофилл

Хлорофиллы выполняют функции поглощения, преобразования и транспорта энергии света. Лучше всего хлорофиллы поглощают свет в синей (430—460 нм) и красной (650—700 нм) областях спектра. Зелёную область спектра хлорофиллы эффективно отражают, что придаёт растению зелёный цвет.

Интересно, что строение молекулы хлорофилла схоже со строением гемоглобина, но центром молекулы хлорофилла является ион магния, а не железа.

Основными хлорофиллами высших растений являются хлорофилл a и хлорофилл b, они входят в состав реакционных центров фотосистем и светособирающих комплексов мембран тилакоидов хлоропластов. Светособирающие комплексы улавливают кванты света и передают энергию к фотосистемам I и II. Фотосистемы — это пигмент-белковые комплексы, играющие ключевую роль в световой фазе фотосинтеза.

Каротиноиды

Каротиноиды — это жёлтые, оранжевые или красные пигменты. В зелёных листьях каротиноиды обычно незаметны из-за наличия в листьях хлорофилла. При разрушении хлорофилла осенью именно каротиноиды придают листьям характерную жёлто-оранжевую окраску. 

Функции каротиноидов:

  • Антенная — входят в состав светособирающих комплексов, улавливают энергию света и передают её на хлорофиллы. Каротиноиды играют роль дополнительных светособирающих пигментов в той части солнечного спектра (450—570 нм), где хлорофиллы малоэффективны. Особенно это важно для водных экосистем, в которых волны оптимальной для хлорофиллов длины быстро исчезают с глубиной.
  • Защитная функция (антиоксидантная) — обезвреживание агрессивных кислородных соединений (активных форм кислорода) и избытка хлорофилла в возбуждённом состоянии при слишком ярком освещении.

Каротиноиды химически представляют собой 40-углеродную цепь с двумя углеродными кольцами по краям цепи. В строении ксантофиллов, в отличие от каротинов, присутствуют спиртовые, эфирные или альдегидные группы.

Учите биологию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду
BIO72020 вы получите бесплатный доступ к курсу биологии 7 класса, в котором изучается тема фотосинтеза.

Что происходит в процессе фотосинтеза

Как уже было сказано ранее, в ходе фотосинтеза в хлоропластах под действием солнечного света образуются органические вещества. 

Процесс фотосинтеза можно разделить на две фазы:

1. Световая.

2. Темновая.

В ходе световой фазы фотосинтеза образуется энергия в виде АТФ и универсальный донор атома водорода — восстановитель НАДФН (НАДФ·Н2). Эти вещества необходимы для протекания темновой фазы. Также образуется побочный продукт — кислород. Световая фаза может проходить только на мембранах тилакоидов и на свету.

Благодаря сложному биохимическому процессу — циклу Кальвина — в темновую фазу фотосинтеза образуются органические вещества (сахара). Темновая фаза проходит в строме хлоропластов и на свету, и в темноте. Темновые ферментативные процессы протекают медленнее, чем световые, поэтому при очень ярком освещении скорость протекания фотосинтеза будет полностью определяться скоростью темновой фазы. Схемы процессов фотосинтеза представлены на рис.2. Подробное описание процессов смотри далее.

Рис.2. Схема процессов фотосинтеза и суммарное уравнение фотосинтеза.

Световая фаза фотосинтеза

Чтобы лучше понять, что происходит во время фотосинтеза, разберём фазы фотосинтеза. Световая фаза фотосинтеза включает в себя фотохимические и фотофизические процессы, и может быть поделена на три этапа:

  1. Фаза поглощения — энергия света улавливается при помощи светособирающих комплексов, переходит в энергию электронного возбуждения пигментов, передаётся в реакционный центр фотосистем I и II. 
  2. Фаза реакционных центров — энергия электронного возбуждения пигментов светособирающих комплексов используется для активации реакционных центров фотосистем. В реакционном центре электрон от возбуждённого хлорофилла передаётся другим компонентам электрон-транспортной цепи, пигмент после отдачи электрона переходит в окисленное состояние и становится способным, в свою очередь, отнимать электроны у других веществ. Именно в этом процессе происходит преобразование физической формы энергии в химическую.
  3. Фаза электрон-транспортной цепи — электроны переносятся по цепи переносчиков, образуются АТФ, НАДФН, O2. Необходимо, чтобы каждый переносчик электрон-транспортной цепи поочерёдно восстанавливался и окислялся, обеспечивая таким образом перенос энергии электронов. Любой этап переноса электрона сопровождается высвобождением или поглощением энергии. Часть энергии теряется. На некоторых участках электрон-транспортной цепи перенос электрона сопряжён с переносом протона.

Для того чтобы понять, что происходит во время фазы фотосинтеза, рассмотрим эти процессы подробнее. Кванты света улавливаются светособирающими комплексами фотосистемы I — молекула хлорофилла в составе светособирающего комплекса переходит в возбуждённое состояние, и энергия передаётся в реакционный центр фотосистемы I. Происходит возбуждение молекул хлорофилла фотосистемы I,   отщепляется электрон. Пройдя по цепочке внутренних компонентов фотосистемы I и внешних переносчиков, электрон в конце концов попадает к НАДФ+ — образуется восстановитель НАДФН. Получается, что хлорофилл фотосистемы I отдал электрон и приобрёл положительный заряд, и для дальнейшего функционирования необходимо восстановить нейтральность молекулы, получить электрон, чтобы закрыть «дырку». Этот электрон приходит от фотосистемы II.

На светособирающие комплексы фотосистемы II попадают кванты света — происходит возбуждение молекулы хлорофилла фотосистемы II, молекула хлорофилла отдаёт электрон и переходит в окисленное состояние. Нехватку электрона хлорофилл восполняет благодаря фотолизу воды, при этом образуется протоны H+, а также важный побочный продукт фотосинтеза — кислород. По цепи переносчиков электрон от хлорофилла фотосистемы II попадает к хлорофиллу реакционного центра фотосистемы I и восстанавливает его. Теперь этот хлорофилл может снова поглощать энергию кванта света и отдавать электрон в электрон-транспортную цепь.

Протоны, попадающие во внутритилакоидное пространство, используются для синтеза АТФ. С помощью фермента АТФ-синтазы за счёт градиента протонов образуется АТФ из АДФ и фосфата. Под градиентом понимают неравномерное распределение: во внутритилакоидном пространстве H+ больше, в строме — меньше. Поэтому частицы стремятся проникнуть в строму, переходят в неё через АТФ-синтазу, а в процессе пути сквозь белковый комплекс отдают ему часть энергии, которая и используется для синтеза АТФ. 

Темновая фаза фотосинтеза

Что образуется при фотосинтезе в темновую фазу? В строме хлоропластов с помощью энергии АТФ и восстановителя НАДФН, полученных в световую фазу, образуются простые сахара, из которых в ходе других процессов образуется крахмал. Ферментативные процессы не нуждаются в наличии света. Важнейший процесс, происходящий в темновую фазу фотосинтеза, — фиксация углекислого газа воздуха. Синтез и превращения сахаров в хлоропластах имеют циклический характер и носят название цикл Кальвина.

В нём можно выделить три этапа:

  1. Фаза карбоксилирования (введение CO2 в цикл).
  2. Фаза восстановления (используются АТФ и НАДФН, полученные в световую фазу).
  3. Фаза регенерации (превращения сахаров).

В строме хлоропластов находится производное простого пятиуглеродного сахара рибозы. С помощью особого фермента (Рубиско) к производному рибозы присоединяется CO2 (реакция карбоксилирования) — образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое быстро распадается на две трехуглеродные молекулы. Дальше, с затратой АТФ и НАДФН, полученных в ходе световых процессов, трехуглеродное соединение модифицируется — образуется восстановленное соединение с атомом фосфора и альдегидной группой в составе. Теперь перед клеткой стоит проблема: необходимо получить шестиуглеродное соединение — глюкозу для синтеза крахмала, а также пятиуглеродное — производное рибозы для того, чтобы эти процессы могли начаться заново. Для решения этих проблем в фазу регенерации из полученных ранее трехуглеродных соединений под действием ферментов образуются четырёх-, пяти-, шести- и семиуглеродные сахара. Из шестиуглеродной молекулы образуется глюкоза, из которой синтезируется крахмал. Из пятиуглеродной молекулы образуется производное рибозы и цикл замыкается. Остальные сахара также используются клеткой в других биохимических процессах.

Отдельно стоит сказать про крайне важный фермент первой фазы цикла Кальвина — рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилазу (Рубиско). Это сложный фермент, состоящий из 16 субъединиц, с молекулярной массой в 8 раз больше, чем у гемоглобина. Является одним из важнейших ферментов в природе, поскольку играет центральную роль в основном механизме поступления неорганического углерода (из CO2) в биологический круговорот. Содержание Рубиско в листьях растений очень велико, он считается самым распространённым ферментом на Земле. 

Рис.3. Суммарные уравнения и частные реакции фотосинтеза.

Значение фотосинтеза

В процессе фотосинтеза энергия света заключается в энергию химических связей органических веществ. Поэтому фотосинтез служит первичным источником почти всей энергии, используемой живыми организмами в процессе жизнедеятельности. Практически все живые организмы, за исключением хемосинтетиков, так или иначе пользуются теми продуктами, что выделяются при фотосинтезе.

За счёт фотосинтеза сформировалась и поддерживается пригодная для дыхания атмосфера с высоким содержанием кислорода. 

Фиксация углекислого газа в ходе фотосинтеза служит главным местом входа неорганического углерода в биогеохимический цикл. Также ассимиляция CO2 препятствует перегреву Земли, предотвращая парниковый эффект.

Заключение

Каждый год на нашей планете благодаря фотосинтезу производится около 200 миллиардов тонн кислорода, из которого образуется озоновый слой, защищающий от ультрафиолетовой радиации. Фотосинтез помогает поддерживать состав атмосферы и препятствует увеличению количества углекислого газа. Без растений и кислорода, который они выделяют в процессе фотосинтеза, жизнь на нашей планете была бы просто невозможна.

Фотосинтез (кратко)

В растениях (преимущественно в их листьях) на свету протекает фотосинтез. Это процесс, при котором из углекислого газа и воды образуется органическое вещество глюкоза (один из видов сахаров). Далее глюкоза в клетках превращается в более сложное вещество крахмал. И глюкоза, и крахмал являются углеводами.

В процессе фотосинтеза образуется не только органическое вещество, но также, в качестве побочного продукта, выделяется кислород.

Углекислый газ и вода — это неорганические вещества, а глюкоза и крахмал — органические. Поэтому часто говорят, что фотосинтез — это процесс образования органических веществ из неорганических на свету. Только растения, некоторые одноклеточные эукариоты и некоторые бактерии способны к фотосинтезу. В клетках животных и грибов такого процесса нет, поэтому они вынуждены поглощать из окружающей среды органические вещества. В связи с этим растения называют автотрофами, а животных и грибов — гетеротрофами.

Процесс фотосинтеза у растений протекает в хлоропластах, в которых содержится зеленый пигмент хлорофилл.

Итак, для протекания фотосинтеза необходимы:

В процессе фотосинтеза образуются:

Растения приспособлены к улавливанию света. У многих травянистых растений листья собраны в так называемую прикорневую розетку, когда листья не затеняют друг друга. Для деревьев характерна листовая мозаика, при которой листья растут так, чтобы как можно меньше затенять друг друга. У растений листовые пластинки могут поворачиваться к свету за счет изгибов черешков листьев. При всем этом существуют тенелюбивые растения, которые могут расти только в тени.

Вода для фотосинтеза поступает в листья из корней по стеблю. Поэтому важно, чтобы растение получало достаточное количество влаги. При недостатке воды и некоторых минеральных веществ процесс фотосинтеза тормозится.

Углекислый газ для фотосинтеза берется непосредственно из воздуха листьями. Кислород, который вырабатывается растением в процессе фотосинтеза, наоборот, выделяется в воздух. Газообмену способствуют межклетники (промежутки между клетками).

Образовавшиеся в процессе фотосинтеза органические вещества отчасти используются в самих листьях, но в основном оттекают во все другие органы и превращаются в другие органические вещества, используются при энергетическом обмене, превращаются в запасные питательные вещества.

2. Фотосинтез — процесс создания органических веществ

Фотосинтез главным образом происходит в зелёных листьях. Благодаря плоской форме листовой пластинки лист имеет большую поверхность соприкосновения с воздушной средой и солнечным светом.

 

Фотосинтез протекает в хлоропластах. В ходе этого процесса за счёт энергии солнечного света растение с помощью зелёного хлорофилла листьев образует необходимые ему органические вещества из неорганических — углекислого газа и воды.

 

Обрати внимание!

Фотосинтез всегда поддерживается корневым питанием — поглощением из почвы воды и минеральных солей. Без воды фотосинтез не происходит.

Рис. \(1\). Процесс фотосинтеза

 

Фотосинтез — очень сложный многоступенчатый процесс, состоящий из двух основных этапов.

  

\(1\) этап (световая фаза)

Обязательное условие — участие энергии солнечного света!

Начало процессу задаёт свет. Он активирует хлорофилл (вещество, содержащееся в хлоропластах). А активированный хлорофилл разрушает молекулу воды на водород и кислород. Кислород выделяется в воздух.

 

\(2\) этап (темновая фаза)

Этот этап фотосинтеза называют темновым, потому что здесь все процессы идут без участия света.

На этом этапе в ходе множества химических реакций с участием углекислого газа и активных компонентов, полученных на первом этапе фотосинтеза, образуется органическое вещество (углевод) — сахар (глюкоза).

Использование продуктов фотосинтеза

Пока растения находятся на свету, в их листья постоянно происходит фотосинтез и образуется глюкоза. Из глюкозы почти сразу же образуются другие углеводы.

 

Полученные вещества из листьев поступают в другие органы растения. Транспортируются растворы органических веществ по ситовидным трубкам.

 

Из глюкозы и минеральных веществ в клетках растения в процессе многочисленных превращений образуются другие органические вещества, в том числе белки и жиры.

Все эти органические вещества идут на рост и развитие растения — то есть на построение его тела, а также откладываются в запасающих тканях и используются при дыхании.

Источники:

Рис. 1. Процесс фотосинтеза  © ЯКласс

Как происходит фотосинтез в клетках

Растениям, как и всем живым организмам, для жизни, роста и развития нужны различные вещества. Они поступают из внешней для растения среды. В клетках растений протекают различные химические процессы, в результате которых из поступивших веществ, образуются другие вещества, характерные для растения.

Из почвы растение с помощью корней всасывает воду с растворенными в ней неорганическими (минеральными) веществами. А в зеленых частях растений, в основном в листьях, образуются органические вещества. Процесс образования растениями органических веществ из неорганических называется фотосинтезом.

Какие неорганические вещества необходимы для фотосинтеза? Это углекислый газ и вода. Углекислый газ содержится в воздухе. Его там около 0,03%. Углекислый газ выделяется в воздух в процессе дыхания почти всех живых организмов. Поэтому, несмотря на то, что его мало в воздухе, и растения постоянно поглощают его оттуда, количество углекислого газа постоянно пополняется. Кроме того, промышленность, автомобили среди прочего выбрасывают в воздух углекислый газ. Вода для фотосинтеза поступает из почвы с помощью всасывающей зоны корней.

Какие органические вещества образуются в процессе фотосинтеза? Это глюкоза. Глюкоза представляет собой углевод. Она сладкая и входит в состав молекулы сахара. Как мы знаем, есть три основные группы органических веществ: белки, жиры и углеводы. Неужели растениям не нужны белки и жиры? Нужны. Однако они образуются не в процессе фотосинтеза, а позже, в результате различных биохимических реакций, протекающих в различных клетках и органах растений. В том числе и в корнях. В этих реакциях участвует глюкоза и другие химические соединения. Избыток глюкозы преобразуется в растениях в крахмал и запасается в специальных органах (например, клубнях).

Какие неорганические вещества образуются в процессе фотосинтеза? Это кислород. Он выделяется в воздух. Кислород используется живыми организмами в процессе дыхания.

Как происходит процесс фотосинтеза? Для осуществления процесса фотосинтеза необходим солнечный свет. Он содержит энергию, которая преобразуется растениями в энергию химических связей в молекуле глюкозы. В процессе фотосинтеза участвует специальный пигмент хлорофилл, который находится в хлоропластах клеток растений. Именно хлорофилл придает растениям зеленый цвет. Он поглощает весь спектр видимого излучения, кроме зеленого цвета, который он отражает. Мы видим предметы таким цветом, который ими отражается.

Таким образом, фотосинтез — это процесс образования органических веществ из неорганических с целью запаса световой энергии в химических связях, который протекает с помощью специального пигмента (у растений им является хлорофилл).

Поскольку для растений так важен солнечный свет, то они стараются уловить его как можно больше. Для этого в процессе эволюции развились специальные приспособления. Листья растений обычно плоские и широкие. Их кожица тонкая и прозрачная. Обычно листья на растении располагаются так, чтобы не затенять друг друга.

Вещества которые образуются в процессе фотосинтеза. Как и где происходит процесс фотосинтеза у растений

Фотосинтез - это процесс синтеза органических веществ из неорганических за счет энергии света . В подавляющем большинстве случаев фотосинтез осуществляют растения с помощью таких клеточных органелл как хлоропласты , содержащих зеленый пигмент хлорофилл .

Если бы растения не были способны к синтезу органики, то почти всем остальным организмам на Земле нечем было бы питаться, так как животные, грибы и многие бактерии не могут синтезировать органические вещества из неорганических. Они лишь поглощают готовые, расщепляют их на более простые, из которых снова собирают сложные, но уже характерные для своего тела.

Так обстоит дело, если говорить о фотосинтезе и его роли совсем кратко. Чтобы понять фотосинтез, нужно сказать больше: какие конкретно неорганические вещества используются, как происходит синтез?

Для фотосинтеза нужны два неорганических вещества - углекислый газ (CO 2) и вода (H 2 O). Первый поглощается из воздуха надземными частями растений в основном через устьица. Вода - из почвы, откуда доставляется в фотосинтезирующие клетки проводящей системой растений. Также для фотосинтеза нужна энергия фотонов (hν), но их нельзя отнести к веществу.

В общей сложности в результате фотосинтеза образуется органическое вещество и кислород (O 2). Обычно под органическим веществом чаще всего имеют в виду глюкозу (C 6 H 12 O 6).

Органические соединения большей частью состоят из атомов углерода, водорода и кислорода. Именно они содержатся в углекислом газе и воде. Однако при фотосинтезе происходит выделение кислорода. Его атомы берутся из воды.

Кратко и обобщенно уравнение реакции фотосинтеза принято записывать так:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Но это уравнение не отражает сути фотосинтеза, не делает его понятным. Посмотрите, хотя уравнение сбалансированно, в нем общее количество атомов в свободном кислороде 12. Но мы сказали, что они берутся из воды, а там их только 6.

На самом деле фотосинтез протекает в две фазы. Первая называется световой , вторая - темновой . Такие названия обусловлены тем, что свет нужен только для , независима от его наличия, но это не значит, что она идет в темноте. Световая фаза протекает на мембранах тилакоидов , темновая - в строме хлоропласта.

В световую фазу связывания CO 2 не происходит. Происходит лишь улавливание солнечной энергии хлорофилльными комплексами, запасание ее в , использование энергии на восстановление НАДФ до НАДФ*H 2 . Поток энергии от возбужденного светом хлорофилла обеспечивается электронами, передающимися по электрон-транспортной цепи ферментов, встроенных в мембраны тилакоидов.

Водород для НАДФ берется из воды, которая под действием солнечного света разлагается на атомы кислорода, протоны водорода и электроны. Этот процесс называется фотолизом . Кислород из воды для фотосинтеза не нужен. Атомы кислорода из двух молекул воды соединяются с образованием молекулярного кислорода. Уравнение реакции световой фазы фотосинтеза кратко выглядит так:

H 2 O + (АДФ+Ф) + НАДФ → АТФ + НАДФ*H 2 + ½O 2

Таким образом, выделение кислорода происходит в световую фазу фотосинтеза. Количество молекул АТФ, синтезированных из АДФ и фосфорной кислоты, приходящихся на фотолиз одной молекулы воды, может быть различным: одна или две.

Итак, из световой фазы в темновую поступают АТФ и НАДФ*H 2 . Здесь энергия первого и восстановительная сила второго тратятся на связывание углекислого газа. Этот этап фотосинтеза невозможно объяснить просто и кратко, потому что он протекает не так, что шесть молекул CO 2 объединяются с водородом, высвобождаемым из молекул НАДФ*H 2 , и образуется глюкоза:

6CO 2 + 6НАДФ*H 2 →С 6 H 12 O 6 + 6НАДФ
(реакция идет с затратой энергии АТФ, которая распадается на АДФ и фосфорную кислоту).

Приведенная реакция – лишь упрощение для облегчения понимания. На самом деле молекулы углекислого газа связываются по одной, присоединяются к уже готовому пятиуглеродному органическому веществу. Образуется неустойчивое шестиуглеродное органическое вещество, которое распадается на трехуглеродные молекулы углевода. Часть этих молекул используется на ресинтез исходного пятиуглеродного вещества для связывания CO 2 . Такой ресинтез обеспечивается циклом Кальвина . Меньшая часть молекул углевода, включающего три атома углерода, выходит из цикла. Уже из них и других веществ синтезируются все остальные органические вещества (углеводы, жиры, белки).

То есть на самом деле из темновой фазы фотосинтеза выходят трехуглеродные сахара, а не глюкоза.

Бесхлорофилльный фотосинтез

Пространственная локализация

Фотосинтез растений осуществляется в хлоропластах : обособленных двухмембранных органеллах клетки. Хлоропласты могут быть в клетках плодов , стеблей , однако основным органом фотосинтеза, анатомически приспособленным к его ведению, является лист . В листе наиболее богата хлоропластами ткань палисадной паренхимы. У некоторых суккулентов с вырожденными листьями (например, кактусы) основная фотосинтетическая активность связана со стеблем.

Свет для фотосинтеза захватывается более полно благодаря плоской форме листа, обеспечивающей большое отношение поверхности к объёму. Вода доставляется из корня по развитой сети сосудов (жилок листа). Углекислый газ поступает отчасти посредством диффузии через кутикулу и эпидермис , однако большая его часть диффундирует в лист через устьица и по листу по межклеточному пространству. Растения, осуществляющие CAM фотосинтез, сформировали особые механизмы для активной ассимиляции углекислого газа.

Внутреннее пространство хлоропласта заполнено бесцветным содержимым (стромой) и пронизано мембранами (ламеллами), которые соединяясь друг с другом образуют тилакоиды , которые в свою очередь группируются в стопки, называемые граны . Внутритилакоидное пространство отделено и не сообщается с остальной стромой, предполагается также что внутреннее пространство всех тилакоидов сообщается между собой. Световые стадии фотосинтеза приурочены к мембранам, автотрофная фиксация CO 2 происходит в строме.

В хлоропластах имеются свои ДНК , РНК , рибосомы (70s типа), идёт синтез белка (хотя этот процесс и контролируется из ядра). Они не синтезируются вновь, а образуются путём деления предшествующих. Всё это позволило считать их потомками свободных цианобактерий, вошедших в состав эукариотической клетки в процессе симбиогенеза .

Фотосистема I

Светособирающий комплекс I содержит примерно 200 молекул хлорофилла.

В реакционном центре первой фотосистемы находится димер хлорофилла a с максимумом поглощения при 700 нм (П700). После возбуждения квантом света он восстанавливает первичный акцептор - хлорофилл a, тот - вторичный (витамин K 1 или филлохинон), после чего электрон передаётся на ферредоксин, который и восстанавливает НАДФ с помощью фермента ферредоксин-НАДФ-редуктазы.

Белок пластоцианин, восстановленный в b 6 f комплексе, транспортируется к реакционному центру первой фотосистемы со стороны внутритилакоидного пространства и передаёт электрон на окисленный П700.

Циклический и псевдоциклический транспорт электрона

Помимо полного нециклического пути электрона, описанного выше, обнаружены циклический и псевдоциклический.

Суть циклического пути заключается в том, что ферредоксин вместо НАДФ восстанавливает пластохинон, который переносит его назад на b 6 f комплекс. В результате образуется больший протонный градиент и больше АТФ, но не возникает НАДФН.

При псевдоциклическом пути ферредоксин восстанавливает кислород, который в дальнейшем превращается в воду и может быть использован в фотосистеме II. При этом также не образуется НАДФН.

Темновая стадия

В темновой стадии с участием АТФ и НАДФН происходит восстановление CO 2 до глюкозы (C 6 H 12 O 6). Хотя свет не требуется для осуществления данного процесса, он участвует в его регуляции.

С 3 -фотосинтез, цикл Кальвина

В третьей стадии участвуют 5 молекул ФГА, которые через образование 4-, 5-, 6- и 7-углеродных соединений объединяются в 3 5-углеродных рибулозо-1,5-бифосфата, для чего необходимы 3АТФ.

Наконец, две ФГА необходимы для синтеза глюкозы . Для образования одной её молекулы требуется 6 оборотов цикла, 6 CO 2 , 12 НАДФН и 18 АТФ.

С 4 -фотосинтез

Основные статьи: Цикл Хетча-Слэка-Карпилова , С4-фотосинтез

При низкой концентрации растворённого в строме CO 2 рибулозобифосфаткарбоксилаза катализирует реакцию окисления рибулозо-1,5-бифосфата и его распад на 3-фосфоглицериновую кислоту и фосфогликолевую кислоту, которая вынужденно используется в процессе фотодыхания .

Для увеличения концентрации CO 2 растения С 4 типа изменили анатомию листа. Цикл Кальвина у них локализуется в клетках обкладки проводящего пучка, в клетках мезофилла же под действием ФЕП-карбоксилазы фосфоенолпируват карбоксилируется с образованием щавелеуксусной кислоты, которая превращается в малат или аспартат и транспортируется в клетки обкладки, где декарбоксилируется с образованием пирувата , возвращаемого в клетки мезофилла.

С 4 фотосинтез практически не сопровождается потерями рибулозо-1,5-бифосфата из цикла Кальвина, поэтому более эффективен. Однако он требует не 18, а 30 АТФ на синтез 1 молекулы глюкозы. Это оправдывает себя в тропиках, где жаркий климат требует держать устьица закрытыми, что препятствует поступлению CO 2 в лист, а также при рудеральной жизненной стратегии.

САМ фотосинтез

Позже было установлено, что помимо выделения кислорода растения поглощают углекислый газ и при участии воды синтезируют на свету органическое вещество. В Роберт Майер на основании закона сохранения энергии постулировал, что растения преобразуют энергию солнечного света в энергию химических связей. В В. Пфеффер назвал этот процесс фотосинтезом.

Хлорофиллы были впервые выделены в П. Ж. Пельтье и Ж. Кавенту. Разделить пигменты и изучить их по отдельности удалось М. С. Цвету с помощью созданного им метода хроматографии . Спектры поглощения хлорофилла были изучены К. А. Тимирязевым , он же, развивая положения Майера, показал, что именно поглощенные лучи позволяют повысить энергию системы, создав вместо слабых связей С-О и О-Н высокоэнергетические С-С (до этого считалось что в фотосинтезе используются жёлтые лучи, не поглощаемые пигментами листа). Сделано это было благодаря созданному им методу учёта фотосинтеза по поглощённому CO 2: в ходе экспериментов по освещению растения светом разных длин волн (разного цвета) оказалось, что интенсивность фотосинтеза совпадает со спектром поглощения хлорофилла.

Окислительно-восстановительную сущность фотосинтеза (как оксигенного, так и аноксигенного) постулировал Корнелис ван Ниль . Это означало, что кислород в фотосинтезе образуется полностью из воды, что экспериментально подтвердил в А. П. Виноградов в опытах с изотопной меткой. В г. Роберт Хилл установил, что процесс окисления воды (и выделения кислорода), а также ассимиляции CO 2 можно разобщить. В - Д. Арнон установил механизм световых стадий фотосинтеза, а сущность процесса ассимиляции CO 2 была раскрыта Мельвином Кальвином с использованием изотопов углерода в конце 1940-х , за эту работу в ему была присуждена Нобелевская премия .

Прочие факты

См. также

Литература

  • Холл Д., Рао К. Фотосинтез: Пер. с англ. - М.: Мир, 1983.
  • Физиология растений / под ред. проф. Ермакова И. П. - М.: Академия, 2007
  • Молекулярная биология клетки / Альбертис Б., Брей Д. и др. В 3 тт. - М.: Мир, 1994
  • Рубин А. Б. Биофизика. В 2 тт. - М.: Изд. Московского университета и Наука, 2004.
  • Чернавская Н. М.,

Как объяснить такой сложный процесс, как фотосинтез, кратко и понятно? Растения являются единственными живыми организмами, которые могут производить свои собственные продукты питания. Как они это делают? Для роста и получают все необходимые вещества из окружающей среды: углекислый газ - из воздуха, воду и - из почвы. Также они нуждаются в энергии, которую получают из солнечных лучей. Эта энергия запускает определенные химические реакции, во время которых углекислый газ и вода превращаются в глюкозу (питание) и и есть фотосинтез. Кратко и понятно суть процесса можно объяснить даже детям школьного возраста.

"Вместе со светом"

Слово "фотосинтез" происходит от двух греческих слов - "фото" и "синтез", сочетание который в переводе означает "вместе со светом". В солнечная энергия преобразуется в химическую энергию. Химическое уравнение фотосинтеза:

6CO 2 + 12H 2 O + свет = С 6 Н 12 О 6 + 6O 2 + 6Н 2 О.

Это означает, что 6 молекул углекислого газа и двенадцать молекул воды используются (вместе с солнечным светом) для производства глюкозы, в итоге образуются шесть молекул кислорода и шесть молекул воды. Если изобразить это в виде словесного уравнения, то получится следующее:

Вода + солнце => глюкоза + кислород + вода.

Солнце является очень мощным источником энергии. Люди всегда стараются использовать его для выработки электричества, утепления домов, нагревания воды и так далее. Растения "придумали", как использовать солнечную энергию еще миллионы лет назад, потому что это было нужно для их выживания. Фотосинтез кратко и понятно можно объяснить таким образом: растения используют световую энергию солнца и преобразуют ее в химическую энергию, результатом которой является сахар (глюкоза), избыток которого хранится в виде крахмала в листьях, корнях, стеблях и семенах растения. Энергия солнца передается растениям, а также животным, которые эти растения едят. Когда растение нуждается в питательных веществах для роста и других жизненных процессов, эти запасы оказываются очень полезными.

Как растения поглощают энергию солнца?

Рассказывая про фотосинтез кратко и понятно, стоит затронуть вопрос о том, каким образом растениям удается поглощать солнечную энергию. Это происходит благодаря особой структуре листьев, включающей в себя зеленые клетки - хлоропласты, которые содержат специальное вещество под названием хлорофилл. Это который придает листьям зеленый цвет и отвечает за поглощение энергии солнечного света.


Почему большинство листьев широкие и плоские?

Фотосинтез происходит в листьях растений. Удивительным фактом является то, что растения очень хорошо приспособлены для улавливания солнечного света и поглощения углекислого газа. Благодаря широкой поверхности будет захватываться гораздо больше света. Именно по этой причине солнечные панели, которые иногда устанавливают на крышах домов, также широкие и плоские. Чем больше поверхность, тем лучше происходит поглощение.

Что еще важно для растений?

Как и люди, растения также нуждаются в полезных и питательных веществах, чтобы сохранить здоровье, расти и выполнять хорошо свои жизненные функции. Они получают растворенные в воде минеральные вещества из почвы через корни. Если в почве не хватает минеральных питательных веществ, растение не будет развиваться нормально. Фермеры часто проверяют почву для того, чтобы убедиться, что в ней имеется достаточное количество питательных веществ для роста культур. В противном случае прибегают к использованию удобрений, содержащих основные минералы для питания и роста растений.

Почему фотосинтез так важен?

Объясняя фотосинтез кратко и понятно для детей, стоит рассказать, что этот процесс является одной из наиболее важных химических реакций в мире. Какие существуют причины для такого громкого утверждения? Во-первых, фотосинтез кормит растения, которые, в свою очередь, кормят всех остальных живых существ на планете, включая животных и человека. Во-вторых, в результате фотосинтеза в атмосферу выделяется необходимый для дыхания кислород. Все живые существа вдыхают кислород и выдыхают углекислый газ. К счастью, растения делают все наоборот, поэтому они очень важны для человека и животных, так как дают им возможность дышать.

Удивительный процесс

Растения, оказывается, тоже умеют дышать, но, в отличие от людей и животных, они поглощают из воздуха углекислый газ, а не кислород. Растения тоже пьют. Вот почему нужно поливать их, иначе они умрут. При помощи корневой системы вода и питательные вещества транспортируются во все части растительного организма, а через маленькие отверстия на листиках происходит поглощение углекислого газа. Пусковым механизмом для запуска химической реакции является солнечный свет. Все полученные продукты обмена используются растениями для питания, кислород выделяется в атмосферу. Вот так можно объяснить кратко и понятно, как происходит процесс фотосинтеза.

Фотосинтез: световая и темновая фазы фотосинтеза

Рассматриваемый процесс состоит из двух основных частей. Существуют две фазы фотосинтеза (описание и таблица - далее по тексту). Первая называется световой фазой. Она происходит только в присутствии света в мембранах тилакоидов при участии хлорофилла, белков-переносчиков электронов и фермента АТФ-синтетазы. Что еще скрывает фотосинтез? Световая и сменяют друг друга по мере наступления дня и ночи (циклы Кальвина). Во время темновой фазы происходит производство той самой глюкозы, пищи для растений. Этот процесс называют еще независимой от света реакцией.

Световая фаза Темновая фаза

1. Реакции, происходящие в хлоропластах, возможны только при наличии света. В этих реакциях энергия света преобразуется в химическую энергию

2. Хлорофилл и другие пигменты поглощают энергию от солнечного света. Эта энергия передается на фотосистемы, ответственные за фотосинтез

3. Вода используется для электронов и ионов водорода, а также участвует в производстве кислорода

4. Электроны и ионы водорода используются для создания АТФ (молекула накопления энергии), которая нужна в следующей фазе фотосинтеза

1. Реакции внесветового цикла протекают в строме хлоропластов

2. Углекислый газ и энергия от АТФ используются в виде глюкозы

Заключение

Из всего вышесказанного можно сделать следующие выводы:

  • Фотосинтез - это процесс, который позволяет получать энергию от солнца.
  • Световая энергия солнца преобразуется в химическую энергию хлорофиллом.
  • Хлорофилл придает растениям зеленый цвет.
  • Фотосинтез происходит в хлоропластах клеток листьев растений.
  • Углекислый газ и вода необходимы для фотосинтеза.
  • Углекислый газ поступает в растение через крошечные отверстия, устьица, через них же выходит кислород.
  • Вода впитывается в растение через его корни.
  • Без фотосинтеза в мире не было бы еды.

Жизнь на Земле возможна благодаря световой, главным образом, солнечной энергии. Эта энергия преобразуется в энергию химических связей органических веществ, образующихся в процессе фотосинтеза.

Фотосинтезом обладают все растения и некоторые прокариоты (фотосинтезирующие бактерии и сине зелёные водоросли). Такие организмы называются фототрофами . Энергию для фотосинтеза даёт свет, который улавливается особыми молекулами –фотосинтетическими пигментами. Поскольку при этом поглощается свет лишь определённой длины волны, часть световых волн не поглощается, а отражается. В зависимости от спектрального состава отражённого света пигменты приобретают окраску – зелёную, жёлтую, красную и др.

Различают три типа фотосинтетических пигментов – хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины . Наиболее важным пигментом является хлорофилл. Основой является плоское порфириновое ядро, образованное четырьмя пиррольными кольцами, соединёнными между собой метиловыми мостиками, с атомом магния в центре. Имеются различные хлорофиллы типа- а. У высших растений, зелёных и эвгленовых водорослей имеется хлорофилл-В, который образуется из хлорофилла - А. Бурые и диатомовые водоросли вместо хлорофилла-в содержат хлорофилл-С, а красные водоросли – хлорофилл-Д. Другую группу пигментов образуют каротиноиды, имеющие окраску от жёлтой до красной. Они содержатся во всех окрашенных пластидах (хлоропластах, хромопластах) растений. Причём в зелёных частях растений хлорофилл маскирует каротиноиды, делая их незаметными до наступления холодов. Осенью зелёные пигменты разрушаются и каротиноиды становятся хорошо заметными. Каротиноиды синтезируют фототрофные бактерии и грибы. Фикобилины присутствуют у красных водорослей и цианобактерий.

Световая стадия фотосинтеза

Хлорофиллы и другие пигменты в хлоропластах образуют специфические светособирающие комплексы . Путём электромагнитного резонанса они передают собранную энергию на особые молекулы хлорофилла. Эти молекулы под действием энергии возбуждения отдают электроны молекулам других веществ – переносчикам , а затем отнимают электроны у белков и далее, от воды. Расщепление воды в процессе фотосинтеза называется фотолизом . Это происходит в полостях тилакоидов. Протоны через специальные каналы проходят в строму. При этом выделяется энергия, необходимая для синтеза АТФ:

2Н 2 О = 4е + 4Н + + О 2

АДФ + Ф = АТФ

Участие энергии света здесь является обязательным условием, поэтому данную стадию называют световой стадией. Кислород, образующийся как побочный продукт выводится наружу и используется клеткой для дыхания.

Темновая стадия фотосинтеза

Следующие реакции протекают в строме хлоропласта. Из углекислого газа и воды происходит образование моносахаридов. Сам по себе данный процесс противоречит законам термодинамики, но поскольку при этом участвуют молекулы АТФ, то за счёт этой энергии синтез глюкозы является реальным процессом. Позже, из её молекул создаются полисахариды – целлюлоза, крахмал и другие сложные органические молекулы. Суммарное уравнение фотосинтеза можно представить в следующем виде:

6СО 2 + 6Н 2 О = С 6 Н 12 О 6 + 6О 2

Особенно много крахмала откладывается в хлоропластах днём при интенсивном течении фотосинтетических процессов, ночью же крахмал расщепляется до растворимых форм и используется растением.

Хотите более подробно разобраться в этой или другой теме по биологии?Записывайтесь на онлайн-уроки к автору этой статьи Владимиру Смирнову.

Статья является выдержкой из труда Владимира Смирнова "Генезис", любое копирование и использование материала обязательно с указанием авторства.

Также предлагаем посмотреть видеоурок о фотосинтезе от нашего ботаника Ирины:

сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.


























Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Задачи: Сформировать знания о реакциях пластического и энергетического обменов и их взаимосвязи; вспомнить особенности строения хлоропластов. Дать характеристику световой и темновой фазы фотосинтеза. Показать значение фотосинтеза как процесса, обеспечивающего синтез органических веществ, поглощение углекислого газа и выделение кислорода в атмосферу.

Тип урока: лекция.

Оборудование:

  1. Средства наглядности: таблицы по общей биологии;
  2. ТСО: компьютер; мультимедиапроектор.

План лекции:

  1. История изучения процесса.
  2. Эксперименты по фотосинтезу.
  3. Фотосинтез, как анаболический процесс.
  4. Хлорофилл и его свойства.
  5. Фотосистемы.
  6. Световая фаза фотосинтеза.
  7. Темновая фаза фотосинтеза.
  8. Лимитирующие факторы фотосинтеза.

Ход лекции

История изучения фотосинтеза

1630 год начало изучения фотосинтеза. Ван Гельмонт доказал, что растения образуют органические вещества, а не получают их из почвы. Взвешивая горшок с землей и ивой, и отдельно само дерево, он показал, что через 5 лет масса дерева увеличилась на 74 кг, тогда как почва потеряла только 57 г. Он решил, что пищу дерево получает из воды. В настоящее время мы знаем, что используется углекислый газ.

В 1804 году Соссюр установил, что в процессе фотосинтеза велико значение воды.

В 1887 году открыты хемосинтезирующие бактерии.

В 1905 году Блэкман установил, что фотосинтез состоит из двух фаз: быстрой – световой и ряда последовательных медленных реакций темновой фазы.

Эксперименты по фотосинтезу

1 опыт доказывает значение солнечного света (рис. 1.) 2 опыт доказывает значение углекислого газа для фотосинтеза (рис. 2.)

3 опыт доказывает значение фотосинтеза (рис.3.)

Фотосинтез, как анаболический процесс

  1. Ежегодно в результате фотосинтеза образуется 150 млрд. тонн органического вещества и 200 млрд. тонн свободного кислорода.
  2. Круговорот кислорода, углерода и других элементов, вовлекаемых в фотосинтез. Поддерживает современный состав атмосферы, необходимый для существования современных форм жизни.
  3. Фотосинтез препятствует увеличению концентрации углекислого газа, предотвращая перегрев Земли вследствие парникового эффекта.
  4. Фотосинтез – основа всех цепей питания на Земле.
  5. Запасенная в продуктах энергия – основной источник энергии для человечества.

Сущность фотосинтеза заключается в превращении световой энергии солнечного луча в химическую энергию в виде АТФ и НАДФ·Н 2 .

Суммарное уравнение фотосинтеза:

6СО 2 + 6Н 2 О С 6 Н 12 О 6 + 6О 2

Существует два главных типа фотосинтеза:

Хлорофилл и его свойства

Виды хлорофилла

Хлорофилл имеет модификации а, в, с, d. Отличаются они структурным строением и спектром поглощения света. Например: хлорофилл в содержит на один атом кислорода больше и на два атома водорода меньше, чем хлорофилл а.

Все растения и оксифотобактерии имеют как основной пигмент желто-зеленый хлорофилл а, а как дополнительный хлорофилл в.

Другие пигменты растений

Некоторые другие пигменты способны поглощать солнечную энергию и передавать ее в хлорофилл, вовлекая ее тем самым в фотосинтез.

У большинства растений есть темно оранжевый пигмент – каротин , который в животном организме превращается в витамин А и желтый пигмент – ксантофилл .

Фикоцианин и фикоэритрин – содержат красные и сине-зеленые водоросли. У красных водорослей эти пигменты принимают более активное участие в процессе фотосинтеза, чем хлорофилл.

Хлорофилл минимально поглощает свет в сине-зеленой части спектра. Хлорофилл а, в- в фиолетовой области спектра, где длина волны 440 нм. Уникальная функция хлорофилла состоит в том, что он интенсивно поглощает солнечную энергию и передает ее другим молекулам.

Пигменты поглощают определенную длину волны, не поглощенные участки солнечного спектра отражаются, что обеспечивает окраску пигмента. Зеленый свет не поглощается, поэтому хлорофилл зеленый.

Пигменты – это химические соединения, которые поглощают видимый свет, что приводит электроны в возбужденное состояние. Чем меньше длина волны, тем больше энергия света и больше его способность переводить электроны в возбужденное состояние. Это состояние неустойчиво и вскоре вся молекула возвращается в свое обычное низкоэнергетическое состояние теряя при этом энергию возбуждения. Эта энергия может быть использована на флуоресценцию.

Фотосистемы

Пигменты растений участвующие в фотосинтезе «упакованы» в тилакоиды хлоропластов в виде функциональных фотосинтетических единиц – фотосинтетических систем: фотосистемы I и фотосистемы II.

Каждая система состоит из набора вспомогательных пигментов (от 250 до 400 молекул), передающих энергию на одну молекулу главного пигмента и она называется реакционным центром . В нем энергия Солнца используется для фотохимических реакций.

Световая фаза идет обязательно с участием света, темновая фаза и на свету и в темноте. Световой процесс происходит в тилакоидах хлоропластов, темновой – в строме, т.е. эти процессы пространственно разобщены.

Световая фаза фотосинтеза

В 1958 году Арнон и его сотрудники изучили световую фазу фотосинтеза. Они установили, что источником энергии при фотосинтезе является свет, а так как на свету в хлорофилле происходит синтез из АДФ+Ф.к. → АТФ, то этот процесс называется фосфорилированием. Оно сопряжено с переносом электронов в мембранах.

Роль световых реакций: 1. Синтез АТФ – фосфорилирование. 2. Синтез НАДФ.Н 2 .

Путь переноса электронов называется Z-схемой.

Z-схема. Нециклическое и циклическое фотофосфорилирование (рис. 6.)



В ходе циклического транспорта электронов не происходит образования НАДФ.Н 2 и фоторазложения Н 2 О, следовательно и выделение О 2 . Этот путь используется тогда, когда в клетке избыток НАДФ.Н 2 , но требуется дополнительная АТФ.

Все эти процессы относятся к световой фазе фотосинтеза. В дальнейшем энергия АТФ и НАДФ.Н 2 используется для синтеза глюкозы. Для этого процесса свет не нужен. Это реакции темновой фазы фотосинтеза.

Темновая фаза фотосинтеза или цикл Кальвина

Синтез глюкозы происходит в ходе циклического процесса, который получил название по имени ученого Мельвина Кальвина, открывшего его, и награжденного Нобелевской премией.


Рис. 8. Цикл Кальвина

Каждая реакция цикла Кальвина осуществляется своим ферментом. Для образования глюкозы используются: СО 2 , протоны и электроны от НАДФ.Н 2 , энергия АТФ и НАДФ.Н 2 . Происходит процесс в строме хлоропласта. Исходным и конечным соединением цикла Кальвина, к которому с помощью фермента рибулозодифосфаткарбоксилазы присоединяется СО2, является пятиуглеродный сахар – рибулозобифосфат , содержащий две фосфатные группы. В результате образуется шестиуглеродное соединение, сразу же распадающееся на две трехуглеродные молекулы фосфоглицериновой кислоты , которые затем восстанавливаются до фосфоглицеринового альдегида . При этом, часть образовавшегося фосфоглицеринового альдегида используется для регенерации рибулозобифосфата, и, таким образом, цикл возобновляется снова (5С 3 → 3С 5), а часть используется для синтеза глюкозы и других органических соединений (2С 3 → С 6 → С 6 Н 12 О 6).

Для образования одной молекулы глюкозы необходимо 6 оборотов цикла и требуется 12НАДФ.Н 2 и 18 АТФ. Из суммарного уравнения реакции получается:

6СО 2 + 6Н 2 О → С 6 Н 12 О 6 + 6О 2

Из приведенного уравнения видно, что атомы С и О вошли в глюкозу из СО 2 , а атомы водорода из Н 2 О. Глюкоза в дальнейшем может быть использована как на синтез сложных углеводов (целлюлозы, крахмала), так и на образование белков и липидов.

(С 4 – фотосинтез. В 1965 году было доказано, что у сахарного тростника – первыми продуктами фотосинтеза, являются кислоты, содержащие четыре атома углерода (яблочная, щавелевоуксусная, аспарагиновая). К С 4 растениям принадлежат кукуруза, сорго, просо).

Лимитирующие факторы фотосинтеза

Скорость фотосинтеза – наиболее важный фактор влияющий на урожайность с/х культур. Так, для темновых фаз фотосинтеза нужны НАДФ.Н 2 и АТФ, и поэтому скорость темновых реакций зависит от световых реакций. При слабой освещенности скорость образования органических веществ будет мала. Поэтому свет – лимитирующий фактор.

Из всех факторов одновременно влияющих на процесс фотосинтеза лимитирующим будет тот, который ближе к минимальному уровню. Это установил Блэкман в 1905 году . Разные факторы могут быть лимитными, но один из них главный.


Космическая роль растений (описана К. А. Тимирязевым ) заключается в том, что растения – единственные организмы, усваивающие солнечную энергию и аккумулирующие ее в виде потенциальной химической энергии органических соединений . Выделяющийся О 2 поддерживает жизнедеятельность всех аэробных организмов. Из кислорода образуется озон, который защищает все живое от ультрафиолетовых лучей. Растения использовали из атмосферы громадное количество СО 2 , избыток которого создавал «парниковый эффект», и температура планеты понизилась до нынешних значений.

Рекомендуем также

Урок 3. фотосинтез - Биология - 6 класс

Биология, 6 класс

Урок 3. Фотосинтез

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке

  1. Необходимые условия протекания фотосинтеза.
  2. Структура листа как основного органа процесса производства органических веществ.

Тезаурус

Фотосинтез – процесс образования органических веществ (сахаров) из неорганических (углекислого газа и воды), который происходит в растении НА СВЕТУ.

Хлорофилл – (от др.-греч. chloros – «зелёный», phyllon – «лист») – зелёный пигмент, окрашивающий хлоропласты растений в зелёный цвет. При его участии происходит фотосинтез.

Хлоропласт – (от др.-греч. chloros – «зелёный» и от plastos – «вылепленный») – зелёные пластиды, которые встречаются в клетках фотосинтезирующих эукариот. С их помощью происходит фотосинтез. Хлоропласты содержат хлорофилл.

Основная и дополнительная литература по теме урока

1 Биология 5 – 6 классы. Академический школьный учебник. Линия жизни: учебник для общеобразовательных организаций / Под редакцией профессора В. В. Пасечника, 3-е издание. – М.: Просвещение, 2014.

2. Биология. 5 – 6 классы. Учебник. ФГОС / Г. С. Калинова, С. В. Суматохин, З. Г. Гапонюк, В. В. Пасечник. – М.: Просвещение, 2019.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Фотосинтез – процесс образования органических веществ (сахаров, или углеводов) из неорганических (углекислого газа и воды), который происходит на свету в хлоропластах растения.

Лист растения состоит из листовой пластинки, черешка и основания листа. У основания могут иметься парные выросты – прилистники. На листовой пластинке отчетливо выделяются жилки.

Строение листа

Форма листьев у разных растений очень разнообразна. Листья бывают простые – имеющие одну листовую пластинку, как, например, листья подорожника, березы, клена, и сложные – состоящие из нескольких листовых пластинок (лист клевера, рябины, шиповника).

Листья могут различаться также типом расположения жилок – жилкованием. Жилкование бывает сетчатым, в этом случае имеется одна или несколько крупных, главных, жилок, которые разветвляются на более мелкие, как в листе клена или дуба. У других листьев все жилки примерно одинаковы и расположены параллельно друг другу – это параллельное жилкование, как у листьев злаков и луков. Наконец, бывает дуговое жилкование, при котором одинаковые по размеру жилки располагаются по дуге, как у ландыша и тюльпана.

Поскольку задача листьев – максимально полно улавливать свет, они особым образом расположены на стебле: так, чтобы не перекрывать друг друга. Листорасположение бывает супротивным, как у клена, очередным, как у липы, или мутовчатым, как у вороньего глаза. Листья, как мы уже сказали, располагаются на растении так, чтобы как можно меньше перекрывать друг друга. Это явление называется листовой мозаикой.

Основная функция листа – фотосинтез – отражена не только на внешнем строении и расположении листьев, но и на анатомическом, то есть внутреннем строении.

Внутреннее строение листа и процесс фотосинтеза

Основная масса листа состоит из фотосинтезирующих клеток, образующих фотосинтезирующую ткань. Под палисадной фотосинтезирующей тканью лежит слой губчатой ткани, здесь клетки расположены рыхло, и между ними есть полости, заполненные воздухом – межклетники. Сверху и снизу лист покрыт одним слоем прозрачных клеток, образующих кожицу листа. Под кожицей листа расположены хлоропласты. Через устьица между листом и окружающей средой идет обмен газами.

Есть еще один путь, ведущий в лист, он пролегает внутри жилки и образован двумя видами проводящей ткани – древесиной и лубом. В совокупности луб и древесина образуют проводящий пучок. По древесине проводящего пучка в лист от корня поступает вода с растворенными в ней минеральными веществами. А по лубу из листа оттекают ко всем органам растения синтезированные в листе сахара. Вода, поступающая в лист по древесине, необходима для фотосинтеза. Хотя большая часть воды испаряется листом через устьица.

Растение, поглощая углекислый газ из воздуха, превращает его в углеводы (сахарá), которые используются для питания не только самим растением, но и животными. Для образования сахаров в процессе фотосинтеза растение использует энергию света. Кроме углеводов в результате фотосинтеза образуется кислород необходимый для жизни других живых организмов.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля

Задание 1. Как происходит обмен веществ у растений? Распределите элементы по соответствующим группам.

Вещества, поступающие в организм

Вещества, образовавшиеся в ходе обмена веществ

Процессы, происходящие при обмене веществ

Варианты ответов:

Вода

Углекислый газ

Минеральные соли

Пары воды

Кислород

Фотосинтез

Дыхание

Правильный вариант:

Вещества, поступающие в организм

Вещества, образовавшиеся в ходе обмена веществ

Процессы, происходящие при обмене веществ

Вода

Углекислый газ

Минеральные соли

Пары воды

Кислород

Фотосинтез

Дыхание

Задание 2. Выберите несколько вариантов ответа. Условия протекания фотосинтеза.

Варианты ответов:

Плодородная почва.

Наличие солнечного света.

Температурный режим.

Наличие зелёных листьев и хлорофилла.

Наличие вакуолей.

Наличие углекислого газа.

Наличие воды.

Правильный ответ:

Наличие солнечного света.

Наличие зелёных листьев и хлорофилла.

Наличие углекислого газа.

Наличие воды.

Фотосинтез

Фотосинтез

Из общего количества солнечного излучения, попадающего на нашу планету, лишь половина доходит до поверхности Земли, только 1/8 имеет длину волны, подходящую для фотосинтеза, и лишь 0,4 % таких лучей (около 1 % от общего объёма энергии) используется растениями. Именно от этого одного процента зависит вся жизнь на Земле.

В процессе фотосинтеза углекислый газ в присутствии хлорофилла реагирует с водой; при этом образуется глюкоза и выделяется кислород:

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2.
Более грамотной будет запись
CO2 + 2H2O → [CH2O] + O2 + H2O,
которая показывает, что выделяющийся кислород образуется из воды. Похожим уравнением описывается и хемосинтез серобактерий:
CO2 + 2H2S → [CH2O] + 2S + H2O,

1

Общая схема фотосинтеза

Таким образом, процесс фотосинтеза включает в себя две стадии:

- получение водорода (фотолиз) – при этом кислород выделяется как побочный продукт реакции;

- получение глюкозы (восстановление).

2

Газообмен в листе происходит через устьица

3

Интенсивность фотосинтеза на различных длинах волн

Первая стадия фотосинтеза протекает на свету. Световые кванты дают электронам энергию, необходимую для переноса их от хлорофилла или другого фотосинтезирующего пигмента. В ходе первой стадии из АДФ (аденозиндифосфата) и фосфата синтезируется АТФ (аденозинтрифосфат), а НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) восстанавливается до НАДФ∙H2. Синтез АТФ за счёт энергии световых квантов называется фотофосфорилированием. Этот процесс может быть циклическим (в реакции «работают» одни и те же электроны) и нециклическим (электроны в конце концов доходят до НАДФ и, взаимодействуя с ионами водорода, образуют НАДФ∙H2). Кислород как побочный продукт реакции выделяется только во втором случае.

Молекула хлорофилла

Для реакций второй стадии свет не нужен. Восстановление CO2 происходит за счет энергии АТФ и накопленного НАДФ∙H2. Углекислый газ связывается с пятиуглеродным сахаром рибулозобисфосфатом, образуя две молекулы трёхуглеродной фосфоглицериновой кислоты (ФГК). Такой процесс получил название C3-фотосинтеза. Последующий цикл реакций (цикл Кальвина) приводит к образованию из ФГК сахара (например, глюкозы), а также ресинтезу рибулозобисфосфата. У некоторых растений (например, сахарного тростника, сои) наблюдается так называемый C4-фотосинтез, в реакциях которого CO2, восстанавливаясь, включается в состав органических кислот, имеющих четыре атома углерода (например, яблочной). При этом поглощение углекислоты идёт гораздо эффективнее, повышается и продуктивность растений.

На скорость фотосинтеза влияют многие факторы. Основными из них являются интенсивность света, концентрация кислорода и углекислого газа, температура окружающей среды. Состояние, когда скорость выделения кислорода растением равна скорости его дыхания, называется точкой компенсации.

Кислород в процессе фотосинтеза может действовать как конкурентный ингибитор, взаимодействуя с рибулозодисфосфатом вместо углекислого газа. При этом образуется одна молекула ФГК и фосфогликолат, сразу расщепляющийся до гликолата. Чтобы вернуть хотя бы часть углерода, связанного в бесполезном гликолате, у растения имеется процесс, называемый фотодыханием. Это зависимое от света потребление кислорода с выделением углекислого газа, заметное лишь у C3-растений, не имеет ничего общего с обычным дыханием. Фотодыхание, в целом, идёт с поглощением энергии; в результате образуется фосфоглицерат, а 25 % углерода теряется в виде CO2. В фотодыхании участвуют хлоропласты, пероксисомы и митохондрии. У C4-растений фотодыхания практически нет, что и является причиной их большей продуктивности.

В связи с энергетической проблемой учёные пытаются провести фотосинтетические процессы искусственно, особенно их первые этапы, когда вода под действием солнечной радиации расщепляется на кислород и водород. Сжигание водорода (с образованием воды) – экологически чистый процесс, который мог бы стать неплохой заменой современным источникам энергии.

 

Фотосинтез | Национальное географическое общество

Большая часть жизни на Земле зависит от фотосинтеза. Процесс осуществляется растениями, водорослями и некоторыми видами бактерий, которые улавливают энергию солнечного света для производства кислорода (O 2 ) и химической энергии, хранящейся в глюкозе ( сахар). Затем травоядные получают эту энергию, поедая растения, а хищники получают ее, поедая травоядных.

Процесс

Во время фотосинтеза растения поглощают углекислый газ (CO 2 ) и воду (H 2 O) из воздуха и почвы.В клетке растения вода окисляется, что означает, что она теряет электроны, в то время как углекислый газ восстанавливается, что означает, что она приобретает электроны. Это превращает воду в кислород, а углекислый газ - в глюкозу. Затем растение выпускает кислород обратно в воздух и накапливает энергию в молекулах глюкозы.

Хлорофилл

Внутри растительной клетки находятся маленькие органеллы, называемые хлоропластами, которые хранят энергию солнечного света. Внутри тилакоидных мембран хлоропласта находится поглощающий свет пигмент, называемый хлорофиллом, который отвечает за придание растению зеленого цвета.Во время фотосинтеза хлорофилл поглощает энергию волн синего и красного света и отражает волны зеленого света, заставляя растение казаться зеленым.

Светозависимые реакции и светонезависимые реакции

Несмотря на то, что за процессом фотосинтеза стоит много шагов, его можно разделить на две основные стадии: светозависимые реакции и светонезависимые реакции. Светозависимая реакция происходит внутри тилакоидной мембраны и требует постоянного потока солнечного света, отсюда и название «свет--зависимая реакция ».Хлорофилл поглощает энергию световых волн, которая преобразуется в химическую энергию в виде молекул АТФ и НАДФН. Светонезависимая стадия, также известная как цикл Кальвина, происходит в строме, пространстве между тилакоидными мембранами и хлоропластными мембранами, и не требует света, отсюда и название реакция свет--независимая . На этом этапе энергия молекул АТФ и НАДФН используется для сборки молекул углеводов, таких как глюкоза, из углекислого газа.

Фотосинтез C3 и C4

Однако не все формы фотосинтеза одинаковы. Существуют разные типы фотосинтеза, включая фотосинтез C3 и фотосинтез C4. Фотосинтез C3 используется большинством растений. Он включает производство трехуглеродного соединения, называемого 3-фосфоглицериновой кислотой, во время цикла Кальвина, которое затем превращается в глюкозу. С другой стороны, фотосинтез C4 производит четырехуглеродное промежуточное соединение, которое во время цикла Кальвина расщепляется на двуокись углерода и трехуглеродное соединение.Преимущество фотосинтеза C4 заключается в том, что, производя более высокий уровень углерода, он позволяет растениям процветать в окружающей среде без большого количества света и воды.

Что такое фотосинтез? | Живая наука

Фотосинтез - это процесс, используемый растениями, водорослями и некоторыми бактериями для использования энергии солнечного света и превращения ее в химическую энергию. Здесь мы описываем общие принципы фотосинтеза и подчеркиваем, как ученые изучают этот естественный процесс, чтобы помочь разработать чистое топливо и источники возобновляемой энергии.

Типы фотосинтеза

Существует два типа фотосинтетических процессов: кислородный фотосинтез и аноксигенный фотосинтез. Общие принципы аноксигенного и оксигенного фотосинтеза очень похожи, но оксигенный фотосинтез является наиболее распространенным и наблюдается у растений, водорослей и цианобактерий.

Во время кислородного фотосинтеза световая энергия переносит электроны от воды (H 2 O) на углекислый газ (CO 2 ) для производства углеводов.При таком переносе CO 2 «восстанавливается» или принимает электроны, а вода «окисляется» или теряет электроны. В конечном итоге кислород вырабатывается вместе с углеводами.

Кислородный фотосинтез действует как противовес дыханию, поглощая углекислый газ, производимый всеми дышащими организмами, и повторно вводя кислород в атмосферу.

С другой стороны, аноксигенный фотосинтез использует доноры электронов, отличные от воды. Этот процесс обычно происходит у бактерий, таких как пурпурные бактерии и зеленые серные бактерии, которые в основном встречаются в различных водных средах обитания.

«Аноксигенный фотосинтез не производит кислород - отсюда и название», - сказал Дэвид Баум, профессор ботаники из Университета Висконсин-Мэдисон. «То, что производится, зависит от донора электронов. Например, многие бактерии используют газообразный сероводород, пахнущий дурными яйцами, производя твердую серу в качестве побочного продукта».

Хотя оба типа фотосинтеза являются сложными и многоступенчатыми, общий процесс можно аккуратно резюмировать в виде химического уравнения.

Кислородный фотосинтез записывается следующим образом:

6CO 2 + 12H 2 O + Light Energy → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O

Здесь шесть молекул углекислого газа (CO 2 ) соединяются с 12 молекулами воды (H 2 O), используя энергию света.Конечным результатом является образование одной молекулы углевода (C 6 H 12 O 6 , или глюкозы) вместе с шестью молекулами, каждая из которых состоит из пригодных для дыхания кислорода и воды.

Точно так же различные реакции аноксигенного фотосинтеза могут быть представлены в виде единой обобщенной формулы:

CO 2 + 2H 2 A + Light Energy → [CH 2 O] + 2A + H 2 O

Буква A в уравнении представляет собой переменную, а H 2 A представляет потенциального донора электронов.Например, A может представлять серу в сероводороде, являющемся донором электронов (H 2 S), объясняют Говинджи и Джон Уитмарш, биологи растений из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, в книге «Концепции фотобиологии: фотосинтез и фотоморфогенез. "(Издательство Нароса и Академик Клувер, 1999 г.).

Для фотосинтеза растениям нужна энергия солнечного света. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Фотосинтетический аппарат

Ниже перечислены клеточные компоненты, необходимые для фотосинтеза.

Пигменты

Пигменты - это молекулы, которые придают цвет растениям, водорослям и бактериям, но они также несут ответственность за эффективное улавливание солнечного света. Пигменты разного цвета поглощают световые волны разной длины. Ниже представлены три основные группы.

  • Хлорофиллы: Эти пигменты зеленого цвета способны задерживать синий и красный свет. Хлорофиллы делятся на три подтипа: хлорофилл а, хлорофилл b и хлорофилл с. Согласно Юджину Рабиновичу и Говинджи в их книге «Фотосинтез» (Wiley, 1969), хлорофилл а содержится во всех фотосинтезирующих растениях.Существует также разновидность бактерии, метко названная бактериохлорофиллом, которая поглощает инфракрасный свет. Этот пигмент в основном встречается у пурпурных и зеленых бактерий, которые осуществляют аноксигенный фотосинтез.
  • Каротиноиды: Эти красные, оранжевые или желтые пигменты поглощают голубовато-зеленый свет. Примерами каротиноидов являются ксантофилл (желтый) и каротин (оранжевый), благодаря которым морковь приобретает свой цвет.
  • Фикобилины: Эти красные или синие пигменты поглощают световые волны с длиной волны, которые не так хорошо поглощаются хлорофиллами и каротиноидами.Они встречаются у цианобактерий и красных водорослей.

Пластиды

Фотосинтезирующие эукариотические организмы содержат в своей цитоплазме органеллы, называемые пластидами. Двухмембранные пластиды в растениях и водорослях называются первичными пластидами, а многопленочные пластиды, обнаруженные в планктоне, называются вторичными пластидами, согласно статье в журнале Nature Education ученых Чеонг Синь Чана и Дебашиш Бхаттачарья, исследователей из Университета Рутгерса. в Нью-Джерси.

Пластиды обычно содержат пигменты или могут накапливать питательные вещества. Бесцветные и непигментированные лейкопласты хранят жиры и крахмал, в то время как хромопласты содержат каротиноиды, а хлоропласты содержат хлорофилл, как объясняется в книге Джеффри Купера «Клетка: молекулярный подход» (Sinauer Associates, 2000).

Фотосинтез происходит в хлоропластах; в частности, в областях граны и стромы. Грана - это самая внутренняя часть органеллы; набор дискообразных мембран, уложенных в столбики, как тарелки.Отдельные диски называются тилакоидами. Именно здесь происходит перенос электронов. Пустые промежутки между столбиками граны составляют строму.

Хлоропласты похожи на митохондрии, энергетические центры клеток, в том, что у них есть собственный геном или совокупность генов, содержащихся в кольцевой ДНК. Эти гены кодируют белки, необходимые для органелл и фотосинтеза. Считается, что, как и митохондрии, хлоропласты произошли от примитивных бактериальных клеток в процессе эндосимбиоза.

«Пластиды произошли от поглощенных фотосинтезирующих бактерий, которые были приобретены одноклеточной эукариотической клеткой более миллиарда лет назад», - сказал Баум Live Science. Баум объяснил, что анализ генов хлоропластов показывает, что когда-то он был членом группы цианобактерий, «той группы бактерий, которая может осуществлять оксигенный фотосинтез».

В своей статье 2010 года Чан и Бхаттачарья подчеркивают, что образование вторичных пластид не может быть хорошо объяснено эндосимбиозом цианобактерий, и что происхождение этого класса пластид все еще остается предметом споров.

Антенны

Молекулы пигмента связаны с белками, что позволяет им гибко двигаться навстречу свету и друг другу. Согласно статье Вима Вермааса, профессора Университета штата Аризона, большая коллекция из 100-5000 молекул пигмента составляет «антенны». Эти структуры эффективно улавливают световую энергию солнца в виде фотонов.

В конечном счете, световая энергия должна передаваться пигментно-белковому комплексу, который может преобразовывать ее в химическую энергию в форме электронов.У растений, например, световая энергия передается пигментам хлорофилла. Преобразование в химическую энергию осуществляется, когда пигмент хлорофилла изгоняет электрон, который затем может перейти к соответствующему получателю.

Реакционные центры

Пигменты и белки, которые преобразуют световую энергию в химическую энергию и начинают процесс переноса электронов, известны как реакционные центры.

Процесс фотосинтеза

Реакции фотосинтеза растений делятся на те, которые требуют наличия солнечного света, и те, которые не требуют.В хлоропластах протекают оба типа реакций: светозависимые реакции в тилакоиде и светонезависимые реакции в строме.

Светозависимые реакции (также называемые световыми реакциями): когда фотон света попадает в реакционный центр, молекула пигмента, такая как хлорофилл, высвобождает электрон.

«Уловка для выполнения полезной работы состоит в том, чтобы не дать электрону вернуться в свой первоначальный дом», - сказал Баум Live Science. «Этого нелегко избежать, потому что теперь в хлорофилле есть« электронная дыра », которая стремится притягивать соседние электроны."

Освободившемуся электрону удается уйти, путешествуя по цепи переноса электронов, которая генерирует энергию, необходимую для производства АТФ (аденозинтрифосфата, источника химической энергии для клеток) и НАДФН.« Электронная дыра »в исходном пигменте хлорофилла заполняется за счет взятия электрона из воды. В результате в атмосферу выделяется кислород.

Реакции, не зависящие от света (также называемые реакциями темноты и известные как цикл Кальвина): реакции света производят АТФ и НАДФН, которые являются богатые источники энергии, которые вызывают темные реакции.Цикл Кальвина составляют три стадии химической реакции: фиксация углерода, восстановление и регенерация. В этих реакциях используются вода и катализаторы. Атомы углерода из диоксида углерода «фиксируются», когда они встроены в органические молекулы, которые в конечном итоге образуют трехуглеродные сахара. Затем эти сахара используются для производства глюкозы или используются повторно, чтобы снова запустить цикл Кальвина.

На этом спутниковом снимке, сделанном в июне 2010 года, видны пруды, в которых растут водоросли в южной Калифорнии. (Изображение предоставлено: PNNL, спутник QuickBird)

Фотосинтез в будущем

Фотосинтезирующие организмы - это возможное средство для производства экологически чистого топлива, такого как водород или даже метан.Недавно исследовательская группа из Университета Турку в Финляндии изучила способность зеленых водорослей производить водород. Зеленые водоросли могут производить водород в течение нескольких секунд, если они сначала подвергаются воздействию темных анаэробных (бескислородных) условий, а затем подвергаются воздействию света. Команда разработала способ продлить производство водорода зелеными водорослями до трех дней, как сообщается в их публикации. Исследование 2018 года опубликовано в журнале Energy & Environmental Science.

Ученые также добились успехов в области искусственного фотосинтеза.Например, группа исследователей из Калифорнийского университета в Беркли разработала искусственную систему для улавливания углекислого газа с использованием нанопроволок или проводов диаметром в несколько миллиардных долей метра. Проволока попадает в систему микробов, которые превращают углекислый газ в топливо или полимеры, используя энергию солнечного света. Команда опубликовала свой дизайн в 2015 году в журнале Nano Letters.

В 2016 году члены той же группы опубликовали исследование в журнале Science, в котором описана еще одна искусственная фотосинтетическая система, в которой специально сконструированные бактерии использовались для создания жидкого топлива с использованием солнечного света, воды и углекислого газа.В целом растения могут использовать только около одного процента солнечной энергии и использовать ее для производства органических соединений во время фотосинтеза. Напротив, искусственная система исследователей смогла использовать 10 процентов солнечной энергии для производства органических соединений.

Продолжение исследований природных процессов, таких как фотосинтез, помогает ученым в разработке новых способов использования различных источников возобновляемой энергии. Учитывая, что солнечный свет, растения и бактерии распространены повсеместно, использование силы фотосинтеза является логическим шагом для создания экологически чистого и углеродно-нейтрального топлива.

Дополнительные ресурсы:

Как растения превращают солнечный свет в пищу - Биологическая стратегия - AskNature

Catalyze Chemical Breakdown

Жизнь зависит от образования и разрушения биологических молекул. Катализаторы в форме белков или РНК играют важную роль, резко увеличивая скорость химического превращения, не расходясь при этом в реакции. Регуляторная роль, которую катализаторы играют в сложных биохимических каскадах, является одной из причин, по которой так много одновременных химических превращений может происходить внутри живых клеток в воде в условиях окружающей среды.Например, каталитическое расщепление 10-фермента и превращение глюкозы в пируват в метаболическом пути гликолиза.

Химическая сборка органических соединений

Одна из причин того, что реакции синтеза (химическая сборка) могут происходить в таких мягких условиях, как температура окружающей среды и давление в воде, заключается в том, что чаще всего они протекают ступенчато, ферментно-опосредованным образом, потягивая или высвобождая небольшое количество энергии на каждом шаге. Например, синтез глюкозы из углекислого газа в цикле Кальвина представляет собой 15-этапный процесс, каждый этап которого регулируется отдельным ферментом.

Преобразование химической энергии

Химия жизни основана на преобразовании энергии, хранящейся в химических связях. Например, глюкоза является основной молекулой хранения энергии в живых системах, потому что окислительное расщепление глюкозы на углекислый газ и воду высвобождает энергию. Животные, грибы, бактерии и хранить до 30000 единиц глюкозы в одной единице гликоген, 3-D структурированы молекулы с разветвлением цепей молекул глюкозы, исходящих из ядра белка. Когда энергия необходима для метаболических процессов, молекулы глюкозы отделяются и окисляются.

Преобразование лучистой энергии (свет)

Солнце является основным источником энергии для многих живых систем. Солнце испускает лучистую энергию, которая осуществляется с помощью света и других электромагнитных излучений в виде потоков фотонов. Когда лучистая энергия достигает живой системы, могут произойти два события. Лучистая энергия может преобразовываться в тепло, или живые системы могут преобразовывать ее в химическую энергию. Последнее преобразование не является простым, но это многоэтапный процесс, начиная, когда живые системы, таких как водоросли, некоторые бактерии, а фотоны растений захвата.Например, растение картофеля улавливает фотоны, а затем преобразует энергию света в химическую энергию посредством фотосинтеза, сохраняя химическую энергию под землей в виде углеводов. Углеводы, в свою очередь, питают другие живые системы.

Обзор фотосинтеза | Безграничная биология

Цель и процесс фотосинтеза

Процесс фотосинтеза преобразует световую энергию в химическую энергию, которая может использоваться организмами для различных метаболических процессов.

Цели обучения

Опишите процесс фотосинтеза

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Фотосинтез эволюционировал как способ хранения энергии солнечного излучения в виде высокоэнергетических электронов в молекулах углеводов.
  • Растения, водоросли и цианобактерии, известные как фотоавтотрофы, являются единственными организмами, способными к фотосинтезу.
  • Гетеротрофы, неспособные производить себе пищу, полагаются на углеводы, производимые фотосинтезирующими организмами, для удовлетворения своих энергетических потребностей.
Ключевые термины
  • фотосинтез : процесс, с помощью которого растения и другие фотоавтотрофы производят углеводы и кислород из углекислого газа, воды и световой энергии в хлоропластах
  • фотоавтотроф : организм, который может синтезировать собственную пищу, используя свет в качестве источника энергии
  • хемоавтотроф : простой организм, такой как простейшие, который получает свою энергию от химических процессов, а не от фотосинтеза

Важность фотосинтеза

Процессы всех организмов - от бактерий до людей - требуют энергии.Чтобы получить эту энергию, многие организмы получают доступ к накопленной энергии, поедая пищу. Плотоядные животные едят других животных, а травоядные - растения. Но откуда берется энергия, накопленная в пище? Вся эта энергия восходит к процессу фотосинтеза и световой энергии солнца.

Фотосинтез необходим для всей жизни на Земле. Это единственный биологический процесс, который захватывает энергию из космоса (солнечный свет) и преобразует ее в химическую энергию в форме G3P (
глицеральдегид-3-фосфат), который, в свою очередь, может превращаться в сахара и другие молекулярные соединения.Растения используют эти соединения во всех своих метаболических процессах; растениям не нужно потреблять другие организмы в пищу, потому что они строят все необходимые им молекулы. В отличие от растений, животным необходимо потреблять другие организмы, чтобы потреблять молекулы, необходимые для их метаболических процессов.

Процесс фотосинтеза

Во время фотосинтеза молекулы в листьях захватывают солнечный свет и заряжают электроны, которые затем сохраняются в ковалентных связях молекул углеводов.Эта энергия в этих ковалентных связях высвобождается, когда они разрываются во время клеточного дыхания. Насколько долговечны и стабильны эти ковалентные связи? Энергия, извлекаемая сегодня при сжигании угля и нефтепродуктов, представляет собой энергию солнечного света, захваченную и сохраненную в процессе фотосинтеза почти 200 миллионов лет назад.

Растения, водоросли и группа бактерий, называемых цианобактериями, - единственные организмы, способные к фотосинтезу. Поскольку они используют свет для производства собственной пищи, их называют фотоавтотрофами («самокормящимися с помощью света»).Другие организмы, такие как животные, грибы и большинство других бактерий, называются гетеротрофами («другие кормушки»), потому что они должны полагаться на сахара, производимые фотосинтезирующими организмами, для удовлетворения своих энергетических потребностей. Третья очень интересная группа бактерий синтезирует сахара, не используя энергию солнечного света, а извлекая энергию из неорганических химических соединений; следовательно, их называют хемоавтотрофами.

Фотосинтезирующие и хемосинтетические организмы : Фотоавтотрофы, включая (а) растения, (б) водоросли и (в) цианобактерии, синтезируют свои органические соединения посредством фотосинтеза, используя солнечный свет в качестве источника энергии.Цианобактерии и планктонные водоросли могут расти на огромных участках воды, иногда полностью покрывая поверхность. В (d) глубоководном источнике хемоавтотрофы, такие как эти (e) термофильные бактерии, улавливают энергию неорганических соединений для производства органических соединений. В экосистеме, окружающей вентиляционные отверстия, обитает множество разнообразных животных, таких как трубчатые черви, ракообразные и осьминоги, которые получают энергию от бактерий.

Важность фотосинтеза заключается не только в том, что он может улавливать энергию солнечного света.Ящерица, загорающая в холодный день, может использовать солнечную энергию, чтобы согреться. Фотосинтез жизненно важен, потому что он развился как способ хранения энергии солнечного излучения («фото-») в виде высокоэнергетических электронов в углерод-углеродных связях углеводных молекул («-синтез»). Эти углеводы являются источником энергии, который гетеротрофы используют для синтеза АТФ посредством дыхания. Таким образом, фотосинтез обеспечивает работу 99 процентов экосистем Земли. Когда высший хищник, такой как волк, охотится на оленя, волк находится в конце энергетического пути, который перешел от ядерных реакций на поверхности солнца к свету, фотосинтезу, растительности, оленям и т. Д. наконец-то волку.

Основные структуры и краткое описание фотосинтеза

У многоклеточных автотрофов к основным клеточным структурам, обеспечивающим фотосинтез, относятся хлоропласты, тилакоиды и хлорофилл.

Цели обучения

Опишите основные структуры, участвующие в фотосинтезе, и вспомните химическое уравнение, которое резюмирует процесс фотосинтеза

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Химическое уравнение фотосинтеза [латекс] 6CO_2 + 6H_2O \ rightarrow C_6H_ {12} O_6 + 6O_2.[/ латекс]
  • У растений процесс фотосинтеза происходит в мезофилле листьев внутри хлоропластов.
  • Хлоропласты содержат дискообразные структуры, называемые тилакоидами, которые содержат пигмент хлорофилл.
  • Хлорофилл поглощает определенные участки видимого спектра и улавливает энергию солнечного света.
Ключевые термины
  • хлоропласт : Органелла, обнаруженная в клетках зеленых растений и фотосинтезирующих водорослей, где происходит фотосинтез.
  • мезофилл : слой клеток, который составляет большую часть внутренней части листа между верхним и нижним слоями эпидермиса.
  • стома : Пора в эпидермисе листа и стебля, которая используется для газообмена.

Обзор фотосинтеза

Фотосинтез - это многоступенчатый процесс, для которого необходимы солнечный свет, углекислый газ и вода в качестве субстратов. Он производит кислород и глицеральдегид-3-фосфат (G3P или GA3P), простые углеводные молекулы с высоким содержанием энергии, которые впоследствии могут быть преобразованы в глюкозу, сахарозу или другие молекулы сахара.Эти молекулы сахара содержат ковалентные связи, которые хранят энергию. Организмы расщепляют эти молекулы, чтобы высвободить энергию для использования в клеточной работе.

Фотосинтез : Фотосинтез использует солнечную энергию, углекислый газ и воду для производства энергоемких углеводов. Кислород образуется как побочный продукт фотосинтеза.

Энергия солнечного света запускает реакцию молекул углекислого газа и воды с образованием сахара и кислорода, как видно из химического уравнения фотосинтеза.Хотя уравнение выглядит простым, оно состоит из множества сложных шагов. Прежде чем изучать детали того, как фотоавтотрофы преобразуют энергию света в химическую энергию, важно ознакомиться с соответствующими структурами.

Химическое уравнение фотосинтеза : Основное уравнение фотосинтеза обманчиво просто. На самом деле процесс включает в себя множество этапов с участием промежуточных реагентов и продуктов. Глюкоза, основной источник энергии в клетках, состоит из двух трехуглеродных молекул GA3P.

Фотосинтез и лист

У растений фотосинтез обычно происходит в листьях, которые состоят из нескольких слоев клеток. Процесс фотосинтеза происходит в среднем слое, называемом мезофиллом. Газообмен углекислого газа и кислорода происходит через небольшие регулируемые отверстия, называемые устьицами (единственное число: стома), которые также играют роль в регулировании водного баланса растений. Устьица обычно расположены на нижней стороне листа, что сводит к минимуму потерю воды.Каждая стома окружена замыкающими клетками, которые регулируют открытие и закрытие устьиц, набухая или сжимаясь в ответ на осмотические изменения.

Структура листа (поперечный разрез) : Фотосинтез происходит в мезофилле. Слой палисада содержит большую часть хлоропласта и основной области, в которой осуществляется фотосинтез. Воздушный губчатый слой - это область хранения и газообмена. Устьица регулируют углекислый газ и водный баланс.

Фотосинтез в хлоропласте

У всех автотрофных эукариот фотосинтез происходит внутри органеллы, называемой хлоропластом.У растений хлоропластсодержащие клетки существуют в мезофилле. Хлоропласты имеют двойную мембранную оболочку, состоящую из внешней и внутренней мембран. Внутри двойной мембраны расположены многослойные дискообразные структуры, называемые тилакоидами.

В тилакоидную мембрану встроен хлорофилл - пигмент, который поглощает определенные участки видимого спектра и улавливает энергию солнечного света. Хлорофилл придает растениям зеленый цвет и отвечает за первоначальное взаимодействие между светом и растительным материалом, а также за многочисленные белки, составляющие цепь переноса электронов.Тилакоидная мембрана охватывает внутреннее пространство, называемое просветом тилакоида. Стопка тилакоидов называется гранумом, а заполненное жидкостью пространство, окружающее гранум, - стромой или «слоем».

Структура хлоропласта : Фотосинтез происходит в хлоропластах, которые имеют внешнюю и внутреннюю мембраны. Стеки тилакоидов, называемые грана, образуют третий мембранный слой.

Две части фотосинтеза

Светозависимые и светонезависимые реакции - это две последовательные реакции, которые происходят во время фотосинтеза.

Цели обучения

Различать две части фотосинтеза

Основные выводы

Ключевые моменты
  • В светозависимых реакциях энергия солнечного света поглощается хлорофиллом и преобразуется в химическую энергию в виде молекул-переносчиков электронов, таких как АТФ и НАДФН.
  • Энергия света используется в фотосистемах I и II, которые присутствуют в тилакоидных мембранах хлоропластов.
  • В светонезависимых реакциях (цикл Кальвина) молекулы углеводов собираются из углекислого газа с использованием химической энергии, собираемой во время светозависимых реакций.
Ключевые термины
  • фотосистема : одна из двух биохимических систем, действующих в хлоропластах, участвующих в фотосинтезе.

Фотосинтез проходит в два последовательных этапа:

  1. Светозависимые реакции;
  2. Светонезависимые реакции, или цикл Кальвина.

Светозависимые реакции

Как следует из названия, светозависимые реакции требуют солнечного света. В светозависимых реакциях энергия солнечного света поглощается хлорофиллом и преобразуется в запасенную химическую энергию в форме молекулы-носителя электронов НАДФН (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) и молекулы обмена энергии АТФ (аденозинтрифосфата).Светозависимые реакции происходят в мембранах тилакоидов в грануле (стопке тилакоидов) внутри хлоропласта.

Две стадии фотосинтеза : Фотосинтез проходит в две стадии: светозависимые реакции и цикл Кальвина (светонезависимые реакции). Светозависимые реакции, которые происходят в тилакоидной мембране, используют световую энергию для производства АТФ и НАДФН. Цикл Кальвина, протекающий в строме, использует энергию, полученную из этих соединений, для производства GA3P из CO2.

Фотосистемы

Фотосистемы I и II : Как объяснялось выше, фотосистемы манипулируют электронами с помощью энергии, получаемой от света.

Процесс преобразования световой энергии в химическую энергию происходит в мультибелковом комплексе, называемом фотосистемой. В тилакоидную мембрану встроены два типа фотосистем: фотосистема II (ФСII) и фотосистема I (ФСI). Каждая фотосистема играет ключевую роль в захвате энергии солнечного света путем возбуждения электронов.Эти заряженные электроны переносятся молекулами «энергоносителя», которые приводят в действие светонезависимые реакции.

Фотосистемы состоят из светособирающего комплекса и реакционного центра. Пигменты светособирающего комплекса передают световую энергию двум особым молекулам хлорофилла и в реакционном центре. Свет возбуждает электрон от пары хлорофилла - , которая переходит к первичному акцептору электронов. Затем необходимо заменить возбужденный электрон.В фотосистеме II электрон возникает в результате расщепления воды, которая выделяет кислород в качестве побочного продукта. В фотосистеме I электрон поступает из цепи переноса электронов хлоропласта.

Две фотосистемы окисляют разные источники низкоэнергетических электронов, доставляют заряженные ими электроны в разные места и реагируют на световые волны разной длины.

Светонезависимые реакции

В светонезависимых реакциях или цикле Кальвина возбужденные электроны из светозависимых реакций обеспечивают энергию для образования углеводов из молекул углекислого газа.Независимые от света реакции иногда называют циклом Кальвина из-за цикличности процесса.

Хотя светонезависимые реакции не используют свет в качестве реагента (и, как результат, могут происходить днем ​​или ночью), они требуют, чтобы продукты светозависимых реакций функционировали. Светонезависимые молекулы зависят от молекул энергоносителя, АТФ и НАДФН, для создания новых молекул углеводов. После передачи энергии молекулы энергоносителя возвращаются в светозависимые реакции для получения более заряженных электронов.Кроме того, светом активируются некоторые ферменты светонезависимых реакций.

Глава 1 - Первичные процессы фотосинтеза, Часть 1 (RSC Publishing)

В этой вводной главе описываются общие принципы фотосинтетического использования солнечной энергии как уникального источника энергии Гиббса для живой материи. Общий процесс можно разделить на две последовательности: (а) реакции, управляемые светом, называемые «первичными процессами фотосинтеза», которые приводят к образованию «богатого энергией» связанного водорода (Th3) и АТФ, и (б) фиксация первичных соединений углерода, азота и серы (где преобразование CO2 в углеводы является наиболее распространенным процессом) с Th3 в качестве восстановителя и АТФ в качестве движущей силы эндергонических реакций.

Эта глава посвящена функциональной и структурной организации «Первичных процессов фотосинтеза». После краткого обсуждения основных принципов сбора света и его преобразования в электрохимическую энергию Гиббса путем образования радикальных пар в комплексах пигмент-белок, два типа реакционных центров (тип I и тип II) и два различных режима фотосинтеза в Выделены аноксигенные (не выделяющие кислород) и кислородные (выделяющие кислород) организмы.Подчеркивается, что аноксигенный (бактериальный) фотосинтез энергетически управляется только одним типом реакционного центра (RC) (RC I или RC II), тогда как при кислородном фотосинтезе оба типа RC действуют последовательно, что приводит к переносу электронов от воды к NADP. + .

Анизотропное включение функциональных комплексов в мембраны приводит к векторному переносу электронов и пространственному разделению реакций, вызванных окислителем и восстановителем, одновременно с образованием трансмембранной электрохимической разности потенциалов для протонов, обеспечивающей движущую силу для синтеза АТФ.

Описана общая архитектура фотосинтетического аппарата и его структурная организация в рамках различных мембранных систем аноксигенных и кислородных организмов. Наконец, кратко обсуждаются принципы и стратегии построения биометрических систем.

Улучшение фотосинтеза | Калифорнийская академия наук


Фотосинтез позволяет растениям превращать солнечный свет в пищу и энергию. Первоначальный возобновляемый ресурс, химический процесс, существует миллионы лет.Теперь передовые исследования пытаются улучшить процесс фотосинтеза, чтобы решить будущие глобальные проблемы, такие как нехватка продуктов питания и более чистые, возобновляемые виды топлива.

Фотосинтезирующие организмы (растения, водоросли, цианобактерии) превращают свет и углекислый газ (CO2) в углеводы. Но то, что эффективно работает для этих организмов, неэффективно для наших нужд, по словам Энн Джонс из Университета штата Аризона, выступая на презентации на встрече AAAS в этом году.

В двухэтапном процессе фотосинтеза есть сбор света и производство топлива.Между двумя этапами большая часть световой энергии, которую растения получают, теряется по пути. «На самом деле фотосинтез - это плохо подключенная электрическая сеть. Мы хотели бы сделать это лучше », - сказал Джонс на конференции.

Ее идея состоит в том, чтобы использовать избыточную солнечную энергию с помощью биологических нанопроволок для передачи энергии, поглощенной фотосинтетическим светособирающим элементом, второму топливному элементу. Она попробует это на цианобактериях в своей лаборатории.

Там, где Джонс будет использовать нанопровода, ее коллега Ричард Когделл из Университета Глазго создаст батареи для хранения энергии, полученной в результате фотосинтеза.Его команда использует синтетическую биологию для создания структуры, которая может напрямую преобразовывать энергию солнца в топливо, такое как водород или этанол, а не электричество, как современные солнечные батареи.

«Возобновляемые источники энергии непостоянны - и в этом проблема. Все дело в хранении. Поставки энергии, доступные по запросу, - одна из серьезных проблем, с которыми сталкивается человечество », - сказал Когделл.

Он признал, что «мы далеки от решения, но у нас есть план решения этой проблемы.Он надеется найти ответы в этой многообещающей области исследований, но он также знает, что ученые должны работать вместе, чтобы решить эти сложные проблемы. «Каждый исследователь в области улучшения фотосинтеза занимается отдельной областью, мы разговариваем друг с другом, работаем вместе и учимся друг у друга. Мы не маленькие разрозненные люди, а сплоченное сообщество ... Мы хотим вдохновить молодых людей продвигать вперед это исследование ».

Изображение: Зина Дерецкая, NSF

Фотосинтез более эффективен, чем предполагалось, по данным исследования

Фотосинтез - один из важнейших процессов жизни на Земле.Так растения получают пищу, используя энергию солнечного света для преобразования воды и углекислого газа из воздуха в сахара. Но ученые долгое время считали, что более 30 процентов энергии, производимой во время фотосинтеза, тратится впустую в процессе, называемом фотодыханием.

Новое исследование, проведенное учеными из Корнелла и Калифорнийского университета в Дэвисе, предполагает, что фотодыхание тратит мало энергии и вместо этого усиливает ассимиляцию нитратов, процесс, который превращает нитраты, абсорбированные из почвы, в белок.

«Понимание регулирования этих процессов имеет решающее значение для поддержания качества пищевых продуктов в условиях изменения климата», - сказал ведущий автор Арнольд Блум из Департамента наук о растениях Калифорнийского университета в Дэвисе. Исследование было опубликовано 2 июля в журнале Nature Plants.

Во время фотодыхания Рубиско, самый распространенный белок на планете, сочетает в себе сахара с кислородом в атмосфере вместо углекислого газа. Считалось, что это тратит энергию и снижает синтез сахара. Исследователи предположили, что фотодыхание сохраняется, потому что большинство растений зашли в тупик эволюции.

В ходе исследования исследователи предполагают, что происходит что-то еще. Рубиско также ассоциируется с металлами, марганцем или магнием. Когда Рубиско связывается с марганцем, фотодыхание проходит по альтернативному биохимическому пути, генерирует энергию для ассимиляции нитратов и способствует синтезу белка. Однако почти все недавние исследования биохимии Рубиско в пробирках проводились в присутствии магния и отсутствия марганца, что позволяло использовать только менее энергоэффективный путь фотодыхания.

«Это старые ферменты, у которых есть секреты, которые нужно сдать. «Продовольственная безопасность будущего требует, чтобы мы уделяли этим ферментам наше внимание», - сказал соавтор Кайл Ланкастер, доцент кафедры химии и химической биологии Корнелла.

Author: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *