Рационални нееднаквости и нивни решенија. План за час Алгебра (10 одделение) на тема: Системи на рационални неравенки

Тема 3 Фази на фотосинтеза

Дел 3 Фотосинтеза

1. Лесна фаза на фотосинтезата

2. Фотосинтетичка фосфорилација

3.Начини на фиксација на CO 2 при фотосинтеза

4. Фотодишење

Суштината на светлосната фаза на фотосинтезата е апсорпција на зрачна енергија и нејзина трансформација во асимилативна сила (ATP и NADP-H), неопходна за намалување на јаглеродот во темните реакции. Комплексноста на процесите на претворање на светлосната енергија во хемиска енергија бара нивна строга мембранска организација. Лесната фаза на фотосинтезата се јавува во граната на хлоропластот.

Така, фотосинтетичката мембрана врши многу важна реакција: ја претвора енергијата на апсорбираните светлосни кванти во редокс потенцијал на NADP-H и во потенцијалот на реакцијата на пренос на фосфорил група во молекулата АТП.Во овој случај, енергијата се претвора од многу краткотрајна форма во прилично долга - жива форма. Стабилизираната енергија подоцна може да се користи во биохемиски реакции растителна клетка, вклучително и во реакциите што доведуваат до намалување на јаглеродниот диоксид.

Пет главни полипептидни комплекси се вградени во внатрешните мембрани на хлоропластите: фотосистем I комплекс (PSI), фотосистем II комплекс (PSII), комплекс за собирање светлина II (LHCII), комплекс цитохром b 6 fИ АТП синтаза (комплекс CF 0 – CF 1).Комплексите PSI, PSII и CCKII содржат пигменти (хлорофили, каротеноиди), од кои повеќето функционираат како антени пигменти кои собираат енергија за пигментите на реакционите центри PSI и PSII. PSI и PSII комплекси, како и цитохром б 6 ѓ-комплексот содржи редокс кофактори и учествува во фотосинтетичкиот транспорт на електрони. Протеините на овие комплекси се различни висока содржинахидрофобни амино киселини, што обезбедува нивна интеграција во мембраната. АТП синтаза ( CF 0 - CF 1-комплекс) врши синтеза на АТП. Покрај големите полипептидни комплекси, тилакоидните мембрани содржат мали протеински компоненти - пластоцианин, феродоксинИ фередоксин-NADP оксидоредуктаза,се наоѓа на површината на мембраните. Тие се дел од системот за транспорт на електрони на фотосинтезата.

Во светлосниот циклус на фотосинтезата се случуваат следните процеси: 1) фотоексцитација на молекули на фотосинтетички пигмент; 2) миграција на енергија од антената до реакциониот центар; 3) фотооксидација на молекула на вода и ослободување на кислород; 4) фоторедукција на NADP до NADP-H; 5) фотосинтетичка фосфорилација, формирање на АТП.

Пигментите од хлоропласт се комбинираат во функционални комплекси - пигментни системи, во кои реакциониот центар е хлорофилот А,Спроведувајќи фотосензибилизација, тој е поврзан со процеси на пренос на енергија со антена која се состои од пигменти кои собираат светлина. Модерна шема на фотосинтеза виши растенијавклучува две фотографии хемиски реакции, спроведена со учество на два различни фотосистеми. Претпоставката за нивното постоење беше направена од Р. Емерсон во 1957 година врз основа на ефектот што тој го откри за подобрување на дејството на црвената светлина со долги бранови (700 nm) со комбинирано осветлување со зраци со пократок бран (650 nm). Последователно, беше откриено дека фотосистемот II апсорбира зраци со пократка бранова должина во споредба со PSI. Фотосинтезата се случува ефикасно само кога тие функционираат заедно, што го објаснува ефектот на засилување на Емерсон.


PSI содржи хлорофил димер како центар за реакција и сомаксимална апсорпција на светлина од 700 nm (P 700), како и хлорофили А 675-695, играјќи ја улогата на компонента на антената. Примарниот акцептор на електрони во овој систем е мономерната форма на хлорофил А 695, секундарни акцептори се железо-сулфурните протеини (-FeS). Комплексот PSI, под влијание на светлината, го намалува протеинот што содржи железо - феродоксин (Fd) и го оксидира протеинот што содржи бакар - пластоцијан (Pc).

PSII вклучува центар за реакција кој содржи хлорофил А(P 680) и антенски пигменти - хлорофили А 670-683. Примарниот акцептор на електрони е феофитин (Ph), кој ги пренесува електроните во пластохинон. PSII го вклучува и протеинскиот комплекс на S-систем, кој ја оксидира водата, и транспортерот на електрони Z. Овој комплекс функционира со учество на манган, хлор и магнезиум. PSII го намалува пластохинонот (PQ) и ја оксидира водата, ослободувајќи О2 и протони.

Врската за поврзувањепомеѓу PSII и PSI се пластохинонскиот фонд, протеински цитохром комплекс б 6 ѓи пластоцијан.

Во растителните хлоропласти, секој центар за реакција содржи приближно 300 пигментни молекули, кои се дел од антената или комплексите за собирање светлина. Од хлоропластните ламели е изолиран протеински комплекс кој содржи хлорофили за собирање светлина. АИ би каротеноиди (CCC), тесно поврзани со PSP, и антени комплекси директно вклучени во PSI и PSII (фокусирани антени компоненти на фотосистемите). Половина од тилакоидниот протеин и околу 60% од хлорофилот се локализирани во SSC. Секој SSC содржи од 120 до 240 молекули на хлорофил.

Антенскиот протеински комплекс PS1 содржи 110 молекули на хлорофил а 680-695 за еден R 700 , од нив, 60 молекули се компоненти на антената комплекс, кој може да се смета како SSC PSI. Комплексот PSI антена содржи и б-каротин.

Протеинскиот комплекс на антената PSII содржи 40 молекули на хлорофил Асо максимум на апсорпција од 670-683 nm на P 680 и б-каротин.

Хромопротеините на антените комплекси немаат фотохемиска активност. Нивната улога е да апсорбираат и пренесуваат квантна енергија на мал број молекули на реакционите центри P 700 и P 680, од ​​кои секоја е поврзана со синџир за транспорт на електрони и врши фотохемиска реакција. Организацијата на синџирите за транспорт на електрони (ETC) за сите молекули на хлорофил е ирационална, бидејќи дури и при директна сончева светлина, светлосните кванти ја погодуваат молекулата на пигментот не повеќе од еднаш на секои 0,1 секунди.

Физички механизмипроцеси на апсорпција, складирање и миграција на енергијамолекулите на хлорофилот се доста добро проучени. Апсорпција на фотони(hν) се должи на преминот на системот во различни енергетски состојби. Во молекула, за разлика од атом, електронски, вибрационен и ротациони движења, И вкупна енергијамолекули е еднаков на збирот на овие видови на енергии. Главниот индикатор за енергијата на апсорбирачкиот систем е неговото ниво електронска енергија, се одредува со енергијата на надворешните електрони во орбитата. Според принципот на Паули, во надворешната орбита има два електрони со спротивно насочени вртења, што резултира со формирање на стабилен систем на спарени електрони. Апсорпцијата на светлосната енергија е придружена со премин на еден од електроните во повисока орбита со складирање на апсорбираната енергија во форма на енергија на електронска возбуда. Најважната карактеристика на системите за апсорпција е селективноста на апсорпцијата, одредена електронска конфигурацијамолекули. Во тешко органска молекулаЕте го специфичен сетслободни орбити до кои електронот може да премине кога апсорбира светлосни кванти. Според Боровото „правило за фреквенција“, фреквенцијата на апсорбираното или емитуваното зрачење v мора строго да одговара на енергетската разлика помеѓу нивоата:

ν = (E 2 – E 1)/h,

каде што h е Планкова константа.

Секоја електронска транзиција одговара на специфичен опсег на апсорпција. Така, електронска структурамолекулите ја одредуваат природата на електронските вибрациони спектри.

Складирање на апсорбираната енергијаповрзани со појавата на електронски возбудени состојби на пигменти. Физичките законитости на возбудените состојби на Mg-порфирините може да се разгледаат врз основа на анализа на шемата за електронска транзиција на овие пигменти (слика).

Постојат два главни типа на возбудени состојби - сингл и тројка. Тие се разликуваат по енергетска и состојба на спин на електрони. Во единечна возбудена состојба, електронот се врти на земјата и возбудените нивоа остануваат антипаралелни; при преминот во тројна состојба, спинот на возбудениот електрон ротира со формирање на дворадикален систем. Кога фотонот се апсорбира, молекулата на хлорофилот поминува од основната состојба (S 0) во една од возбудените единечни состојби - S 1 или S 2 , што е придружено со премин на електрон на возбудено ниво со повисока енергија. Возбудената состојба на S2 е многу нестабилна. Електронот брзо (во рок од 10 -12 секунди) губи дел од својата енергија во форма на топлина и паѓа на пониското вибрационо ниво S 1, каде што може да остане 10 -9 секунди. Во состојбата S 1, може да се случи пресврт на електронски спин и премин во тројна состојба T 1, чија енергија е помала од S 1 .

Постојат неколку можни начини за деактивирање на возбудени состојби:

· емисија на фотон со премин на системот во основна состојба (флуоресценција или фосфоресценција);

пренос на енергија на друга молекула;

· употреба на енергија на побудување во фотохемиска реакција.

Миграција на енергијапомеѓу пигментните молекули може да се случи преку следните механизми. Механизам за индуктивна резонанца(Ферстер механизам) е возможен под услов електронската транзиција да биде оптички дозволена и размената на енергија се врши според механизам за ексцитон.Концептот на „ексцитон“ значи електронски возбудена состојба на молекулата, каде што возбудениот електрон останува врзан за молекулата на пигментот и не се случува раздвојување на полнежот. Преносот на енергија од возбудена пигментна молекула до друга молекула се врши со нерадијативен пренос на енергијата на возбудата. Електронот во возбудена состојба е осцилирачки дипол. Резултирачкото наизменично електрично поле може да предизвика слични вибрации на електрон во друга пигментна молекула доколку се исполнети условите за резонанца (еднаквост на енергијата помеѓу земјата и возбудените нивоа) и условите на индукција кои одредуваат доволно силна интеракција помеѓу молекулите (растојание не повеќе од 10 nm ).

Механизам за размена на резонанца на енергетската миграција на Теренин-Декстерсе јавува кога транзицијата е оптички забранета и не се формира дипол при возбудување на пигментот. За нејзино спроведување, потребен е близок контакт на молекулите (околу 1 nm) со преклопувачки надворешни орбитали. Под овие услови, можна е размена на електрони лоцирани и во единечни и тројни нивоа.

Во фотохемијата постои концепт на квантен текпроцес. Во однос на фотосинтезата, овој индикатор за ефикасноста на претворање на светлосната енергија во хемиска енергија покажува колку кванти светлина се апсорбираат за да се ослободи една молекула O 2. Треба да се има на ум дека секоја молекула на фотоактивна супстанција истовремено апсорбира само еден квантум светлина. Оваа енергија е доволна за да предизвика одредени промени во молекулата на фотоактивната супстанција.

Реципроцитетот на брзината на квантниот проток се нарекува квантен принос: бројот на ослободени молекули на кислород или апсорбирани молекули на јаглерод диоксид по квантум светлина. Оваа бројка е помала од една. Значи, ако се потрошат 8 кванти светлина за да се асимилира една молекула CO 2, тогаш квантниот принос е 0,125.

Структура на транспортниот синџир на електрони на фотосинтеза и карактеристики на неговите компоненти.Транспортниот синџир на електрони на фотосинтезата вклучува доста голем бројкомпоненти лоцирани во мембранските структури на хлоропластите. Речиси сите компоненти, освен киноните, содржат протеини функционални групи, способни за реверзибилни редокс промени и делуваат како носители на електрони или електрони заедно со протоните. Голем број на ETC транспортери вклучуваат метали (железо, бакар, манган). Како суштински компонентиможе да се забележи пренос на електрони во фотосинтезата следните груписоединенија: цитохроми, хинони, пиридински нуклеотиди, флавопротеини, како и протеини од железо, бакарни протеини и протеини од манган. Локацијата на овие групи во ETC се одредува првенствено од вредноста на нивниот редокс потенцијал.

Идеите за фотосинтезата, за време на која се ослободува кислород, беа формирани под влијание на Z-шемата за транспорт на електрони од страна на R. Hill и F. Bendell. Оваа шема беше претставена врз основа на мерењата на редокс потенцијалите на цитохромите во хлоропластите. Транспортниот синџир на електрони е местото на конверзија физичка енергијаелектрон во хемиска енергијаврски и вклучува ПС I и ПС II. Z-шемата се заснова на секвенцијално функционирање и интеграција на PSII со PSI.

P 700 е примарен донатор на електрони, е хлорофил (според некои извори, димер на хлорофилот а), пренесува електрон до среден акцептор и може да се оксидира фотохемиски. А 0 - среден акцептор на електрони - е димер на хлорофилот a.

Секундарни акцептори на електрони се врзани центри за железо-сулфур A и B. Структурниот елемент на железо-сулфурните протеини е решетка од меѓусебно поврзани атоми на железо и сулфур, која се нарекува кластер железо-сулфур.

Фередоксин, железен протеин растворлив во стромалната фаза на хлоропластот лоциран надвор од мембраната, пренесува електрони од центарот за реакција на PSI до NADP, што резултира со формирање на NADP-H, кој е неопходен за фиксација на CO 2. Сите растворливи феродоксини од организмите кои произведуваат кислород со фотосинтетика (вклучувајќи ги и цијанобактериите) се од типот 2Fe-2S.

Компонентата за пренос на електрони е исто така мембрански врзан цитохром f. Електронски акцептор за мембрански врзан цитохром f и директен донатор за хлорофил-протеинскиот комплекс на реакциониот центар е протеин што содржи бакар, кој се нарекува „носител на дистрибуција“, пластоцијанин.

Хлоропластите содржат и цитохроми b 6 и b 559. Цитохром b 6, кој е полипептид c молекуларна тежина 18 kDa, учествува во цикличниот пренос на електрони.

Комплексот b6/f е интегрален мембрански комплекс од полипептиди кои содржат цитохроми тип b и f. Комплексот цитохром b 6 /f го катализира транспортот на електрони помеѓу два фотосистеми.

Комплексот цитохром b 6 /f обновува мал базен на металопротеин растворлив во вода - пластоцијанин (Pc), кој служи за пренос на редукционите еквиваленти на комплексот PS I. Пластоцијанинот е мал хидрофобен металопротеин кој вклучува атоми на бакар.

Учесници во примарните реакции во центарот за реакција PS II се примарниот донатор на електрони P 680, среден акцептор феофитин и два пластохинони (обично означени Q и B), лоцирани блиску до Fe 2+. Примарниот донатор на електрони е една од формите на хлорофил а, наречена P 680, бидејќи е забележана значителна промена во апсорпцијата на светлината на 680 nm.

Примарниот акцептор на електрони во PS II е пластохинон. Се претпоставува дека Q е комплекс од железо-хинон. Секундарниот акцептор на електрони во PS II е исто така пластохинон, означен како B, и функционира во серија со Q. Системот пластохинон/пластохинон истовремено пренесува уште два протони со два електрони и затоа е редокс систем со два електрони. Бидејќи два електрони се пренесуваат долж ETC преку системот пластохинон/пластохинон, два протони се пренесуваат низ тилакоидната мембрана. Се верува дека градиентот на концентрација на протон што се јавува во овој случај е движечка силаПроцес на синтеза на АТП. Последица на ова е зголемување на концентрацијата на протоните во тилакоидите и појава на значителен градиент на pH помеѓу надворешната и внатрешната страна на тилакоидната мембрана: однатре, околината е повеќе кисела отколку однадвор.

2. Фотосинтетичка фосфорилација

Водата служи како донатор на електрони за PS-2. Молекулите на водата, откажувајќи се од електроните, се распаѓаат во слободен хидроксил OH и протон H +. Слободните хидроксилни радикали реагираат едни со други за да произведат H2O и O2. Се претпоставува дека јоните на манган и хлор учествуваат како кофактори во фотооксидацијата на водата.

Во процесот на фотолиза на водата, се открива суштината на фотохемиската работа извршена за време на фотосинтезата. Но, оксидацијата на водата се случува под услов електронот исфрлен од молекулата P 680 да се пренесе во акцепторот и понатаму во синџирот за транспорт на електрони (ETC). Во ETC на фотосистемот-2, носители на електрони се пластохинон, цитохроми, пластоцианин (протеин што содржи бакар), FAD, NADP итн.

Електронот исфрлен од молекулата P 700 е заробен од протеин кој содржи железо и сулфур и се пренесува во феродоксин. ВО понатамошен патовој електрон може да биде двоен. Еден од овие патишта се состои од секвенцијален пренос на електрони од феродоксин преку серија носители назад до P 700. Тогаш светлиот квант го исфрла следниот електрон од молекулата P 700. Овој електрон достигнува фердоксин и се враќа во молекулата на хлорофилот. Цикличната природа на процесот е јасно видлива. Кога електронот се пренесува од феродоксин, енергијата на електронската возбуда оди во формирањето на АТП од ADP и H3PO4. Овој тип на фотофосфорилација беше именуван од R. Arnon циклична . Цикличната фотофосфорилација теоретски може да се случи дури и со затворени стоми, бидејќи размената со атмосферата не е неопходна за тоа.

Нециклична фотофосфорилацијасе јавува со учество на двата фотосистема. Во овој случај, електроните и протонот H + исфрлени од P 700 достигнуваат фердоксин и се пренесуваат преку голем број носители (FAD, итн.) до NADP со формирање на намален NADP·H 2. Последниот е како силно средство за намалување, се користи во темни реакции на фотосинтеза. Во исто време, молекулата на хлорофилот P 680, апсорбирајќи светлосен квант, исто така оди во возбудена состојба, откажувајќи се од еден електрон. Поминувајќи низ голем број носители, електронот го компензира недостатокот на електрони во молекулата P 700. Електронската „дупка“ на хлорофилот P 680 се надополнува со електрон од јонот OH - еден од производите на фотолизата на водата. Енергијата на електрон исфрлен од P 680 од светлосен квант, кога минува низ синџирот за транспорт на електрони до фотосистемот 1, оди до фотофосфорилација. За време на нецикличниот транспорт на електрони, како што може да се види од дијаграмот, настанува фотолиза на водата и се ослободува слободен кислород.

Трансферот на електрони е основата на разгледуваниот механизам за фотофосфорилација. Англискиот биохемичар П. Мичел ја изнесе теоријата за фотофосфорилација, наречена хемиосмотска теорија. Познато е дека ETC на хлоропластите се наоѓа во тилакоидната мембрана. Еден од носителите на електрони во ETC (пластохинон), според хипотезата на П. Мичел, транспортира не само електрони, туку и протони (H +), движејќи ги низ тилакоидната мембрана во правец од надвор кон внатре. Внатре во тилакоидната мембрана, со акумулација на протони, околината станува кисела и, како резултат на тоа, се јавува градиент на pH: надворешната страна станува помалку кисела од внатрешната. Овој градиент се зголемува и поради снабдувањето со протони - производи од фотолиза на вода.

рН разликата помеѓу надворешната и внатрешната страна на мембраната создава значителен извор на енергија. Со помош на оваа енергија, протоните се исфрлаат низ специјални канали во посебни проекции во облик на печурка на надворешната страна на тилакоидната мембрана. Овие канали содржат фактор на спојување (специјален протеин) кој може да учествува во фотофосфорилацијата. Се претпоставува дека таков протеин е ензимот АТПаза, кој ја катализира реакцијата на распаѓањето на АТП, но во присуство на енергија на протоните што тече низ мембраната - и неговата синтеза. Сè додека постои градиент на pH и, според тоа, се додека електроните се движат по синџирот на носители во фотосистемите, ќе се јавува и синтеза на АТП. Се пресметува дека за секои два електрони кои минуваат низ ETC во тилакоидот, се акумулираат четири протони, а за секои три протони ослободени со учество на факторот на конјугација од мембраната кон надвор, се синтетизира по една ATP молекула.

Така, како резултат на светлосната фаза, поради светлосната енергија, се формираат ATP и NADPH 2, кои се користат во темната фаза, а производот од фотолизата на водата O 2 се ослободува во атмосферата. Целокупната равенка за лесната фаза на фотосинтезата може да се изрази на следниов начин:

2H 2 O + 2NADP + 2 ADP + 2 H 3 PO 4 → 2 NADPH 2 + 2 ATP + O 2

Споредба на фазите на фотосинтезата

Лесна фаза

Темна фаза

Место на процеси

Тилакоидни мембрани

Строма на хлоропласт

Услови

Светлина

Светлината не е потребна

Потребни материи

Вода, јаглерод диоксид, АДП, НАДП

Јаглерод диоксид, ATP, NADPH,

Процеси кои се случуваат во оваа фаза

Фотолиза на вода,

Нециклична фосфорилација (формирање АТП)

Калвин циклус

Што се формира?

Кислород (отстранет во атмосферата), ATP, NADP-N.

Гликоза, АДП, НАДП

Како резултат на тоа, целокупната равенка на двете фази на фотосинтезата ќе изгледа вака:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2


1. Лесна фаза на фотосинтезата

Светлосната фаза е фаза за која реакциите бараат апсорпција на квант сончева енергија. Неговата цел е да ја претвори светлосната енергија на сонцето во хемиска енергија на молекулите на АТП и другите молекули богати со енергија. Овие реакции се случуваат континуирано, но полесно се проучуваат со нивно делење во три фази:

1 . а) Светлосниот удар на хлорофилот му дава доволно енергија за да може да се отстрани еден електрон од молекулата;

б) електроните ослободени од хлорофилот се заробени од носечки протеини вградени во тилакоидната мембрана, заедно со хлорофилот, и се носат преку каналот на АТП синтетаза до страната на мембраната свртена кон стромата;

в) во стромата секогаш има супстанца која носи водород, NADP + (никотин амид аденин динуклеотид фосфат). Ова соединение ги фаќа e и протоните возбудени од светлината, кои се секогаш присутни во стромата, и се намалува, претворајќи се во NADP H 2.

2 . Молекулите на водата се распаѓаат под влијание на светлината (фотолиза на водата): се формираат електрони, H + и O 2. Електроните го заменуваат e изгубеното од хлорофилот во фаза 1. Протоните го надополнуваат резервоарот за протони, кој ќе се користи во фаза 3. Кислородот се движи надвор од клетката во атмосферата.

3 . Протони тие се обидуваат да излезат преку каналот АТП синтаза, но не можат. По некое време со сила електрична струја, протоните се исфрлаат нанадвор од тилакоидот. протонибрзање од тилакоидот нанадвор - во стромата. Излезот е создаден високо нивоенергија која оди во синтезата на АТП - нециклична фосфорилација (ADP + Ph n = АТП). Добиените молекули на АТП се движат во стромата, каде што учествуваат во реакциите на формирање на јаглени хидрати.

Значи, резултатот од светлосната фаза:

формирање на молекули богати со енергија ATP и NADP H 2,

нуспроизвод – O 2?.


2. Темна фаза на фотосинтезата

Оваа фаза се одвива во стромата на хлоропластот, каде што CO 2 влегува од воздухот, како и производите од лесната фаза ATP и NADP H 2. Овде овие соединенија се користат во серија реакции кои акумулираат CO 2 во форма на јаглени хидрати, овој процес е Калвин циклус(Нобелова награда 1961).

За да се создаде една молекула гликоза, циклусот мора да се повтори шест пати: секој пат, еден јаглероден атом од CO 2 се додава на залихите на фиксен јаглерод во растението.

ADP, Phn и NADP + од циклусот Калвин се враќаат на површината на мембраните и повторно се претвораат во ATP и NADP H2.

Во текот на денот, додека сонцето сјае, активното движење на овие молекули во хлоропластите не престанува: тие се вртат напред-назад како шатлови, поврзувајќи две независни серии на реакции. Има неколку од овие молекули во хлоропластите, така што ATP и NADP H 2 формирани во текот на денот, на светлина и по зајдисонце брзо се трошат во реакциите на фиксација на јаглерод. Фотосинтезата потоа престанува до зори. Со изгрејсонце, синтезата на ATP и NADP·H 2 започнува повторно, а фиксацијата на јаглеродот наскоро продолжува.

резултат на темната фаза: формирање на гликоза.

Значи, како резултат на фотосинтезата, светлосната енергија се претвора во енергија хемиски врскиво молекулите на органските материи. И растенијата, според тоа, јас дејствуваат како посредници помеѓу Космосот и животот на Земјата“. Ова е одлично просторна улога(КОРИСТЕТЕ!) зелени растенија!

Тилакоидните мембрани содржат голем број на протеини и пигменти со ниска молекуларна тежина, слободни и комбинирани со протеини, кои се комбинирани во два комплексни комплекси т.н. фотосистем I И фотосистем I I. Јадрото на секој од овие фотосистеми е протеин кој содржи зелен пигмент хлорофил , способен да апсорбира светлина во црвениот регион на спектарот. Различните пигменти вклучени во фотосинтетичките комплекси се способни да фатат дури и многу слаба светлина и да ја пренесат нејзината енергија на хлорофил; затоа, фотосинтезата може да се случи дури и при услови на слаба осветленост (на пример, во сенка на дрвја или во облачно време).

Апсорпцијата на квантум светлина од молекулата на хлорофилот на фотосистемот II доведува до нејзино возбудување, имено, еден од електроните се движи кон повисоко ниво на енергија. Овој електрон се пренесува во синџирот за транспорт на електрони, или поточно, до пигменти и цитохромски протеини растворени во тилакоидната мембрана, што донекаде потсетува на цитохромите на внатрешната мембрана на митохондриите (види слика). По аналогија со митохондријалниот транспортен синџир на електрони, енергијата на електронот се намалува додека се пренесува од носител до носител. Дел од неговата енергија се троши на пренос на протони преку мембраната од стромата на хлоропластот во тилакоидот. Така, се појавува на тилакоидната мембрана градиент на концентрација на протон . Овој градиент може да се користи од специјален ензим АТП синтетаза за синтеза на АТП од ADP и H 3 PO 4 (F n). Оние. во хлоропластите е имплементиран истиот таканаречен принцип „брана“, за кој беше дискутиран претходно користејќи го примерот на митохондриите. Синтезата на АТП за време на светлосната фаза на фотосинтезата се нарекува фотофосфорилација . Ова име се должи на фактот дека ја користи енергијата на сончевата светлина. Карактеристична карактеристикаОксидативната фосфорилација во митохондриите е дека енергијата за синтеза на АТП се генерира за време на оксидацијата на органските супстрати (види дел „“).

Реставрацијата на оксидираниот хлорофил, кој „изгубил“ електрон, во фотосистемот II се јавува како резултат на активноста на специјален ензим кој разградува молекула на вода, одземајќи ги електроните од неа (молекулата):

H 2 O -> 2e - + 2H + + 1/2O 2

Горенаведениот процес се нарекува фотолиза на вода , но тече понатаму внатретилакоидни мембрани. Овој процес води до уште поголемо зголемување на градиентот на концентрацијата на протон низ мембраната, а со тоа и до дополнителна синтеза на АТП.

Односно, можеме да кажеме дека водата е „снабдувач“ на електрони за хлорофил. Нуспроизвод на оваа реакција е молекуларниот кислород, кој ги напушта хлоропластите преку дифузија и се ослободува во атмосферата преку стомите.

Ајде да се обидеме понатаму да ја следиме „судбината“ на електроните одвоени од хлорофилот на фотосистемот II. Тие минуваат низ синџир на носители и влегуваат во реакциониот центар на фотосистемот I, кој исто така содржи молекула на хлорофил. Оваа молекула на хлорофил, исто така, апсорбира квантум светлина и ја пренесува својата енергија на еден од електроните, подигајќи ја на повисоко енергетско ниво. Електронот, минувајќи низ синџир на специјални протеини носители, се пренесува во молекулата NADP+. Оваа NADP + молекула добива уште еден електрон во следниот циклус, фаќа протон од стромата на хлоропластот и се намалува на NADPH.

Значи, електроните што биле „откинати“ од молекулата на водата добиваат висока енергијапоради апсорпцијата на светлосни кванти од хлорофилите на фотосистемите II и I, потоа, минувајќи низ синџирот на транспортери, тие го обновуваат NADP +. Дел од енергијата на овие електрони се троши на транспортирање на протони низ тилакоидната мембрана и создавање на градиент на нивната концентрација. Енергијата од градиентот на протонот потоа ќе се користи за синтетизирање на АТП преку ензимот АТП синтаза.

Секој Живо суштествона планетата и треба храна или енергија за да преживее. Некои организми се хранат со други суштества, додека други можат да произведуваат свои хранливи материи. Тие произведуваат сопствена храна, гликоза, во процес наречен фотосинтеза.

Фотосинтезата и дишењето се меѓусебно поврзани. Резултатот од фотосинтезата е гликоза, која се складира како хемиска енергија во. Оваа складирана хемиска енергија произлегува од трансформацијата неоргански јаглерод(јаглерод диоксид) во органски јаглерод. Процесот на дишење ослободува складирана хемиска енергија.

Покрај производите што ги произведуваат, на растенијата им требаат и јаглерод, водород и кислород за да преживеат. Водата која се апсорбира од почвата обезбедува водород и кислород. За време на фотосинтезата, јаглеродот и водата се користат за синтеза на храна. На растенијата им се потребни и нитрати за да направат аминокиселини (аминокиселината е состојка за правење протеини). Покрај ова, им треба магнезиум за производство на хлорофил.

Белешка:Живите суштества кои зависат од друга храна се нарекуваат . Тревопасните животни како што се кравите и растенијата кои јадат инсекти се примери за хетеротрофи. Живите суштества кои произведуваат сопствена храна се нарекуваат. Зелените растенија и алгите се примери на автотрофи.

Во оваа статија ќе дознаете повеќе за тоа како се случува фотосинтезата кај растенијата и условите неопходни за овој процес.

Дефиниција за фотосинтеза

Фотосинтезата е хемиски процес со кој растенијата, некои алги, произведуваат гликоза и кислород од јаглерод диоксид и вода, користејќи само светлина како извор на енергија.

Овој процес е исклучително важен за животот на Земјата бидејќи ослободува кислород, од кој зависи целиот живот.

Зошто на растенијата им е потребна гликоза (храна)?

Како и луѓето и другите живи суштества, растенијата исто така бараат исхрана за да преживеат. Важноста на гликозата за растенијата е како што следува:

  • Гликозата произведена со фотосинтеза се користи за време на дишењето за да се ослободи енергијата што му е потребна на растението за други витални процеси.
  • Растителните клетки исто така претвораат дел од гликозата во скроб, кој се користи по потреба. Поради оваа причина, мртвите растенија се користат како биомаса бидејќи складираат хемиска енергија.
  • Гликозата е потребна и за производство на други хемикалии како што се протеини, масти и растителни шеќери потребни за поддршка на растот и други важни процеси.

Фази на фотосинтеза

Процесот на фотосинтеза е поделен на две фази: светло и темно.


Лесна фаза на фотосинтеза

Како што сугерира името, светлите фази бараат сончева светлина. Во реакциите зависни од светлината, енергијата од сончевата светлина се апсорбира од хлорофилот и се претвора во складирана хемиска енергија во форма на молекулата на носачот на електрони NADPH (никотинамид аденин динуклеотид фосфат) и енергетската молекула АТП (аденозин трифосфат). Лесни фазисе јавуваат во тилакоидните мембрани во хлоропластот.

Темна фаза на фотосинтеза или циклус на Калвин

Во темната фаза или циклусот Калвин, возбудените електрони од светлосната фаза обезбедуваат енергија за формирање на јаглени хидрати од молекулите на јаглерод диоксид. Фазите независни од светлина понекогаш се нарекуваат Калвин циклус поради цикличната природа на процесот.

Иако темните фази не користат светлина како реактант (и, како резултат на тоа, може да се појават во текот на денот или ноќта), тие бараат производи од реакции зависни од светлина за да функционираат. Молекулите независни од светлина зависат од молекулите на енергетските носачи ATP и NADPH за да создадат нови молекули на јаглени хидрати. Откако ќе се пренесе енергијата, молекулите на енергетските носачи се враќаат во светлосните фази за да произведат повеќе енергични електрони. Покрај тоа, неколку ензими на темната фаза се активираат со светлина.

Дијаграм на фази на фотосинтеза

Белешка:Ова значи дека темните фази нема да продолжат ако растенијата се лишени од светлина предолго, бидејќи ги користат производите од светлите фази.

Структурата на лисјата на растенијата

Не можеме целосно да ја проучуваме фотосинтезата без да знаеме повеќе за структурата на листот. Лист прилагоден да игра витално важна улогаза време на процесот на фотосинтеза.

Надворешна структура на листовите

  • Плоштад

Една од најважните карактеристики на растенијата е големата површина на нивните лисја. Повеќето зелени растенија имаат широки, рамни и отворени лисја кои се способни да заробат онолку сончева енергија (сончева светлина) колку што е потребно за фотосинтеза.

  • Централна вена и петиол

Централната вена и ливчето се спојуваат и ја формираат основата на листот. Petiole го поставува листот така што добива колку што е можно повеќе светлина.

Едноставните листови имаат еден лист плоча, и сложени - неколку. Сечилото на листот е една од најважните компоненти на листот, која е директно вклучена во процесот на фотосинтеза.

  • Вени

Мрежа од вени во листовите транспортира вода од стеблата до лисјата. Ослободената гликоза се испраќа и до другите делови на растението од листовите преку вените. Дополнително, овие делови од листот го поддржуваат и го одржуваат листот рамно за поголемо зафаќање на сончевата светлина. Распоредот на вените (венација) зависи од видот на растението.

  • Лист основа

Основата на листот е нејзиниот најнизок дел, кој е артикулиран со стеблото. Често, во основата на листот има пар штипки.

  • Раб на листот

Во зависност од видот на растението, работ на листот може да има различни форми, меѓу кои: цела, назабена, назабена, засечена, крената итн.

  • Врв на листот

Како работ на листот, врвот е разни форми, вклучувајќи: остри, тркалезни, тапи, издолжени, извлечени итн.

Внатрешна структура на листовите

Подолу е близок дијаграм внатрешна структуралисни ткива:

  • Кутикула

Кутикулата е главната заштитен слојна површината на растението. По правило е подебел на врвот на листот. Кутикулата е покриена со супстанца слична на восок која го штити растението од вода.

  • Епидермисот

Епидермисот е слој од клетки што е покривачко ткиволист. Неговиот главната функција- заштита на внатрешните лисни ткива од дехидрација, механички оштетувања и инфекции. Го регулира и процесот на размена на гасови и транспирација.

  • Мезофил

Мезофилот е главното ткиво на растението. Ова е местото каде што се случува процесот на фотосинтеза. Кај повеќето растенија, мезофилот е поделен на два слоја: горниот е палисаден, а долниот е сунѓерест.

  • Одбранбени кафези

Чуварите ќелии се специјализирани клетки во епидермисот на листовите кои се користат за контрола на размената на гасови. Тие настапуваат заштитна функцијаза стомати. Стоматалните пори стануваат големи кога водата е слободно достапна, во во спротивно, заштитните клетки стануваат слаби.

  • Стома

Фотосинтезата зависи од пенетрацијата на јаглерод диоксид (CO2) од воздухот преку стоматите во мезофилното ткиво. Кислородот (О2), произведен како нуспроизвод на фотосинтезата, го напушта растението низ стомите. Кога стомите се отворени, водата се губи преку испарување и мора да се замени преку протокот на транспирација со вода апсорбирана од корените. Растенијата се принудени да ја балансираат количината на CO2 апсорбирана од воздухот и загубата на вода низ стомачните пори.

Потребни услови за фотосинтеза

Следниве се условите што им се потребни на растенијата за да го спроведат процесот на фотосинтеза:

  • Јаглерод диоксид.Безбоен природен гасбез мирис, се наоѓа во воздухот и има научно име CO2. Се формира при согорување на јаглерод и органски соединенија, а се јавува и при дишење.
  • Вода. Транспарентна течност Хемиска супстанцијабез мирис и вкус (во нормални услови).
  • Светлина.Иако вештачката светлина е погодна и за растенијата, природна сончева светлинаобично создава Подобри условиза фотосинтеза, бидејќи содржи природно ултравиолетово зрачење, кое има позитивно влијаниена растенијата.
  • Хлорофил.Тоа е зелен пигмент кој се наоѓа во лисјата на растенијата.
  • Хранливи материи и минерали.Хемикалии и органски соединенија, кои корените на растенијата ги апсорбираат од почвата.

Што се создава како резултат на фотосинтезата?

  • Гликоза;
  • Кислород.

(Светлосната енергија е прикажана во загради бидејќи не е материја)

Белешка:Растенијата добиваат CO2 од воздухот преку нивните лисја, а водата од почвата преку нивните корени. Светлината енергија доаѓа од Сонцето. Добиениот кислород се ослободува во воздухот од листовите. Добиената гликоза може да се претвори во други супстанции, како што е скроб, кој се користи како складиште на енергија.

Доколку факторите кои ја поттикнуваат фотосинтезата се отсутни или присутни во недоволни количини, растението може да биде негативно засегнато. На пример, создава помалку светлина поволни условиза инсекти кои ги јадат лисјата на растението, а недостатокот на вода го забавува.

Каде се случува фотосинтезата?

Фотосинтезата се случува во клетките на растенијата, во мали пластиди наречени хлоропласти. Хлоропластите (најчесто се наоѓаат во мезофилниот слој) содржат зелена супстанција наречена хлорофил. Подолу се прикажани други делови од клетката кои работат со хлоропластот за да вршат фотосинтеза.

Структура на растителна клетка

Функции на делови од растителни клетки

  • : обезбедува структурна и механичка поддршка, ги штити клетките од, ја поправа и одредува формата на клетката, ја контролира брзината и насоката на растот и им дава облик на растенијата.
  • : обезбедува платформа за повеќето хемиски процесиконтролирани од ензими.
  • : делува како бариера, контролирајќи го движењето на супстанциите во и надвор од клетката.
  • : како што е опишано погоре, тие содржат хлорофил, зелена супстанца која ја апсорбира светлосната енергија преку процесот на фотосинтеза.
  • : празнина внатре клеточна цитоплазма, која акумулира вода.
  • : содржи генетски знак (ДНК) кој ги контролира активностите на клетката.

Хлорофилот ја апсорбира светлосната енергија потребна за фотосинтеза. Важно е да се напомене дека не се апсорбираат сите бранови должини на светлината во боја. Растенијата првенствено ги апсорбираат црвените и сините бранови должини - тие не апсорбираат светлина во зелениот опсег.

Јаглерод диоксид за време на фотосинтезата

Растенијата внесуваат јаглерод диоксид од воздухот преку нивните лисја. Јаглерод диоксид истекува низ мала дупка на дното на листот - стомите.

Долниот дел од листот има лабаво распоредени клетки за да се дозволи јаглеродниот диоксид да стигне до другите клетки во листовите. Ова, исто така, му овозможува на кислородот произведен од фотосинтезата лесно да го напушти листот.

Јаглеродниот диоксид е присутен во воздухот што го дишеме во многу ниски концентрации и е неопходен фактор во темната фаза на фотосинтезата.

Светлина за време на фотосинтезата

Листот обично има голема површинаповршина, така што може да апсорбира многу светлина. Неговата горна површина е заштитена од губење на вода, болести и изложеност на временски услови со восочен слој (кутикула). Врвот на листот е местото каде што светлината удира. Овој мезофилен слој се нарекува палисада. Прилагоден е да апсорбира големо количествосветлина, бидејќи содржи многу хлоропласти.

Во светлосните фази, процесот на фотосинтеза се зголемува со голема сумаСвета. Повеќе молекулихлорофилот се јонизира и се создаваат повеќе ATP и NADPH ако светлосни фотонифокусирани на зелен лист. Иако светлината е исклучително важна во фотофазите, треба да се забележи дека прекумерните количини може да го оштетат хлорофилот и да го намалат процесот на фотосинтеза.

Лесните фази не се многу зависни од температурата, водата или јаглерод диоксидот, иако сите тие се потребни за да се заврши процесот на фотосинтеза.

Вода за време на фотосинтезата

Растенијата ја добиваат потребната вода за фотосинтеза преку нивните корени. Тие имаат коренските влакнакои растат во почвата. Корените се карактеризираат голема површинаповршини и тенки ѕидови, што овозможува водата лесно да поминува.

Сликата покажува растенија и нивните клетки со доволно вода (лево) и недостаток од неа (десно).

Белешка:Корените клетки не содржат хлоропласти, бидејќи тие обично се во темница и не можат да фотосинтетизираат.

Ако растението не апсорбира доволно вода, таа венее. Без вода, растението нема да може да фотосинтезира доволно брзо, па дури и може да умре.

Која е важноста на водата за растенијата?

  • Обезбедува растворени минерали кои го поддржуваат здравјето на растенијата;
  • е медиум за транспорт;
  • Одржува стабилност и исправност;
  • Се лади и заситува со влага;
  • Овозможува спроведување на различни хемиски реакции во растителните клетки.

Важноста на фотосинтезата во природата

Биохемискиот процес на фотосинтеза користи енергија од сончевата светлина за претворање на водата и јаглерод диоксидот во кислород и гликоза. Гликозата се користи како градежен материјал во растенијата за раст на ткивото. Така, фотосинтезата е метод со кој се формираат корените, стеблата, лисјата, цветовите и плодовите. Без процесот на фотосинтеза, растенијата нема да можат да растат или да се размножуваат.

  • Производителите

Поради нивната фотосинтетска способност, растенијата се познати како производители и служат како основа за речиси секого синџирот на исхранана земја. (Алгите се еквивалент на растенијата во). Целата храна што ја јадеме доаѓа од организми кои се фотосинтетички. Ние ги јадеме овие растенија директно или јадеме животни како крави или свињи кои консумираат растителна храна.

  • Основа на синџирот на исхрана

Во водните системи, растенијата и алгите, исто така, ја формираат основата на синџирот на исхрана. Алгите служат како храна за, кои, пак, делуваат како извор на исхрана за поголемите организми. Без фотосинтеза во водната срединаживотот би бил невозможен.

  • Отстранување на јаглерод диоксид

Фотосинтезата го претвора јаглеродниот диоксид во кислород. За време на фотосинтезата, јаглеродниот диоксид од атмосферата влегува во растението и потоа се ослободува како кислород. Во денешниот свет, каде што нивото на јаглерод диоксид расте со алармантни стапки, секој процес што го отстранува јаглеродниот диоксид од атмосферата е еколошки важен.

Растенијата и другите фотосинтетички организми играат витална улога во циклусот на хранливи материи. Азотот во воздухот се фиксира во растителното ткиво и станува достапен за создавање на протеини. Може да се вклучат и микроелементи кои се наоѓаат во почвата растително ткивои да станат достапни за тревопасните животни понатаму во синџирот на исхрана.

  • Фотосинтетичка зависност

Фотосинтезата зависи од интензитетот и квалитетот на светлината. На екваторот, каде што сончевата светлина е обилна во текот на целата година, а водата не е ограничувачки фактор, растенијата имаат високи стапкираст, и може да стане доста голем. Спротивно на тоа, фотосинтезата се случува поретко во подлабоките делови на океанот, бидејќи светлината не продира во овие слоеви, што резултира со попуст екосистем.