Fotosynteza to biosynteza, polegająca na zamianie energii świetlnej na związki organiczne. Światło w postaci fotonów jest wychwytywane przez barwny pigment związany z nieorganicznym lub organicznym donorem elektronów i umożliwia wykorzystanie materiału mineralnego do syntezy (wytwarzania) związków organicznych.
- Fazy fotosyntezy
- Jak zachodzi fotosynteza
- Główne produkty fotosyntezy
- Miejsce fotosyntezy
Innymi słowy, czym jest fotosynteza - to proces syntezy materii organicznej (cukru) ze światła słonecznego. Ta reakcja zachodzi na poziomie chloroplastów, które są wyspecjalizowanymi organellami komórkowymi, które umożliwiają zużywanie dwutlenku węgla i wody w celu wytworzenia ditlenku i cząsteczek organicznych, takich jak glukoza.
Fazy fotosyntezy
Odbywa się w dwóch fazach:
Faza świetlna (fotofosforylacja) - to zestaw zależnych od światła reakcji fotochemicznych (tj. wychwytywania światła), w których elektrony są transportowane przez oba fotosystemy (PSI i PSII) w celu wytworzenia ATP (cząsteczka bogata w energię) i NADPHH (potencjał redukujący) .
Tak więc lekka faza fotosyntezy umożliwia bezpośrednie przekształcenie energii świetlnej w energię chemiczną. To dzięki temu procesowi nasza planeta ma teraz atmosferę bogatą w tlen.
W rezultacie wyższe rośliny zdołały zdominować powierzchnię Ziemi, dostarczając pożywienia wielu innym organizmom, które przez nią żywią się lub znajdują schronienie. Oryginalna atmosfera zawierała gazy, takie jak amon, azot i dwutlenek węgla, ale bardzo mało tlenu.
Rośliny znalazły sposób na przekształcenie tego CO2 tak obficie w żywność za pomocą światła słonecznego.Faza ciemna odpowiada w pełni enzymatycznemu i niezależnemu od światła cyklowi Calvina, w którym do przemiany dwutlenku węgla i wody w węglowodany stosuje się trifosforan adenozyny (ATP) i NADPH+H+ (fosforan dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego). Ta druga faza umożliwia absorpcję dwutlenku węgla.
Czyli w tej fazie fotosyntezy, około piętnaście sekund po wchłonięciu CO następuje reakcja syntezy i pojawiają się pierwsze produkty fotosyntezy - cukry: triozy, pentozy, heksozy, heptozy. Z niektórych heksoz powstają sacharoza i skrobia. Oprócz węglowodanów mogą również przekształcać się w lipidy i białka, wiążąc się z cząsteczką azotu.
Ten cykl występuje w algach, roślinach umiarkowanych i wszystkich drzewach; rośliny te nazywane są „roślinami C3”, najważniejszymi ciałami pośrednimi cyklu biochemicznego, posiadającymi cząsteczkę trzech atomów węgla (C3).
W tej fazie chlorofil po zaabsorbowaniu fotonu ma energię 41 kcal na mol, z których część jest zamieniana na ciepło lub fluorescencję. Zastosowanie markerów izotopowych (18O) wykazało, że uwalniany podczas tego procesu tlen pochodzi z rozłożonej wody, a nie z zaabsorbowanego dwutlenku węgla.
Jak zachodzi fotosynteza
Fotosynteza zachodzi głównie w liściach roślin, rzadko (kiedy) w łodygach itp. Części typowego liścia to: górny i dolny naskórek;
- mezofil;
- wiązka naczyniowa (żyły);
- aparaty szparkowe.
Jeśli komórki górnego i dolnego naskórka nie są chloroplastami, fotosynteza nie zachodzi. W rzeczywistości służą przede wszystkim jako ochrona dla reszty liścia.
Szparki to otwory znajdujące się głównie w dolnej części naskórka i umożliwiające wymianę powietrza (CO i O2). Wiązki naczyniowe (lub żyły) w liściu stanowią część systemu transportowego rośliny, przenosząc wodę i składniki odżywcze wokół rośliny w razie potrzeby. Komórki mezofilu mają chloroplasty, to jest miejsce fotosyntezy.
Mechanizm fotosyntezy jest bardzo złożony.. Jednak te procesy w biologii mają szczególne znaczenie. Pod wpływem silnego światła chloroplasty (części komórki roślinnej zawierające chlorofil), wchodzące w reakcję fotosyntezy, łączą dwutlenek węgla (CO) ze świeżą wodą, tworząc cukry C6H12O6.
Podczas reakcji przekształcają się one w skrobię C6H12O5, na decymetr kwadratowy powierzchni liścia średnio 0,2 g skrobi dziennie. Całej operacji towarzyszy silne wydzielanie tlenu.
W rzeczywistości proces fotosyntezy polega głównie na fotolizie cząsteczki wody.
Wzór na ten proces to:
6 H 2 O + 6 CO 2 + światło \u003d 6 O 2 + C 6 H 12 O 6
Woda + dwutlenek węgla + światło = tlen + glukoza
- H 2 O = woda
- CO2 = dwutlenek węgla
- O2 = tlen
- C 6 H 12 O 6 \u003d glukoza
W tłumaczeniu ten proces oznacza: roślina potrzebuje sześciu cząsteczek wody + sześciu cząsteczek dwutlenku węgla i światła, aby wejść w reakcję. Powoduje to powstanie w procesie chemicznym sześciu cząsteczek tlenu i glukozy.
Glukoza to glukoza, który roślina wykorzystuje jako materiał wyjściowy do syntezy tłuszczów i białek.
Sześć cząsteczek tlenu to tylko „zło konieczne” dla rośliny, które dostarcza ona do otoczenia poprzez zamykające się komórki.
Główne produkty fotosyntezy
Jak już wspomniano, węglowodany są najważniejszym bezpośrednim organicznym produktem fotosyntezy w większości roślin zielonych. W roślinach powstaje niewiele wolnej glukozy; zamiast tego, jednostki glukozy są połączone, tworząc skrobię, lub połączone z fruktozą, innym cukrem, tworząc sacharozę.
Fotosynteza wytwarza więcej niż tylko węglowodany., jak kiedyś sądzono, ale także:
- aminokwasy;
- białka;
- lipidy (lub tłuszcze);
- pigmenty i inne organiczne składniki zielonych tkanek.
Minerały dostarczają pierwiastki (np. azot, N; fosfor, P; siarka, S) potrzebne do wytworzenia tych związków.
Zrywane są wiązania chemiczne między tlenem (O) i węglem (C), wodorem (H), azotem i siarką, a w produktach tworzą się nowe związki zawierające gazowy tlen (O 2 ) i związki organiczne.
Aby zerwać wiązania między tlenem a inne pierwiastki (takie jak woda, azotany i siarczany) wymagają więcej energii niż jest uwalniane, gdy w produktach tworzą się nowe wiązania.
Ta różnica w energii wiązania wyjaśnia znaczną część energii świetlnej zmagazynowanej jako energia chemiczna w produktach organicznych wytwarzanych w wyniku fotosyntezy. Dodatkowa energia jest magazynowana podczas tworzenia złożonych cząsteczek z prostych.
Czynniki wpływające na tempo fotosyntezy
Szybkość fotosyntezy jest określana w zależności od szybkości produkcji tlenu albo na jednostkę masy (lub powierzchni) tkanek roślin zielonych, albo na jednostkę masy całkowitego chlorofilu.
Ilość światła, podaż dwutlenku węgla, temperatura, zaopatrzenie w wodę i dostępność minerałów to najważniejsze czynniki środowiskowe, które wpływają na szybkość reakcji fotosyntezy w roślinach lądowych. O jego szybkości decyduje także gatunek rośliny i jej stan fizjologiczny, taki jak zdrowie, dojrzałość i kwitnienie.
Miejsce fotosyntezy
Fotosynteza zachodzi wyłącznie w chloroplastach (gr. chlor = zielony, arkuszowy) rośliny. Chloroplasty znajdują się głównie w palisadach, ale także w tkance gąbczastej. Na spodniej stronie liścia znajdują się komórki blokujące, które koordynują wymianę gazów. CO 2 wpływa do komórek międzykomórkowych z zewnątrz.
Woda potrzebna do fotosyntezy transportuje roślinę od wewnątrz przez ksylem do komórek. Zielony chlorofil zapewnia absorpcję światła słonecznego.
Po przekształceniu dwutlenku węgla i wody w tlen i glukozę, komórki zamykające otwierają się i uwalniają tlen do środowiska. Glukoza pozostaje w komórce i jest przekształcana przez roślinę m.in. w skrobię.
Siła jest porównywana z polisacharydem glukozy i jest tylko słabo rozpuszczalna, więc nawet przy dużych stratach wody w wytrzymałości resztek roślinnych.
Znaczenie fotosyntezy w biologii
Ze światła otrzymanego przez arkusz 20% jest odbijane, 10% przepuszczane, a 70% jest faktycznie pochłaniane, z czego 20% ulega rozproszeniu w cieple, 48% jest tracone we fluorescencji. Około 2% pozostaje do fotosyntezy.
Dzięki temu procesowi rośliny odgrywają niezastąpioną rolę na powierzchni Ziemi; w rzeczywistości rośliny zielone z niektórymi grupami bakterii są jedynymi żywymi istotami zdolnymi do wytwarzania substancji organicznych z pierwiastków mineralnych. Szacuje się, że co roku rośliny lądowe wiążą 20 miliardów ton węgla z dwutlenku węgla w atmosferze i 15 miliardów z alg.
Rośliny zielone są głównymi producentami, pierwszym ogniwem w łańcuchu żywnościowym; rośliny niechlorofilowe oraz zwierzęta roślinożerne i mięsożerne (w tym ludzie) są całkowicie zależne od reakcji fotosyntezy.
Uproszczona definicja fotosyntezy jest zamiana energii świetlnej ze słońca na energię chemiczną. Ta biosynteza fotonicznych węglowodanów jest wytwarzana z dwutlenku węgla CO2 przy użyciu energii świetlnej.
Oznacza to, że fotosynteza jest wynikiem aktywności chemicznej (syntezy) roślin chlorofilowych, które wytwarzają główne biochemiczne substancje organiczne z wody i soli mineralnych dzięki zdolności chloroplastów do wychwytywania części energii słonecznej.
Fotosynteza. Znaczenie fotosyntezy. Jasne i ciemne fazy fotosyntezy | Biologia
Fotosynteza. Znaczenie fotosyntezy. Jasna i ciemna faza fotosyntezy
Fotosynteza. Znaczenie fotosyntezy. Jasna i ciemna faza fotosyntezy
- jest to zestaw procesów syntezy związków organicznych z nieorganicznych w wyniku konwersji energii świetlnej na energię wiązań chemicznych. Rośliny zielone należą do organizmów fototroficznych, niektóre prokarionty - sinice, fioletowe i zielone bakterie siarkowe, wiciowce roślinne.
Badania nad procesem fotosyntezy rozpoczęto w drugiej połowie XVIII wieku. Ważnego odkrycia dokonał wybitny rosyjski naukowiec K. A. Timiryazev, który uzasadnił doktrynę o kosmicznej roli roślin zielonych.
Rośliny pochłaniają promienie słoneczne i zamieniają energię świetlną na energię wiązań chemicznych syntetyzowanych przez nie związków organicznych. W ten sposób zapewniają zachowanie i rozwój życia na Ziemi.
Naukowiec uzasadnił też teoretycznie i doświadczalnie rolę chlorofilu w absorpcji światła podczas fotosyntezy.
Chlorofile to główne pigmenty fotosyntetyczne. Są one podobne w strukturze do hemu hemoglobiny, ale zawierają magnez zamiast żelaza. żelazo jest niezbędne do zapewnienia syntezy cząsteczek chlorofilu.
Istnieje kilka chlorofilów różniących się budową chemiczną. Obowiązkowe dla wszystkich fototrofów jest chlorofil a.
chlorofil b znalezione w zielonych roślinach chlorofil c w okrzemkach i brunatnicach. chlorofil d charakterystyczne dla krasnorostów.
Zielone i fioletowe bakterie fotosyntetyczne mają szczególne znaczenie bakteriochlorofile. Fotosynteza bakterii ma wiele wspólnego z fotosyntezą roślin.
Różni się tym, że w bakteriach siarkowodór jest dawcą, a w roślinach jest to woda. Bakterie zielone i fioletowe nie mają fotosystemu II. Fotosyntezie bakteryjnej nie towarzyszy uwalnianie tlenu.Ogólne równanie fotosyntezy bakterii to:
6С02 + 12H2S → C6H12O6+ 12S + 6Н20.
Fotosynteza opiera się na procesie redoks. Wiąże się to z przenoszeniem elektronów ze związków-dostawców elektronodonorów do związków, które je odbierają - akceptorów. Energia świetlna zamieniana jest na energię syntetyzowanych związków organicznych (węglowodanów).
Membrany Chloroplast posiadają specjalne konstrukcje - centra reakcji które zawierają chlorofil. W roślinach zielonych i sinicach dwa fotosystemy – pierwszy (ja) I drugi (II), które mają różne centra reakcji i są połączone systemem transportu elektronów.
Dwie fazy fotosyntezy
Proces fotosyntezy składa się z dwóch faz: jasnej i ciemnej.
Lekka faza fotosyntezy
Lekka faza fotosyntezy
Występuje tylko w obecności światła na wewnętrznych błonach mitochondriów w błonach specjalnych struktur - tylakoidy. Pigmenty fotosyntetyczne wychwytują kwanty światła (fotony).
Prowadzi to do „wzbudzenia” jednego z elektronów cząsteczki chlorofilu.
Za pomocą cząsteczek nośnika elektron przesuwa się na zewnętrzną powierzchnię błony tylakoidów, uzyskując pewną energię potencjalną.
Ten elektron jest fotosystem I może wrócić do swojego poziomu energii i przywrócić go. NADP (fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego) również może być przenoszony. Elektrony w interakcji z jonami wodoru przywracają ten związek. Zredukowany NADP (NADPH) dostarcza wodór w celu redukcji atmosferycznego CO2 do glukozy.
Podobne procesy zachodzą w fotosystem II. Wzbudzone elektrony można przenieść do fotosystemu I i przywrócić go.
Przywrócenie fotosystemu II następuje dzięki elektronom dostarczanym przez cząsteczki wody. Cząsteczki wody rozpadają się (fotoliza wody) na protony wodoru i tlen cząsteczkowy, który jest uwalniany do atmosfery.
Elektrony są wykorzystywane do przywracania fotosystemu II. Równanie fotolizy wody:
2H20 → 4H+ + 02 + 2e.
Kiedy elektrony powracają z zewnętrznej powierzchni błony tylakoidów do poprzedniego poziomu energii, energia jest uwalniana.
Jest przechowywany w postaci wiązań chemicznych cząsteczek ATP, które są syntetyzowane podczas reakcji w obu fotosystemach.Nazywa się proces syntezy ATP z ADP i kwasem fosforowym fotofosforylacja. Część energii jest wykorzystywana do odparowania wody.
Podczas lekkiej fazy fotosyntezy powstają związki wysokoenergetyczne: ATP i NADP H. Podczas rozpadu (fotolizy) cząsteczki wody do atmosfery uwalniany jest tlen cząsteczkowy.
Ciemna faza fotosyntezy
Ciemna faza fotosyntezy
Reakcje zachodzą w środowisku wewnętrznym chloroplastów. Mogą wystąpić ze światłem lub bez. Substancje organiczne są syntetyzowane (CO2 jest redukowane do glukozy) za pomocą energii, która powstała w fazie lekkiej.
Proces redukcji dwutlenku węgla ma charakter cykliczny i nazywa się Cykl Calvina. Nazwany na cześć amerykańskiego badacza M. Calvina, który odkrył ten cykliczny proces.
Cykl rozpoczyna się reakcją atmosferycznego dwutlenku węgla z dwufosforanem rybulozy. Enzym katalizuje proces karboksylaza.
Bifosforan rybulozy to pięciowęglowy cukier połączony z dwiema resztami kwasu fosforowego. Istnieje szereg przemian chemicznych, z których każda katalizuje swój własny, specyficzny enzym.
Jak powstaje produkt końcowy fotosyntezy? glukoza, a dwufosforan rybulozy jest również zmniejszony.
Ogólne równanie procesu fotosyntezy:
6C02 + 6H20 → C6H12O6 + 602
Znaczenie fotosyntezy
Znaczenie fotosyntezy
Dzięki procesowi fotosyntezy energia świetlna Słońca jest pochłaniana i zamieniana na energię wiązań chemicznych syntetyzowanych węglowodanów. Energia jest przekazywana wzdłuż łańcuchów pokarmowych do organizmów heterotroficznych.
Podczas fotosyntezy wchłaniany jest dwutlenek węgla i uwalniany jest tlen. Cały tlen atmosferyczny jest pochodzenia fotosyntetycznego. Rocznie uwalnianych jest ponad 200 miliardów ton wolnego tlenu.
Tlen chroni życie na Ziemi przed promieniowaniem ultrafioletowym, tworząc w atmosferze osłonę ozonową.
Proces fotosyntezy jest nieefektywny, ponieważ tylko 1-2% energii słonecznej jest przekazywane do zsyntetyzowanej materii organicznej. Wynika to z faktu, że rośliny nie pochłaniają wystarczającej ilości światła, jego część jest pochłaniana przez atmosferę itp. Większość światła słonecznego odbija się od powierzchni Ziemi z powrotem w kosmos.Poziom komórkowy Poziomy organizacji życia
Fotosynteza roślin. Fotosynteza jako podstawa żywienia roślin
Historia odkrycia niesamowitego i tak ważnego zjawiska, jakim jest fotosynteza, sięga głęboko w przeszłość. Ponad cztery wieki temu, w 1600 roku, belgijski naukowiec Jan Van - Helmont przeprowadził prosty eksperyment. Włożył gałązkę wierzby do worka zawierającego 80 kg ziemi.
Naukowiec zanotował początkową wagę wierzby, a następnie przez pięć lat podlewał roślinę wyłącznie wodą deszczową. Jakie było zaskoczenie Jana Van - Helmonta, gdy ponownie ważył wierzbę.
Waga rośliny wzrosła o 65 kg, a masa ziemi spadła tylko o 50 gramów! Skąd roślina pobrała 64 kg 950 g składników odżywczych dla naukowca pozostało zagadką!
Kolejny znaczący eksperyment na drodze do odkrycia fotosyntezy należał do angielskiego chemika Josepha Priestleya. Naukowiec włożył mysz pod czapkę, a po pięciu godzinach gryzoń zdechł. Kiedy Priestley umieścił u myszy gałązkę mięty, a także przykrył gryzonia czapką, mysz pozostała przy życiu.
Ten eksperyment doprowadził naukowca do wniosku, że istnieje proces przeciwny do oddychania. Jan Ingenhaus w 1779 r. ustalił, że tylko zielone części roślin są zdolne do uwalniania tlenu.
Trzy lata później szwajcarski naukowiec Jean Senebier udowodnił, że dwutlenek węgla pod wpływem światła słonecznego rozkłada się w zielonych organellach roślin.
Już pięć lat później francuski naukowiec Jacques Bussingault, prowadząc badania laboratoryjne, odkrył, że wchłanianie wody przez rośliny zachodzi również podczas syntezy substancji organicznych. Przełomowego odkrycia dokonał w 1864 roku niemiecki botanik Julius Sachs. Udowodnił, że ilość zużytego dwutlenku węgla i uwolnionego tlenu występuje w stosunku 1:1.
Fotosynteza jest jednym z najważniejszych procesów biologicznych
Z naukowego punktu widzenia fotosynteza (od starożytnej greki φῶς - światło i σύνθεσις - połączenie, wiązanie) to proces, w którym z dwutlenku węgla i wody w świetle powstają substancje organiczne. Główną rolę w tym procesie odgrywają segmenty fotosyntezy.
Mówiąc w przenośni, liść rośliny można porównać do laboratorium, którego okna wychodzą na słoneczną stronę. To w nim zachodzi tworzenie się substancji organicznych. Ten proces jest podstawą istnienia wszelkiego życia na Ziemi.
Wielu rozsądnie zada pytanie: czym oddychają ludzie mieszkający w mieście, gdzie nie tylko drzewa, a w ciągu dnia nie można znaleźć źdźbeł trawy z ogniem. Odpowiedź jest bardzo prosta. Faktem jest, że rośliny lądowe stanowią tylko 20% tlenu uwalnianego przez rośliny.
Glony odgrywają ważną rolę w produkcji tlenu do atmosfery. Stanowią one 80% produkowanego tlenu. Mówiąc językiem liczb, zarówno rośliny, jak i glony corocznie uwalniają do atmosfery 145 miliardów ton dwutlenku węgla.
ton (!) tlenu! Nic dziwnego, że oceany na świecie nazywane są „płucami planety”.
Ogólny wzór fotosyntezy jest następujący:
Woda + Dwutlenek węgla + Światło → Węglowodany + Tlen
Dlaczego rośliny potrzebują fotosyntezy?
Jak zrozumieliśmy, fotosynteza jest niezbędnym warunkiem istnienia człowieka na Ziemi. Nie jest to jednak jedyny powód, dla którego organizmy fotosyntetyczne aktywnie wytwarzają tlen do atmosfery. Faktem jest, że zarówno glony, jak i rośliny tworzą rocznie ponad 100 miliardów komórek.
substancje organiczne (!), które stanowią podstawę ich życiowej aktywności. Pamiętając o eksperymencie Jana Van Helmonta, rozumiemy, że fotosynteza jest podstawą żywienia roślin.
Udowodniono naukowo, że 95% plonów stanowią substancje organiczne otrzymywane przez roślinę w procesie fotosyntezy, a 5% to nawozy mineralne, które ogrodnik stosuje do gleby.
Współcześni mieszkańcy lata skupiają się na odżywianiu gleby roślin, zapominając o odżywianiu jej powietrza. Nie wiadomo, jakie ogrodnicy mogliby uzyskać, gdyby zwracali uwagę na proces fotosyntezy.Jednak ani rośliny, ani glony nie byłyby w stanie tak aktywnie wytwarzać tlenu i węglowodanów, gdyby nie miały niesamowitego zielonego barwnika - chlorofilu.
Sekret zielonego pigmentu
Główną różnicą między komórkami roślinnymi a komórkami innych żywych organizmów jest obecność chlorofilu. Nawiasem mówiąc, to on jest sprawcą tego, że liście roślin są właśnie zabarwione na zielono. Ten złożony związek organiczny ma jedną niesamowitą właściwość: może pochłaniać światło słoneczne! Dzięki chlorofilowi możliwy staje się proces fotosyntezy.
Dwa etapy fotosyntezy
W uproszczeniu fotosynteza to proces, w którym woda i dwutlenek węgla absorbowane przez roślinę w obecności światła za pomocą chlorofilu tworzą cukier i tlen. W ten sposób substancje nieorganiczne w cudowny sposób zostają przekształcone w organiczne. Powstały cukier jest źródłem energii roślin.
Fotosynteza ma dwa etapy: jasny i ciemny.
Lekka faza fotosyntezy
Występuje na błonach tylakoidów.
Tylakoidy to struktury ograniczone błoną. Znajdują się w zrębie chloroplastu.
Kolejność zdarzeń lekkiej fazy fotosyntezy:
- Światło uderza w cząsteczkę chlorofilu, która jest następnie absorbowana przez zielony pigment i wprowadza go w stan wzbudzenia. Zawarty w cząsteczce elektron przechodzi na wyższy poziom, uczestniczy w procesie syntezy.
- Następuje rozszczepienie wody, podczas którego protony pod wpływem elektronów zamieniają się w atomy wodoru. Następnie są wydawane na syntezę węglowodanów.
- W końcowej fazie fazy lekkiej syntetyzuje się ATP (trójfosforan adenozyny). Jest to substancja organiczna, która pełni rolę uniwersalnego akumulatora energii w układach biologicznych.
Ciemna faza fotosyntezy
Miejscem fazy ciemnej jest zrąb chloroplastów. To właśnie w fazie ciemnej uwalniany jest tlen i syntetyzowana jest glukoza.
Wielu pomyśli, że faza ta ma taką nazwę, ponieważ procesy zachodzące na tym etapie odbywają się wyłącznie w nocy. Właściwie to nie do końca prawda. Synteza glukozy zachodzi przez całą dobę.
Faktem jest, że na tym etapie energia świetlna nie jest już zużywana, co oznacza, że po prostu nie jest potrzebna.
Zidentyfikowaliśmy już fakt, że rośliny potrzebują fotosyntezy nie mniej niż my. O skali fotosyntezy bardzo łatwo mówić językiem liczb. Naukowcy obliczyli, że tylko rośliny lądowe przechowują tyle energii słonecznej, ile 100 megamiast mogłoby zużyć w ciągu 100 lat!
Oddychanie roślin to proces przeciwny do fotosyntezy. Oddychanie roślin ma na celu uwolnienie energii w procesie fotosyntezy i skierowanie jej na potrzeby roślin. W uproszczeniu zbiory to różnica między fotosyntezą a oddychaniem. Im więcej fotosyntezy i niższe oddychanie, tym większe plony i na odwrót!
Fotosynteza to niesamowity proces, który umożliwia życie na Ziemi!
Rośliny pozyskują wodę i minerały z korzeni. Liście zapewniają organiczne odżywianie roślin. W przeciwieństwie do korzeni nie znajdują się one w glebie, ale w powietrzu, dlatego nie prowadzą one odżywiania gleby, ale powietrza.
Z historii badania odżywiania powietrza roślin
Wiedza na temat żywienia roślin gromadzi się stopniowo. Około 350 lat temu holenderski naukowiec Jan Helmont po raz pierwszy przeprowadził eksperyment dotyczący badania odżywiania roślin. W glinianym garnku z ziemią wyhodował wierzbę, dodając tam tylko wodę. Naukowiec dokładnie ważył opadłe liście.
Pięć lat później masa wierzby wraz z opadłymi liśćmi wzrosła o 74,5 kg, a masa gleby zmniejszyła się tylko o 57 g. Na tej podstawie Helmont doszedł do wniosku, że wszystkie substancje w roślinie powstają nie z gleby , ale z wody.
Do końca XVIII wieku utrzymywała się opinia, że roślina powiększa się tylko dzięki wodzie.
W 1771 r. angielski chemik Joseph Priestley zbadał dwutlenek węgla lub „zepsute powietrze”, jak to nazwał, i dokonał niezwykłego odkrycia. Jeśli zapalisz świecę i przykryjesz ją szklaną nakrętką, to po lekkim spaleniu zgaśnie.
Mysz pod taką czapką zaczyna się dusić. Jeśli jednak gałązka mięty zostanie umieszczona pod czapką wraz z myszką, mysz nie dusi się i nadal żyje.
Oznacza to, że rośliny „korygują” zepsute przez oddech zwierząt powietrze, czyli zamieniają dwutlenek węgla w tlen.
W 1862 r. niemiecki botanik Julius Sachs udowodnił eksperymentalnie, że zielone rośliny nie tylko uwalniają tlen, ale także tworzą substancje organiczne, które służą jako pokarm dla wszystkich innych organizmów.
Główną różnicą między roślinami zielonymi a innymi organizmami żywymi jest obecność w ich komórkach chloroplastów zawierających chlorofil. Chlorofil ma zdolność wychwytywania promieni słonecznych, których energia jest niezbędna do tworzenia substancji organicznych.
Proces powstawania materii organicznej z dwutlenku węgla i wody za pomocą energii słonecznej nazywa się fotosyntezą (z greckiego: światło pholos).
W procesie fotosyntezy powstają nie tylko substancje organiczne - cukry, ale także uwalniany jest tlen.
Schematycznie proces fotosyntezy można przedstawić w następujący sposób:
Woda jest wchłaniana przez korzenie i przechodzi przez system przewodzący korzeni i łodygi do liści. Dwutlenek węgla jest składnikiem powietrza. Wchodzi do liści przez otwarte aparaty szparkowe. Struktura liścia przyczynia się do wchłaniania dwutlenku węgla: płaska powierzchnia blaszek liściowych, co zwiększa obszar kontaktu z powietrzem oraz obecność dużej ilości aparatów szparkowych w skórze.Cukry powstałe w wyniku fotosyntezy są przekształcane w skrobię. Skrobia jest substancją organiczną, która nie rozpuszcza się w wodzie. Kogo łatwo wykryć za pomocą roztworu jodu.
Dowody na tworzenie się skrobi w liściach wystawionych na działanie światła
Udowodnijmy, że w zielonych liściach roślin skrobia powstaje z dwutlenku węgla i wody. Aby to zrobić, rozważ eksperyment, który kiedyś został zainscenizowany przez Juliusa Sachsa.
Roślinę doniczkową (geranium lub pierwiosnek) trzyma się przez dwa dni w ciemności, aby cała skrobia została zużyta na procesy życiowe. Następnie kilka liści jest zaklejonych z obu stron czarnym papierem tak, że tylko część z nich jest zakryta. W dzień roślina wystawiona jest na działanie światła, a w nocy dodatkowo oświetlana jest lampą stołową.
Po dniu badane liście są odcinane. Aby dowiedzieć się, w której części skrobi z liści uformowała się, liście gotuje się w woli (tak, aby ziarna skrobi pęcznieją), a następnie trzymane w gorącym alkoholu (chlorofil rozpuszcza się, a liść odbarwia się).
Następnie liście myje się w wodzie i traktuje słabym roztworem jodu. Tc części liści, które były w świetle, nabierają niebieskiego koloru pod wpływem działania jodu. Oznacza to, że skrobia powstała w komórkach oświetlonej części liścia.
Dlatego fotosynteza zachodzi tylko w obecności światła.
Dowody na zapotrzebowanie na dwutlenek węgla do fotosyntezy
Aby udowodnić, że dwutlenek węgla jest niezbędny do tworzenia skrobi w liściach, roślina doniczkowa jest również wcześniej trzymana w ciemności. Następnie jeden z liści umieszcza się w kolbie z niewielką ilością wody wapiennej. Kolba jest zamknięta wacikiem. Roślina jest odsłonięta.
Dwutlenek węgla jest absorbowany przez wodę wapienną, więc nie będzie go w kolbie. Liść jest odcinany i podobnie jak w poprzednim doświadczeniu badany na obecność skrobi. Jest starzony w gorącej wodzie i alkoholu, potraktowany roztworem jodu. Jednak w tym przypadku wynik eksperymentu będzie inny: arkusz nie zmieni koloru na niebieski, ponieważ. nie zawiera skrobi.
Dlatego do tworzenia skrobi, oprócz światła i wody, potrzebny jest dwutlenek węgla.
W ten sposób odpowiedzieliśmy na pytanie, jaki rodzaj pożywienia roślina otrzymuje z powietrza. Doświadczenie pokazało, że jest to dwutlenek węgla. Jest niezbędny do tworzenia materii organicznej.Organizmy, które samodzielnie tworzą substancje organiczne do budowy swojego ciała, nazywane są autotrofami (greckie autos - self, trofe - food).
Dowody na tworzenie się tlenu podczas fotosyntezy
Aby udowodnić, że podczas fotosyntezy rośliny uwalniają tlen do środowiska zewnętrznego, rozważ eksperyment z rośliną wodną Elodea. Pędy Elodea opuszcza się do naczynia z wodą i przykrywa lejkiem od góry. Umieść probówkę wypełnioną wodą na końcu lejka. Roślinę wystawia się na działanie światła przez dwa do trzech dni.
Elodea wydziela bąbelki gazu pod wpływem światła. Gromadzą się w górnej części rurki, wypierając wodę. Aby dowiedzieć się, co to za gaz, probówkę ostrożnie wyjmuje się i wprowadza do niej tlący się drzazg. Pochodnia rozbłyska jasno. Oznacza to, że w kolbie nagromadził się tlen, wspomagając spalanie.
Kosmiczna rola roślin
Węgiel, torf, ropa powstają z substancji, które w starożytnych czasach geologicznych wytworzyły rośliny zielone i pochłonęły energię słoneczną.
Spalając naturalne materiały palne, człowiek uwalnia energię zmagazynowaną miliony lat temu przez zielone rośliny.
Fotosynteza: wszystko, co musisz o niej wiedzieć
Czym jest fotosynteza
Proces fotosyntezy jest jednym z najważniejszych procesów biologicznych zachodzących w przyrodzie, ponieważ to dzięki niemu z dwutlenku węgla i wody pod wpływem światła powstają substancje organiczne, zjawisko to nazywane jest fotosyntezą. A co najważniejsze, w procesie fotosyntezy uwalniany jest tlen, który jest niezbędny do istnienia życia na naszej niesamowitej planecie.
Historia odkrycia fotosyntezy
Historia odkrycia zjawiska fotosyntezy sięga czterech wieków wstecz, kiedy to w 1600 roku pewien belgijski naukowiec Jan Van Helmont przeprowadził prosty eksperyment. Umieścił gałązkę wierzby (po wcześniejszym odnotowaniu jej początkowej wagi) w worku, który zawierał również 80 kg ziemi.
A potem przez pięć lat roślina była podlewana wyłącznie wodą deszczową.
Jakie było zdziwienie naukowca, gdy po pięciu latach waga rośliny wzrosła o 60 kg, mimo że masa ziemi zmniejszyła się tylko o 50 gramów, skąd tak imponujący przyrost masy pozostał tajemnicą dla naukowiec.
Kolejny ważny i interesujący eksperyment, który stał się progiem odkrycia fotosyntezy, założył angielski naukowiec Joseph Priestley w 1771 roku (ciekawe, że z natury swojego zawodu pan Priestley był księdzem Kościoła anglikańskiego). , ale przeszedł do historii jako wybitny naukowiec).
Co zrobił pan Priestley? Umieścił mysz pod czapką i pięć dni później umarła. Potem ponownie umieścił kolejną mysz pod czapką, ale tym razem wraz z myszką pod czapką była gałązka mięty, dzięki czemu mysz pozostała przy życiu.
Uzyskany wynik naprowadził naukowca na pomysł, że istnieje proces przeciwny do oddychania.
Innym ważnym wnioskiem z tego eksperymentu było odkrycie tlenu jako niezbędnego dla wszystkich żywych istot (pierwsza mysz umarła z jego braku, podczas gdy druga przeżyła dzięki gałązce mięty, która wytwarzała tlen podczas fotosyntezy).
W ten sposób ustalono, że zielone części roślin są zdolne do uwalniania tlenu.
Następnie, już w 1782 roku, szwajcarski naukowiec Jean Senebier udowodnił, że dwutlenek węgla rozkłada się w zielonych organellach roślin pod wpływem światła - w rzeczywistości odkryto inną stronę fotosyntezy.
Następnie, po kolejnych 5 latach, francuski naukowiec Jacques Busengo odkrył, że wchłanianie wody przez rośliny zachodzi również podczas syntezy substancji organicznych.
A ostatnim akordem w serii odkryć naukowych związanych ze zjawiskiem fotosyntezy było odkrycie niemieckiego botanika Juliusa Sachsa, któremu w 1864 roku udało się udowodnić, że objętość zużytego dwutlenku węgla i uwalnianego tlenu zachodzi w stosunku 1:1.
Znaczenie fotosyntezy w życiu człowieka
Jeśli wyobrazisz sobie w przenośni, liść dowolnej rośliny można porównać do małego laboratorium, którego okna wychodzą na słoneczną stronę. W tym właśnie laboratorium zachodzi powstawanie substancji organicznych i tlenu, który jest podstawą istnienia życia organicznego na Ziemi. Rzeczywiście, bez tlenu i fotosyntezy życie po prostu nie istniałoby na Ziemi.
Ale jeśli fotosynteza jest tak ważna dla życia i uwalniania tlenu, to jak ludzie (i nie tylko) żyją np. na pustyni, gdzie jest minimum zielonych roślin, czy np. w mieście przemysłowym gdzie drzewa są rzadkie.
Faktem jest, że rośliny lądowe stanowią tylko 20% tlenu uwalnianego do atmosfery, podczas gdy pozostałe 80% uwalniają glony morskie i oceaniczne, nie bez powodu oceany nazywane są czasami „płucami naszej planety” .
Formuła fotosyntezy
Ogólny wzór na fotosyntezę można zapisać w następujący sposób:
Woda + Dwutlenek Węgla + Światło > Węglowodany + Tlen
A to jest wzór na reakcję chemiczną fotosyntezy
6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2
Znaczenie fotosyntezy dla roślin
A teraz spróbujmy odpowiedzieć na pytanie, dlaczego rośliny potrzebują fotosyntezy.
W rzeczywistości dostarczanie tlenu do atmosfery naszej planety nie jest jedynym powodem zachodzenia fotosyntezy, ten proces biologiczny jest istotny nie tylko dla ludzi i zwierząt, ale także dla samych roślin, ponieważ substancje organiczne powstające w procesie fotosyntezy tworzą podstawa życia roślin.
Fotosynteza, wideo
I na koniec ciekawy film edukacyjny o fotosyntezie.
Czym jest fotosynteza w biologii: jak zachodzi proces i co powstaje w tym procesie - tabela
W naturze, pod wpływem światła słonecznego, zachodzi proces życiowy, bez którego żadna żywa istota na planecie Ziemia nie może się obejść. W wyniku reakcji do powietrza, którym oddychamy, uwalniany jest tlen. Proces ten nazywa się fotosyntezą. Czym jest fotosynteza z naukowego punktu widzenia i co dzieje się w chloroplastach komórek roślinnych, rozważymy poniżej.
Podstawa życia na ziemi
Fotosynteza w biologii to przemiana substancji organicznych i tlenu ze związków nieorganicznych pod wpływem energii słonecznej. Jest to charakterystyczne dla wszystkich fotoautotrofów, które są zdolne do samodzielnego wytwarzania związków organicznych.
Do takich organizmów należą rośliny, zielone, fioletowe bakterie, sinice (sinice).
Rośliny to fotoautotrofy, które pochłaniają wodę z gleby i dwutlenek węgla z powietrza. Pod wpływem energii słonecznej powstaje glukoza, która następnie zamienia się w polisacharyd - skrobię, która jest niezbędna organizmom roślinnym do odżywiania i wytwarzania energii. Do środowiska uwalniany jest tlen - ważna substancja wykorzystywana przez wszystkie żywe organizmy do oddychania.
Jak przebiega fotosynteza. Reakcję chemiczną można przedstawić za pomocą następującego równania:
6CO2 + 6H2O + E = C6H12O6 + 6O2
Reakcje fotosyntezy zachodzą w roślinach na poziomie komórkowym, a mianowicie w chloroplastach zawierających główny barwnik chlorofil. Związek ten nie tylko nadaje roślinom zielony kolor, ale także bierze czynny udział w samym procesie.
Aby lepiej zrozumieć proces, musisz zapoznać się ze strukturą zielonych organelli - chloroplastów.
Jakie jest znaczenie homeostazy i co to jest
Struktura chloroplastów
Chloroplasty to organelle komórkowe występujące tylko w organizmach roślinnych, sinicach. Każdy chloroplast pokryty jest podwójną membraną: zewnętrzną i wewnętrzną. Wewnętrzna część chloroplastu jest wypełniona zrębem - główną substancją, która konsystencją przypomina cytoplazmę komórki.
Struktura chloroplastu
Zrąb chloroplastowy składa się z:
- tylakoidy - struktury przypominające płaskie worki zawierające pigmentowy chlorofil;
- gran - grupy tylakoidów;
- lamella - kanaliki łączące grana tylakoidów.
Każda grana wygląda jak stos monet, gdzie każda moneta to tylakoid, a lamela to półka, na której leżą granaty. Ponadto chloroplasty mają własną informację genetyczną, reprezentowaną przez dwuniciowe nici DNA, a także rybosomy, które biorą udział w syntezie białek, kropli oleju, ziaren skrobi.
Biologia: jakie substancje i związki organiczne wchodzą w skład komórki
Fazy główne
Fotosynteza ma dwie naprzemienne fazy: jasną i ciemną. Każda ma swoją własną charakterystykę przepływu i produkty powstające podczas pewnych reakcji.
Dwa fotosystemy, utworzone z pomocniczych pigmentów zbierających światło, chlorofilu i karotenoidu, przekazują energię do głównego pigmentu.
W efekcie energia świetlna zamieniana jest na energię chemiczną – ATP (kwas adenozynotrifosforowy). Co dzieje się w procesie fotosyntezy.
Świetlny
Faza światła pojawia się, gdy fotony światła uderzają w roślinę. W chloroplastach płynie na błonach tylakoidów.
Główne procesy:
- Pigmenty fotosystemu zaczynam „absorbować” fotony energii słonecznej, które są przekazywane do centrum reakcji.
- Pod wpływem fotonów światła elektrony są „wzbudzane” w cząsteczce pigmentu (chlorofilu).
- „Podekscytowany” elektron jest przenoszony na zewnętrzną błonę tylakoidu za pomocą białek transportowych.
- Ten sam elektron oddziałuje ze związkiem kompleksowym NADP (fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego), redukując go do NADP*H2 (związek ten bierze udział w fazie ciemnej).
Podobne procesy zachodzą również w fotosystemie II. „Podekscytowane” elektrony opuszczają centrum reakcji i są przenoszone na zewnętrzną błonę tylakoidów, gdzie wiążą się z akceptorem elektronów, wracają do fotosystemu I i przywracają go.
Lekka faza fotosyntezy
Ale jak przywraca się fotosystem II? Dzieje się tak na skutek fotolizy wody – reakcji rozszczepiania H2O. Po pierwsze, cząsteczka wody oddaje elektrony do centrum reakcji fotosystemu II, dzięki czemu następuje jego redukcja. Następnie następuje całkowity podział wody na wodór i tlen. Ten ostatni wnika do środowiska przez aparaty szparkowe naskórka liścia.
Z czego zrobiony jest nukleotyd i co to jest
Możesz zobrazować fotolizę wody za pomocą równania:
2H2O \u003d 4H + 4e + O2
Ponadto w fazie lekkiej syntetyzowane są cząsteczki ATP – energia chemiczna, która trafia do tworzenia glukozy. Błona tylakoidów zawiera układ enzymatyczny, który bierze udział w tworzeniu ATP. Proces ten zachodzi w wyniku tego, że jon wodorowy jest przenoszony przez kanał specjalnego enzymu z powłoki wewnętrznej do powłoki zewnętrznej. Wtedy energia zostaje uwolniona.
Warto wiedzieć! W fazie jasnej fotosyntezy wytwarzany jest tlen, a także energia ATP, która jest wykorzystywana do syntezy cukrów prostych w fazie ciemnej.
Ciemny
Reakcje w fazie ciemnej zachodzą przez całą dobę, nawet przy braku światła słonecznego. Reakcje fotosyntezy zachodzą w zrębie (środowisku wewnętrznym) chloroplastu. Temat ten został szczegółowo zbadany przez Melvina Calvina, od którego reakcje fazy ciemnej nazywane są cyklem Calvina, czyli C3 – ścieżką.
Cykl ten przebiega w 3 etapach:
- Karboksylacja.
- Powrót do zdrowia.
- Regeneracja akceptorów.
Podczas karboksylacji substancja zwana bisfosforanem rybulozy łączy się z cząsteczkami dwutlenku węgla. W tym celu stosuje się specjalny enzym - karboksylazę. Powstaje niestabilny sześciowęglowy związek, który niemal natychmiast dzieli się na 2 cząsteczki FHA (kwasu fosfoglicerynowego).
Aby przywrócić FHA, wykorzystuje się energię ATP i NADP * H2, powstałą podczas fazy światła. W kolejnych reakcjach powstaje cukier trójwęglowy z grupą fosforanową.
Podczas regeneracji akceptorów część cząsteczek FHA jest wykorzystywana do redukcji cząsteczek bisfosforanu rybulozy, który jest akceptorem CO2. Ponadto w kolejnych reakcjach powstaje monosacharyd, glukoza. Do wszystkich tych procesów wykorzystywana jest energia ATP powstająca w fazie lekkiej, a także NADP * H2.
Jak układają się organelle: budowa i funkcje organelli komórek roślinnych i zwierzęcych
Procesy przekształcania 6 cząsteczek dwutlenku węgla w 1 cząsteczkę glukozy wymagają rozbicia 18 cząsteczek ATP i 12 cząsteczek NADP*H2. Procesy te można zobrazować za pomocą następującego równania:6CO2 + 24H = C6H12O6 + 6H2O
Następnie z powstałej glukozy syntetyzowane są bardziej złożone węglowodany - polisacharydy: skrobia, celuloza.
Notatka! Podczas fotosyntezy fazy ciemnej powstaje glukoza - substancja organiczna niezbędna do odżywiania roślin i wytwarzania energii.
Poniższa tabela fotosyntezy pomoże lepiej zrozumieć podstawową istotę tego procesu.
Tabela porównawcza faz fotosyntezy
Chociaż cykl Calvina jest najbardziej typowy dla ciemnej fazy fotosyntezy, to jednak dla niektórych roślin tropikalnych charakterystyczny jest cykl Hatcha-Slack (ścieżka C4), który ma swoje własne cechy.
Podczas karboksylacji w cyklu Hatch-Sleck nie powstaje kwas fosfoglicerynowy, ale inne, takie jak: szczawiooctowy, jabłkowy, asparaginowy.
Również podczas tych reakcji dwutlenek węgla gromadzi się w komórkach roślinnych i nie jest wydalany podczas wymiany gazowej, jak w większości przypadków.
Następnie gaz ten bierze udział w reakcjach fotosyntezy i tworzeniu glukozy. Warto również zauważyć, że ścieżka fotosyntezy C4 wymaga więcej energii niż cykl Calvina. Główne reakcje, produkty powstawania w cyklu Hatch-Slack nie różnią się od cyklu Calvina.
Ze względu na reakcje cyklu Hatch-Slack fotooddychanie praktycznie nie występuje u roślin, ponieważ aparaty szparkowe naskórka są w stanie zamkniętym. Pozwala im to dostosować się do określonych warunków siedliskowych:
- intensywne ciepło;
- suchy klimat;
- zwiększone zasolenie siedlisk;
- brak CO2.
Etapy dysymilacji: co to jest w biologii
Porównanie faz jasnych i ciemnych
Wartość w naturze
Dzięki fotosyntezie powstaje tlen - substancja niezbędna dla procesów oddychania i gromadzenia energii wewnątrz komórek, która umożliwia organizmom żywym wzrost, rozwój, rozmnażanie się i jest bezpośrednio zaangażowana w pracę wszystkich układów fizjologicznych człowieka ciało, zwierzęta.
Ważny! Z tlenu w atmosferze tworzy się warstwa ozonowa, która chroni wszystkie organizmy przed szkodliwym działaniem niebezpiecznego promieniowania ultrafioletowego.
Wyjście
Dzięki zdolności do syntezy tlenu i energii rośliny stanowią pierwsze ogniwo we wszystkich łańcuchach pokarmowych, będąc producentami. Spożywając zielone rośliny, wszystkie heterotrofy (zwierzęta, ludzie) otrzymują wraz z pożywieniem niezbędne surowce. Dzięki procesowi zachodzącemu w roślinach zielonych i sinicach utrzymuje się stały skład gazowy atmosfery i życia na ziemi.
Wstecz do przodu
Uwaga! Podgląd slajdu służy wyłącznie do celów informacyjnych i może nie przedstawiać pełnego zakresu prezentacji. Jeśli jesteś zainteresowany tą pracą, pobierz pełną wersję.
Zadania: Kształtowanie wiedzy o reakcjach wymiany plastycznej i energetycznej oraz ich wzajemnych relacjach; przypomnieć strukturalne cechy chloroplastów. Opisz jasne i ciemne fazy fotosyntezy. Pokaż znaczenie fotosyntezy jako procesu, który zapewnia syntezę substancji organicznych, absorpcję dwutlenku węgla i uwalnianie tlenu do atmosfery.
Rodzaj lekcji: wykład.
Sprzęt:
- Pomoce wizualne: tabele dotyczące biologii ogólnej;
- TCO: komputer; projektor multimedialny.
Plan wykładu:
- Historia badania procesu.
- Eksperymenty fotosyntezy.
- Fotosynteza jako proces anaboliczny.
- Chlorofil i jego właściwości.
- Fotosystemy.
- Lekka faza fotosyntezy.
- Ciemna faza fotosyntezy.
- Czynniki ograniczające fotosyntezę.
Postęp wykładu
Historia badań fotosyntezy
1630 rok rozpoczęcia badania fotosyntezy . Van Helmont udowodnił, że rośliny tworzą substancje organiczne i nie otrzymują ich z gleby. Ważąc doniczkę z ziemią i wierzbą, a osobno samo drzewo, wykazał, że po 5 latach masa drzewa wzrosła o 74 kg, podczas gdy ziemia straciła tylko 57 g. Uznał, że drzewo otrzymuje pokarm z wody. Teraz wiemy, że używany jest dwutlenek węgla.
W 1804 Saussure odkryli, że woda odgrywa ważną rolę w procesie fotosyntezy.
W 1887 odkryto bakterie chemosyntetyczne.
W 1905 Blackman ustalili, że fotosynteza składa się z dwóch faz: szybkiej - jasnej oraz szeregu następujących po sobie powolnych reakcji fazy ciemnej.
Eksperymenty fotosyntezy
| 1 doświadczenie potwierdza znaczenie światła słonecznego (ryc. 1.) | 2 doświadczenie udowadnia znaczenie dwutlenku węgla w fotosyntezie (ryc. 2.) |
|
|
3 doświadczenie potwierdza znaczenie fotosyntezy (ryc. 3.) |
|
|
|
Fotosynteza jako proces anaboliczny
- Każdego roku w wyniku fotosyntezy powstaje 150 miliardów ton materii organicznej i 200 miliardów ton wolnego tlenu.
- Cykl tlenu, węgla i innych pierwiastków biorących udział w fotosyntezie. Utrzymuje nowoczesną kompozycję atmosfery, niezbędną do istnienia nowoczesnych form życia.
- Fotosynteza zapobiega wzrostowi stężenia dwutlenku węgla, zapobiegając przegrzaniu Ziemi w wyniku efektu cieplarnianego.
- Fotosynteza jest podstawą wszystkich łańcuchów pokarmowych na Ziemi.
- Energia zmagazynowana w produktach jest głównym źródłem energii dla ludzkości.
Esencja fotosyntezy polega na zamianie energii świetlnej wiązki słonecznej na energię chemiczną w postaci ATP i NADP·H 2.
Ogólne równanie fotosyntezy to:
6CO2 + 6H2O→C6H12O6 + 6O2
Istnieją dwa główne rodzaje fotosyntezy:
Chlorofil i jego właściwości
Rodzaje chlorofilu
Chlorofil ma modyfikacje a, b, c, d. Różnią się budową strukturalną i widmem absorpcji światła. Na przykład: chlorofil b zawiera o jeden atom tlenu więcej i dwa atomy wodoru mniej niż chlorofil a.
Wszystkie rośliny i oksyfotobakterie mają żółto-zielony chlorofil a jako pigment główny, a chlorofil b jako pigment dodatkowy.
Inne pigmenty roślinne
Niektóre inne pigmenty są w stanie absorbować energię słoneczną i przenosić ją na chlorofil, tym samym angażując ją w fotosyntezę.
Większość roślin ma ciemnopomarańczowy pigment - karoten, która w organizmie zwierzęcia zamienia się w witaminę A i żółty barwnik - ksantofil.
Fikocyjanina I fikoerytryna- zawierają czerwone i niebiesko-zielone algi. W czerwonych algach pigmenty te są bardziej aktywnie zaangażowane w proces fotosyntezy niż chlorofil.
Chlorofil w minimalnym stopniu pochłania światło w niebiesko-zielonej części widma. Chlorofil a, b - w fioletowym obszarze widma, gdzie długość fali wynosi 440 nm. Unikalna funkcja chlorofilu polega na tym, że intensywnie pochłania energię słoneczną i przekazuje ją innym cząsteczkom.
Pigmenty pochłaniają pewną długość fali, niezaabsorbowane części widma słonecznego są odbijane, co zapewnia kolor pigmentu. Zielone światło nie jest pochłaniane, więc chlorofil jest zielony.
Pigmenty to związki chemiczne, które pochłaniają światło widzialne, powodując wzbudzenie elektronów. Im krótsza długość fali, tym większa energia światła i większa jego zdolność do przenoszenia elektronów do stanu wzbudzonego. Ten stan jest niestabilny i wkrótce cała cząsteczka powraca do swojego zwykłego stanu niskoenergetycznego, tracąc energię wzbudzenia. Ta energia może być wykorzystana do fluorescencji.
Fotosystemy
Pigmenty roślinne biorące udział w fotosyntezie są "upakowane" w tylakoidy chloroplastowe w postaci funkcjonalnych jednostek fotosyntetycznych - systemów fotosyntezy: fotosystem I i fotosystem II.
Każdy system składa się z zestawu pigmentów pomocniczych (od 250 do 400 cząsteczek), które przenoszą energię na jedną cząsteczkę pigmentu głównego i nazywa się to centrum reakcji. Wykorzystuje energię słoneczną do reakcji fotochemicznych.
Faza światła przebiega koniecznie z udziałem światła, faza ciemna zarówno w świetle, jak iw ciemności. Proces jasny zachodzi w tylakoidach chloroplastów, proces ciemny zachodzi w zrębie, tj. procesy te są rozdzielone przestrzennie.
Lekka faza fotosyntezy
W 1958 Arno a jego współpracownicy badali lekką fazę fotosyntezy. Odkryli, że światło jest źródłem energii podczas fotosyntezy, a ponieważ światło w syntezie chlorofilu z ADP + F.c. → ATP, to proces ten nazywa się fosforylacja. Wiąże się to z przenoszeniem elektronów w błonach.
Rola reakcji świetlnych: 1. Synteza ATP - fosforylacja. 2. Synteza NADP.H 2 .
Ścieżka transportu elektronów nazywa się Schemat Z.
Schemat Z. Fotofosforylacja acykliczna i cykliczna(Rys. 6.)
W trakcie cyklicznego transportu elektronów nie dochodzi do tworzenia NADP.H 2 i fotorozkładu H 2 O, stąd uwalnianie O 2. Ta ścieżka jest używana, gdy w komórce występuje nadmiar NADP.H2, ale wymagany jest dodatkowy ATP.
Wszystkie te procesy należą do lekkiej fazy fotosyntezy. W przyszłości energia ATP i NADP.H 2 jest wykorzystywana do syntezy glukozy. Ten proces nie wymaga światła. Są to reakcje ciemnej fazy fotosyntezy.
Ciemna faza fotosyntezy czyli cykl Calvina
Synteza glukozy zachodzi podczas procesu cyklicznego, który został nazwany na cześć naukowca Melvina Calvina, który ją odkrył i otrzymał Nagrodę Nobla.
Ryż. 8. Cykl Calvina
Każda reakcja cyklu Calvina jest przeprowadzana przez własny enzym. Do tworzenia glukozy wykorzystywane są: CO 2 , protony i elektrony z NADP.H 2 , energia ATP i NADP.H 2 . Proces odbywa się w zrębie chloroplastu. Początkowy i końcowy związek cyklu Calvina, do którego za pomocą enzymu karboksylaza difosforanu rybulozy CO2 łączy się, jest cukrem pięciowęglowym - bisfosforan rybulozy zawierające dwie grupy fosforanowe. W efekcie powstaje sześciowęglowy związek, który natychmiast rozkłada się na dwie trzywęglowe cząsteczki. kwas fosfoglicerynowy, które są następnie przywracane do aldehyd fosfoglicerynowy. Jednocześnie część powstałego aldehydu fosfoglicerynowego jest wykorzystywana do regeneracji dwufosforanu rybulozy, a tym samym cykl jest ponownie odnawiany (5C 3 → 3C 5), a część jest wykorzystywana do syntezy glukozy i innych związków organicznych (2C 3 → C 6 → C6H12O6).
Do utworzenia jednej cząsteczki glukozy wymagane są 6 obrotów cykli i wymagane są 12NADP.H2 i 18 ATP. Z ogólnego równania reakcji okazuje się:
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
Z powyższego równania widać, że atomy C i O weszły w glukozę z CO 2, a atomy wodoru z H 2 O. Glukoza może być później wykorzystywana zarówno do syntezy węglowodanów złożonych (celuloza, skrobia) jak i do tworzenia białek i lipidy.
(C 4 - fotosynteza. W 1965 r. udowodniono, że w trzcinie cukrowej pierwszymi produktami fotosyntezy są kwasy zawierające cztery atomy węgla (jabłkowy, szczawiooctowy, asparaginowy). Kukurydza, sorgo, proso należą do roślin C 4).
Czynniki ograniczające fotosyntezę
Tempo fotosyntezy jest najważniejszym czynnikiem wpływającym na plon upraw rolnych. Tak więc dla ciemnych faz fotosyntezy potrzebne są NADP.H 2 i ATP, a zatem szybkość ciemnych reakcji zależy od reakcji jasnych. W słabym świetle tempo tworzenia materii organicznej będzie niskie. Zatem światło jest czynnikiem ograniczającym.
Spośród wszystkich czynników jednocześnie wpływających na proces fotosyntezy ograniczający będzie tym, który jest bliższy minimalnemu poziomowi. Zainstalowano Blackman w 1905. Różne czynniki mogą ograniczać, ale jeden z nich jest głównym.
Kosmiczna rola roślin(opisane K. A. Timiryazev) polega na tym, że rośliny są jedynymi organizmami, które pochłaniają energię słoneczną i gromadzą ją w postaci potencjalnej energii chemicznej związków organicznych. Uwolniony O 2 wspomaga witalną aktywność wszystkich organizmów tlenowych. Z tlenu powstaje ozon, który chroni wszystkie żywe istoty przed promieniami ultrafioletowymi. Rośliny zużyły ogromne ilości CO 2 z atmosfery, którego nadmiar wytworzył „efekt cieplarniany”, a temperatura planety spadła do obecnych wartości.
Jak krótko i przejrzyście wytłumaczyć tak złożony proces, jakim jest fotosynteza? Rośliny są jedynymi żywymi organizmami, które mogą wytwarzać własne pożywienie. Jak oni to robią? Do wzrostu otrzymują wszystkie niezbędne substancje ze środowiska: dwutlenek węgla - z powietrza, wody i - z gleby. Potrzebują również energii ze światła słonecznego. Energia ta wyzwala pewne reakcje chemiczne, podczas których dwutlenek węgla i woda są przekształcane w glukozę (odżywianie) i następuje fotosynteza. Krótko i jasno istotę tego procesu można wyjaśnić nawet dzieciom w wieku szkolnym.
„Razem ze Światłem”
Słowo „fotosynteza” pochodzi od dwóch greckich słów – „foto” i „synteza”, co w tłumaczeniu oznacza „razem ze światłem”. Energia słoneczna zamieniana jest na energię chemiczną. Równanie chemiczne fotosyntezy:
6CO2 + 12H2O + światło \u003d C6H12O6 + 6O2 + 6H2O.
Oznacza to, że 6 cząsteczek dwutlenku węgla i dwanaście cząsteczek wody jest wykorzystywanych (wraz ze światłem słonecznym) do produkcji glukozy, w wyniku czego powstaje sześć cząsteczek tlenu i sześć cząsteczek wody. Jeśli przedstawimy to w postaci równania werbalnego, otrzymamy:
Woda + słońce => glukoza + tlen + woda.
Słońce jest bardzo potężnym źródłem energii. Ludzie zawsze starają się używać go do wytwarzania energii elektrycznej, ocieplania domów, podgrzewania wody i tak dalej. Rośliny miliony lat temu „wymyśliły” jak wykorzystywać energię słoneczną, ponieważ była ona niezbędna do ich przetrwania. Fotosyntezę można krótko i jasno wytłumaczyć następująco: rośliny wykorzystują energię świetlną słońca i zamieniają ją na energię chemiczną, czego efektem jest cukier (glukoza), którego nadmiar jest magazynowany w postaci skrobi w liściach, korzeniach, łodygach i nasiona rośliny. Energia słoneczna jest przekazywana roślinom, a także zwierzętom, które te rośliny zjadają. Gdy roślina potrzebuje składników odżywczych do wzrostu i innych procesów życiowych, te rezerwy są bardzo przydatne.
Jak rośliny pochłaniają energię słoneczną?
Mówiąc krótko i wyraźnie o fotosyntezie, warto poruszyć kwestię tego, w jaki sposób rośliny radzą sobie z pochłanianiem energii słonecznej. Wynika to ze specjalnej struktury liści, w skład której wchodzą zielone komórki - chloroplasty, które zawierają specjalną substancję zwaną chlorofilem. To właśnie nadaje liściom ich zielony kolor i odpowiada za pochłanianie energii światła słonecznego.
Dlaczego większość liści jest szeroka i płaska?
Fotosynteza zachodzi w liściach roślin. Zaskakującym faktem jest to, że rośliny są bardzo dobrze przystosowane do zatrzymywania światła słonecznego i pochłaniania dwutlenku węgla. Dzięki szerokiej powierzchni zostanie uchwycone znacznie więcej światła. Z tego powodu panele słoneczne, które czasami montuje się na dachach domów, są również szerokie i płaskie. Im większa powierzchnia, tym lepsze wchłanianie.
Co jeszcze jest ważne dla roślin?
Podobnie jak ludzie, rośliny również potrzebują składników odżywczych i składników odżywczych, aby zachować zdrowie, rosnąć i dobrze funkcjonować. Pobierają minerały rozpuszczone w wodzie z gleby przez korzenie. Jeśli w glebie brakuje składników mineralnych, roślina nie będzie się normalnie rozwijać. Rolnicy często testują glebę, aby upewnić się, że ma wystarczającą ilość składników odżywczych do wzrostu roślin. W przeciwnym razie uciekaj się do stosowania nawozów zawierających niezbędne minerały do odżywiania i wzrostu roślin.
Dlaczego fotosynteza jest tak ważna?
Wyjaśniając pokrótce i klarownie fotosyntezę dzieciom, warto wspomnieć, że proces ten jest jedną z najważniejszych reakcji chemicznych na świecie. Jakie są powody tak głośnej wypowiedzi? Po pierwsze, fotosynteza odżywia rośliny, które z kolei karmią wszystkie inne żywe istoty na planecie, w tym zwierzęta i ludzi. Po drugie, w wyniku fotosyntezy do atmosfery uwalniany jest tlen niezbędny do oddychania. Wszystkie żywe istoty wdychają tlen i wydychają dwutlenek węgla. Na szczęście rośliny robią coś przeciwnego, dlatego są bardzo ważne dla ludzi i zwierząt do oddychania.
Niesamowity proces
Okazuje się, że rośliny również potrafią oddychać, ale w przeciwieństwie do ludzi i zwierząt pochłaniają dwutlenek węgla z powietrza, a nie tlen. Rośliny też piją. Dlatego musisz je podlewać, inaczej umrą. Za pomocą systemu korzeniowego woda i składniki odżywcze są transportowane do wszystkich części ciała rośliny, a dwutlenek węgla jest wchłaniany przez małe otwory w liściach. Wyzwalaczem do rozpoczęcia reakcji chemicznej jest światło słoneczne. Wszystkie powstałe produkty przemiany materii są wykorzystywane przez rośliny do odżywiania, tlen uwalniany jest do atmosfery. W ten sposób można krótko i jasno wyjaśnić, jak przebiega proces fotosyntezy.
Fotosynteza: jasne i ciemne fazy fotosyntezy
Rozważany proces składa się z dwóch głównych części. Istnieją dwie fazy fotosyntezy (opis i tabela - poniżej). Pierwsza nazywa się fazą światła. Występuje tylko w obecności światła w błonach tylakoidów z udziałem chlorofilu, białek nośnikowych elektronów i enzymu syntetazy ATP. Co jeszcze kryje fotosynteza? Zapalaj i wymieniaj się nawzajem, gdy nadejdzie dzień i noc (cykle Calvina). W fazie ciemnej dochodzi do produkcji tej samej glukozy, pokarmu dla roślin. Proces ten nazywany jest również reakcją niezależną od światła.
| faza światła | ciemna faza |
1. Reakcje zachodzące w chloroplastach są możliwe tylko w obecności światła. Reakcje te przekształcają energię świetlną w energię chemiczną. 2. Chlorofil i inne pigmenty pochłaniają energię światła słonecznego. Energia ta jest przekazywana do fotosystemów odpowiedzialnych za fotosyntezę. 3. Woda jest wykorzystywana do wytwarzania elektronów i jonów wodorowych, a także uczestniczy w produkcji tlenu 4. Elektrony i jony wodorowe są wykorzystywane do tworzenia ATP (cząsteczki magazynującej energię), która jest potrzebna w kolejnej fazie fotosyntezy | 1. Reakcje cyklu wyłączenia światła zachodzą w zrębie chloroplastów 2. Dwutlenek węgla i energia z ATP są wykorzystywane w postaci glukozy |
Wniosek
Z powyższego można wyciągnąć następujące wnioski:
- Fotosynteza to proces, który umożliwia pozyskiwanie energii ze słońca.
- Energia świetlna słońca jest przekształcana przez chlorofil w energię chemiczną.
- Chlorofil nadaje roślinom zielony kolor.
- Fotosynteza zachodzi w chloroplastach liści roślin.
- Dwutlenek węgla i woda są niezbędne do fotosyntezy.
- Dwutlenek węgla dostaje się do rośliny przez maleńkie otwory, aparaty szparkowe, a tlen przez nie wychodzi.
- Woda jest wchłaniana do rośliny przez jej korzenie.
- Bez fotosyntezy nie byłoby jedzenia na świecie.
Fotosynteza to złożony proces, który obejmuje cały system reakcji chemicznych. Jest rozciągnięty w czasie i składa się z dwóch etapów. Pierwsza faza odbywa się tylko w świetle i nazywana jest światłem. Druga, ciemna faza nie zależy od energii światła i występuje zarówno w świetle, jak iw ciemności.
w świetle
Faza świetlna rozpoczyna się uderzeniem kwantów światła w molekuły chlorofilu, które znajdują się wewnątrz tylakoidów - płaskich zbiorników membranowych w kształcie dysku.
Ryż. 1. Struktura chloroplastu.
W tym przypadku cząsteczki chlorofilu przechodzą w stan wzbudzony i tracą elektrony. Zamiast utraconych elektronów dodają elektrony cząsteczek H₂O lub jonów OH¯.
Zachodzi inicjowany chlorofilem rozkład wody (fotoliza) i uwalnianie gazowego tlenu. Jedna cząsteczka tlenu powstaje z dwóch cząsteczek wody.
2Н₂О → 4Н⁺ + 4е¯ + О₂
TOP 4 artykuły
kto czytał razem z tymSwobodne elektrony i wodór przechodzą przez złożony łańcuch substancji nośnikowych i są utrwalane w cząsteczkach NADPH₂.
Ryż. 2. Schemat fazy lekkiej fotosyntezy.
Ze względu na energię wzbudzonych elektronów, cząsteczki ATP są również syntetyzowane z ADP i kwasu fosforowego.
Jeśli tlen jest uważany za produkt uboczny fazy jasnej, to ATP można uznać za główny, ponieważ jego energia będzie zużywana na tworzenie substancji organicznych z CO₂ w fazie ciemnej.
W ten sposób energia światła staje się energią wiązań chemicznych ATP.
W świetle i w ciemności
Reakcje fazy ciemnej przebiegają poza tylakoidami, w zrębie chloroplastu, który w swoich właściwościach jest biokoloidem.
Istotą procesów tej fazy jest przemiana atmosferycznego dwutlenku węgla w różne substancje organiczne.
Rośliny C₃ i C₄
Istnieją dwa sposoby fotosyntezy charakterystyczne dla różnych gatunków roślin. Większość gatunków należy do C₃ - roślin. Oznacza to, że w pierwszym etapie fazy ciemnej tworzą węglowodory trójatomowe:
CO₂ + difosforan rybulozy (RDP) + H₂O → 2 cząsteczki kwasu fosfoglicerynowego (PGA).
RDP: 5 atomów C. FHA: 3 atomy C.
Substancje organiczne powstają nie przez dodanie cząsteczek CO₂, ale przez dodanie CO₂ do już istniejących węglowodanów.
W ten sposób CO₂ bierze udział w metabolizmie wewnątrzkomórkowym rośliny.
W roślinach C₄ - dochodzi do tworzenia kwasów czteroatomowych:
- jabłko;
- kwas szczawiowy;
- asparaginowy.
C₄ - rośliny są pochodzenia tropikalnego i są bardzo światłolubne. Są to sorgo, proso, kukurydza, trzcina cukrowa itp.
Produkty pierwszego etapu przechodzą cykl reakcji, tworząc różnorodne substancje wykorzystywane przez komórkę.
We wszystkich roślinach faza ciemna kończy się wytworzeniem glukozy, fruktozy i innych węglowodanów o sześciu atomach.
Udowodniono, że fotosynteza syntetyzuje również białka i inne produkty.
Ryż. 3. Schemat ciemnej fazy fotosyntezy.
Oznaki faz fotosyntezy, a także skutki procesów zachodzących w obu fazach przedstawia tabela:
Czego się nauczyliśmy?
Po przeprowadzeniu charakterystyki porównawczej dwóch faz fotosyntezy ustaliliśmy, że faza lekka jest fazą przygotowawczą. Podczas fazy światła: wytwarzany jest tlen, gromadzona jest energia w postaci ATP, gromadzony jest wodór. Faza ciemna wykorzystuje surowce uzyskane podczas fazy jasnej i kończy się powstaniem różnorodnych związków organicznych.
Quiz tematyczny
Ocena raportu
Średnia ocena: 4.6. Łącznie otrzymane oceny: 195.
Fotosynteza to zamiana energii światła na energię wiązań chemicznych. związki organiczne.
Fotosynteza jest charakterystyczna dla roślin, w tym wszystkich alg, szeregu prokariontów, w tym sinic i niektórych jednokomórkowych eukariontów.
W większości przypadków fotosynteza wytwarza tlen (O2) jako produkt uboczny. Jednak nie zawsze tak jest, ponieważ istnieje kilka różnych ścieżek fotosyntezy. W przypadku uwolnienia tlenu jego źródłem jest woda, z której na potrzeby fotosyntezy wydzielane są atomy wodoru.
Fotosynteza składa się z wielu reakcji, w których uczestniczą różne pigmenty, enzymy, koenzymy itp. Głównymi pigmentami są chlorofile, oprócz nich karotenoidy i fikobiliny.
W naturze powszechne są dwa sposoby fotosyntezy roślin: C 3 i C 4. Inne organizmy mają swoje własne specyficzne reakcje. To, co łączy te różne procesy pod nazwą „fotosynteza”, polega na tym, że w sumie we wszystkich zachodzi przemiana energii fotonów w wiązanie chemiczne. Dla porównania: podczas chemosyntezy energia wiązania chemicznego niektórych związków (nieorganicznych) zamieniana jest na inne – organiczne.
Istnieją dwie fazy fotosyntezy - jasna i ciemna. Pierwsza zależy od promieniowania świetlnego (hν), które jest niezbędne do przebiegu reakcji. Faza ciemna jest niezależna od światła.
W roślinach fotosynteza zachodzi w chloroplastach. W wyniku wszystkich reakcji powstają pierwotne substancje organiczne, z których następnie syntetyzuje się węglowodany, aminokwasy, kwasy tłuszczowe itp. Zwykle całkowita reakcja fotosyntezy jest zapisywana w odniesieniu do glukoza – najczęstszy produkt fotosyntezy:
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
Atomy tlenu tworzące cząsteczkę O 2 nie są pobierane z dwutlenku węgla, ale z wody. Dwutlenek węgla jest źródłem węgla co jest ważniejsze. Dzięki wiązaniu rośliny mają możliwość syntezy materii organicznej.
Przedstawiona powyżej reakcja chemiczna ma charakter uogólniony i całkowity. Jest to dalekie od istoty procesu. Tak więc glukoza nie powstaje z sześciu pojedynczych cząsteczek dwutlenku węgla. Wiązanie CO 2 następuje w jednej cząsteczce, która najpierw przyłącza się do już istniejącego cukru pięciowęglowego.
Prokarionty mają swoje własne cechy fotosyntezy. Tak więc u bakterii głównym pigmentem jest bakteriochlorofil, a tlen nie jest uwalniany, ponieważ wodór nie jest pobierany z wody, ale często z siarkowodoru lub innych substancji. W niebiesko-zielonych algach głównym pigmentem jest chlorofil, a podczas fotosyntezy uwalniany jest tlen.
Lekka faza fotosyntezy
W lekkiej fazie fotosyntezy ATP i NADP·H 2 są syntetyzowane dzięki energii promieniowania. Zdarza się na tylakoidach chloroplastów, gdzie pigmenty i enzymy tworzą złożone kompleksy do funkcjonowania obwodów elektrochemicznych, przez które przechodzą elektrony i częściowo protony wodoru.
Elektrony trafiają do koenzymu NADP, który będąc naładowany ujemnie, przyciąga część protonów i zamienia się w NADP H 2 . Ponadto akumulacja protonów po jednej stronie błony tylakoidów i elektronów po drugiej tworzy gradient elektrochemiczny, którego potencjał jest wykorzystywany przez enzym syntetazę ATP do syntezy ATP z ADP i kwasu fosforowego.
Głównymi pigmentami fotosyntezy są różne chlorofile. Ich cząsteczki wychwytują promieniowanie pewnych, częściowo różnych widm światła. W tym przypadku niektóre elektrony cząsteczek chlorofilu przemieszczają się na wyższy poziom energetyczny. Jest to stan niestabilny i teoretycznie elektrony za pomocą tego samego promieniowania powinny oddawać energię otrzymaną z zewnątrz w przestrzeń i powracać do poprzedniego poziomu. Jednak w komórkach fotosyntetycznych wzbudzone elektrony są wychwytywane przez akceptory i wraz ze stopniowym spadkiem ich energii są przenoszone wzdłuż łańcucha nośników.
Na błonach tylakoidowych istnieją dwa rodzaje fotosystemów, które emitują elektrony pod wpływem światła. Fotosystemy to złożony kompleks składający się głównie z pigmentów chlorofilowych z centrum reakcji, z którego odrywane są elektrony. W fotosystemie światło słoneczne wychwytuje wiele cząsteczek, ale cała energia jest gromadzona w centrum reakcji.
Elektrony fotosystemu I, po przejściu przez łańcuch nośników, przywracają NADP.
Energia elektronów oderwanych od fotosystemu II jest wykorzystywana do syntezy ATP. A elektrony fotosystemu II wypełniają dziury elektronowe fotosystemu I.
Otwory drugiego fotosystemu są wypełnione elektronami powstałymi w wyniku fotoliza wody. Fotoliza zachodzi również z udziałem światła i polega na rozkładzie H 2 O na protony, elektrony i tlen. To w wyniku fotolizy wody powstaje wolny tlen. Protony biorą udział w tworzeniu gradientu elektrochemicznego i redukcji NADP. Elektrony są odbierane przez chlorofil fotosystemu II.
Przybliżone równanie sumaryczne fazy lekkiej fotosyntezy:
H2O + NADP + 2ADP + 2P → ½O2 + NADP H2 + 2ATP
Cykliczny transport elektronów
Tak zwany niecykliczna lekka faza fotosyntezy. Czy jest jeszcze coś cykliczny transport elektronów, gdy nie występuje redukcja NADP. W tym przypadku elektrony z fotosystemu trafiają do łańcucha nośnego, w którym syntetyzuje się ATP. Oznacza to, że ten łańcuch transportu elektronów otrzymuje elektrony z fotosystemu I, a nie II. Pierwszy fotosystem niejako realizuje cykl: wyemitowane elektrony wracają do niego. Po drodze część energii poświęcają na syntezę ATP.
Fotofosforylacja i fosforylacja oksydacyjna
Fazę lekką fotosyntezy można porównać do etapu oddychania komórkowego - fosforylacji oksydacyjnej, która zachodzi na grzebieniach mitochondrialnych. Również tam synteza ATP zachodzi w wyniku przenoszenia elektronów i protonów wzdłuż łańcucha nośnego. Jednak w przypadku fotosyntezy energia jest magazynowana w ATP nie na potrzeby komórki, ale głównie na potrzeby ciemnej fazy fotosyntezy. A jeśli podczas oddychania substancje organiczne służą jako początkowe źródło energii, to podczas fotosyntezy jest to światło słoneczne. Synteza ATP podczas fotosyntezy nazywa się fotofosforylacja zamiast fosforylacji oksydacyjnej.
Ciemna faza fotosyntezy
Po raz pierwszy ciemną fazę fotosyntezy szczegółowo zbadali Calvin, Benson, Bassem. Odkryty przez nich cykl reakcji nazwano później cyklem Calvina, czyli fotosyntezą C 3 . W niektórych grupach roślin obserwuje się zmodyfikowany szlak fotosyntezy - C 4, zwany także cyklem Hatch-Slack.
W ciemnych reakcjach fotosyntezy CO 2 jest utrwalony. Faza ciemna zachodzi w zrębie chloroplastu.
Odzyskiwanie CO 2 następuje dzięki energii ATP i mocy redukującej NADP·H 2 powstającej w reakcjach świetlnych. Bez nich wiązanie węgla nie występuje. Dlatego chociaż faza ciemna nie zależy bezpośrednio od światła, zwykle przebiega również w świetle.
Cykl Calvina
Pierwszą reakcją fazy ciemnej jest dodanie CO 2 ( karboksylacjami) do 1,5-rybulozy wodorofosforanu ( 1,5-difosforan rybulozy) – RiBF. Ta ostatnia jest podwójnie fosforylowaną rybozą. Ta reakcja jest katalizowana przez enzym karboksylazę rybulozo-1,5-difosforanową, zwaną również rubisco.
W wyniku karboksylacji powstaje niestabilny sześciowęglowy związek, który w wyniku hydrolizy rozkłada się na dwie cząsteczki trójwęglowe kwas fosfoglicerynowy (PGA) jest pierwszym produktem fotosyntezy. FHA jest również nazywany fosfoglicerynianem.
RiBP + CO 2 + H 2 O → 2FGK
FHA zawiera trzy atomy węgla, z których jeden należy do kwasowej grupy karboksylowej (-COOH):
FHA jest przekształcany w cukier trójwęglowy (fosforan aldehydu glicerynowego) fosforan triozy (TF), który zawiera już grupę aldehydową (-CHO):
FHA (3-kwas) → TF (3-cukry)
Ta reakcja zużywa energię ATP i siłę redukującą NADP·H 2 . TF to pierwszy węglowodan fotosyntezy.
Następnie większość fosforanu triozy jest zużywana na regenerację bisfosforanu rybulozy (RiBP), który jest ponownie używany do wiązania CO 2 . Regeneracja obejmuje szereg reakcji zużywających ATP z udziałem fosforanów cukru o 3 do 7 atomach węgla.
W tym cyklu RiBF kończy się cykl Calvina.
Mniejsza część utworzonej w nim TF opuszcza cykl Calvina. Z 6 związanych cząsteczek dwutlenku węgla uzyskuje się 2 cząsteczki fosforanu triozy. Całkowita reakcja cyklu z produktami wejściowymi i wyjściowymi:
6CO2 + 6H2O → 2TF
Jednocześnie w wiązaniu uczestniczy 6 cząsteczek RiBP i powstaje 12 cząsteczek FHA, które ulegają przekształceniu w 12 TF, z czego 10 cząsteczek pozostaje w cyklu i ulega przekształceniu w 6 cząsteczek RiBP. Ponieważ TF jest cukrem trzywęglowym, a RiBP jest cukrem pięciowęglowym, w stosunku do atomów węgla mamy: 10*3 = 6*5. RiBP jest regenerowany. A sześć cząsteczek dwutlenku węgla zawartych w cyklu jest zużywanych na tworzenie dwóch cząsteczek fosforanu triozy opuszczających cykl.
Cykl Calvina, oparty na 6 związanych cząsteczkach CO 2 , zużywa 18 cząsteczek ATP i 12 cząsteczek NADP · H 2 , które zostały zsyntetyzowane w reakcjach fazy lekkiej fotosyntezy.
Obliczenia przeprowadza się dla dwóch cząsteczek fosforanu triozy opuszczających cykl, ponieważ utworzona później cząsteczka glukozy zawiera 6 atomów węgla.
Fosforan triozy (TF) jest produktem końcowym cyklu Calvina, ale trudno go nazwać produktem końcowym fotosyntezy, ponieważ prawie się nie kumuluje, ale reagując z innymi substancjami zamienia się w glukozę, sacharozę, skrobię, tłuszcze, kwasy tłuszczowe, aminokwasy. Oprócz TF ważną rolę odgrywa FHA. Jednak takie reakcje zachodzą nie tylko w organizmach fotosyntetycznych. W tym sensie ciemna faza fotosyntezy jest taka sama jak cykl Calvina.
PHA jest przekształcany w cukier sześciowęglowy poprzez stopniową katalizę enzymatyczną. fruktozo-6-fosforan, który zamienia się w glukoza. W roślinach glukoza może ulegać polimeryzacji do skrobi i celulozy. Synteza węglowodanów jest podobna do odwróconego procesu glikolizy.
fotooddychanie
Tlen hamuje fotosyntezę. Im więcej O 2 w środowisku, tym mniej wydajny proces sekwestracji CO 2 . Faktem jest, że enzym karboksylaza bisfosforanu rybulozy (rubisco) może reagować nie tylko z dwutlenkiem węgla, ale także z tlenem. W tym przypadku mroczne reakcje są nieco inne.
Fosfoglikolan to kwas fosfoglikolowy. Grupa fosforanowa zostaje z niej natychmiast odszczepiona i zamienia się w kwas glikolowy (glikolan). Do jego „wykorzystania” ponownie potrzebny jest tlen. Dlatego im więcej tlenu w atmosferze, tym bardziej będzie stymulować fotooddychanie i tym więcej tlenu będzie potrzebowała roślina, aby pozbyć się produktów reakcji.
Fotooddychanie to zależne od światła zużycie tlenu i uwalnianie dwutlenku węgla. Oznacza to, że wymiana gazów zachodzi jak podczas oddychania, ale zachodzi w chloroplastach i zależy od promieniowania świetlnego. Fotooddychanie zależy tylko od światła, ponieważ dwufosforan rybulozy powstaje tylko podczas fotosyntezy.
Podczas fotooddychania atomy węgla powracają z glikolanu do cyklu Calvina w postaci kwasu fosfoglicerynowego (fosfoglicerynian).
2 Glikolan (C 2) → 2 Glioksylan (C 2) → 2 Glicyna (C 2) - CO 2 → Seryna (C 3) → Hydroksypirogronian (C 3) → Glicerynian (C 3) → FGK (C 3)
Jak widać, powrót nie jest całkowity, ponieważ jeden atom węgla jest tracony, gdy dwie cząsteczki glicyny są przekształcane w jedną cząsteczkę aminokwasu seryny, podczas gdy dwutlenek węgla zostaje uwolniony.
Tlen jest potrzebny na etapach konwersji glikolanu do glioksylanu i glicyny do seryny.
Konwersja glikolanu do glioksylanu, a następnie do glicyny zachodzi w peroksysomach, a seryna jest syntetyzowana w mitochondriach. Seryna ponownie wchodzi do peroksysomów, gdzie najpierw wytwarza hydroksypirogronian, a następnie glicerynian. Gliceryn już wchodzi do chloroplastów, gdzie syntetyzowany jest z niego FHA.
Fotooddychanie jest typowe głównie dla roślin z fotosyntezą typu C3. Można to uznać za szkodliwe, ponieważ energia jest marnowana na przemianę glikolanu w FHA. Najwyraźniej fotooddychanie powstało z powodu faktu, że starożytne rośliny nie były gotowe na dużą ilość tlenu w atmosferze. Początkowo ich ewolucja odbywała się w atmosferze bogatej w dwutlenek węgla i to on przejął głównie centrum reakcji enzymu rubisco.
C 4 – fotosynteza, czyli cykl Hatch-Slack
Jeśli w fotosyntezie C3 pierwszym produktem fazy ciemnej jest kwas fosfoglicerynowy, który zawiera trzy atomy węgla, to w szlaku C4 pierwszymi produktami są kwasy zawierające cztery atomy węgla: jabłkowy, szczawiooctowy, asparaginowy.
Fotosyntezę C4 obserwuje się w wielu roślinach tropikalnych, np. trzcina cukrowa, kukurydza.
Rośliny C 4 efektywniej pochłaniają tlenek węgla, prawie nie mają fotooddychania.
Rośliny, w których ciemna faza fotosyntezy przebiega szlakiem C 4, mają specjalną strukturę liści. W nim wiązki przewodzące są otoczone podwójną warstwą komórek. Warstwa wewnętrzna to wyłożenie wiązki przewodzącej. Zewnętrzna warstwa to komórki mezofilu. Warstwy komórek chloroplastu różnią się od siebie.
Chloroplasty mezofilne charakteryzują się dużymi ziarnami, wysoką aktywnością fotosystemów, brakiem enzymu karboksylazy RiBP (rubisco) oraz skrobi. Oznacza to, że chloroplasty tych komórek są przystosowane głównie do lekkiej fazy fotosyntezy.
W chloroplastach komórek wiązki przewodzącej grana prawie nie jest rozwinięta, ale stężenie karboksylazy RiBP jest wysokie. Te chloroplasty są przystosowane do ciemnej fazy fotosyntezy.
Dwutlenek węgla najpierw wnika do komórek mezofilu, wiąże się z kwasami organicznymi, w tej postaci jest transportowany do komórek otoczki, jest uwalniany, a następnie wiąże się w taki sam sposób jak w roślinach C3. Oznacza to, że ścieżka C4 raczej uzupełnia niż zastępuje C3.
W mezofilu CO 2 jest dodawany do fosfoenolopirogronianu (PEP) w celu wytworzenia szczawiooctanu (kwasu), który zawiera cztery atomy węgla:
Reakcja zachodzi przy udziale enzymu PEP-karboksylazy, który ma większe powinowactwo do CO 2 niż rubisco. Ponadto karboksylaza PEP nie oddziałuje z tlenem, a zatem nie jest zużywana na fotooddychanie. Zaletą fotosyntezy C4 jest więc wydajniejsze wiązanie dwutlenku węgla, wzrost jego stężenia w komórkach otoczki, a w konsekwencji wydajniejsze działanie karboksylazy RiBP, która prawie nie jest zużywana do fotooddychania.
Szczawiooctan przekształca się w 4-węglowy kwas dikarboksylowy (jabłczan lub asparaginian), który jest transportowany do chloroplastów komórek wyściełających wiązki naczyniowe. Tutaj kwas jest dekarboksylowany (usuwanie CO2), utleniany (usuwanie wodoru) i przekształcany w pirogronian. Wodór przywraca NADP. Pirogronian powraca do mezofilu, gdzie PEP jest z niego regenerowany przy zużyciu ATP.
Oderwany CO 2 w chloroplastach komórek wyścielających trafia na zwykłą ścieżkę C 3 ciemnej fazy fotosyntezy, czyli do cyklu Calvina.
Fotosynteza na ścieżce Hatch-Slack wymaga więcej energii.
Uważa się, że szlak C4 ewoluował później niż szlak C3 i pod wieloma względami jest adaptacją przeciw fotooddychaniu.
- W kontakcie z 0
- Google+ 0
- ok 0
- Facebook 0
