Фотосинтеза е збир на процеси за синтеза на органски соединенија од неоргански поради претворање на светлосната енергија во енергија хемиски врски. Фототрофни организми вклучуваат зелени растенија, некои прокариоти - цијанобактерии, виолетови и зелени сулфурни бактерии и растителни флагелати.
Истражувањето на процесот на фотосинтеза започнало во втората половина на 18 век. Важно откритиенаправен од извонредниот руски научник К.А. Тимирјазев, кој ја потврди доктрината за космичката улога на зелените растенија. Растенијата ја апсорбираат сончевата светлина и ја претвораат светлосната енергија во енергија на хемиските врски на органски соединенија синтетизирани од нив. Така, тие обезбедуваат зачувување и развој на животот на Земјата. Научникот, исто така, теоретски ја потврди и експериментално ја докажа улогата на хлорофилот во апсорпцијата на светлината за време на фотосинтезата.
Хлорофилите се главните фотосинтетички пигменти. Тие се слични по структура на хемоглобинот, но содржат магнезиум наместо железо. Содржината на железо е неопходна за да се обезбеди синтеза на молекулите на хлорофилот. Постојат неколку хлорофили кои се разликуваат во нивните хемиска структура. Задолжително за сите фототрофи е хлорофил а . Хлорофилб се наоѓа во зелените растенија хлорофил в - во дијатоми и кафеави алги. Хлорофил г карактеристика на црвените алги.
Зелените и виолетовите фотосинтетички бактерии имаат посебни бактериохлорофили . Бактериската фотосинтеза има многу заедничко со фотосинтезата на растенијата. Се разликува по тоа што кај бактериите донатор на водород е водород сулфид, а кај растенијата вода. Зелените и виолетовите бактерии немаат фотосистем II. Бактериската фотосинтеза не е придружена со ослободување на кислород. Целокупната равенка за бактериска фотосинтеза е:
6C0 2 + 12H 2 S → C 6 H 12 O 6 + 12S + 6H 2 0.
Фотосинтезата се заснова на процесот на редокс. Тоа е поврзано со пренос на електрони од соединенија кои снабдуваат електрони-донатори до соединенија кои ги прифаќаат - акцептори. Светлината енергија се претвора во енергија на синтетизирани органски соединенија (јаглехидрати).
Постојат посебни структури на мембраните на хлоропластите - реакциони центри кои содржат хлорофил. Во зелените растенија и цијанобактериите има две фотосистеми – прво (јас) И второ (II) , кои имаат различни реакциони центри и меѓусебно се поврзани преку систем за пренос на електрони.
Две фази на фотосинтеза
Процесот на фотосинтеза се состои од две фази: светло и темно.
Се јавува само во присуство на светлина на внатрешните мембрани на митохондриите во мембраните на посебни структури - тилакоиди . Фотосинтетичките пигменти зафаќаат светлосни кванти (фотони). Ова доведува до „возбудување“ на еден од електроните на молекулата на хлорофилот. Со помош на молекули носители, електронот се движи кон надворешната површина на тилакоидната мембрана, добивајќи одредена потенцијална енергија.
Овој електрон во фотосистем I може да се врати во неговата ниво на енергијаи вратете го. Може да се пренесе и NADP (никотинамид аденин динуклеотид фосфат). Со интеракција со водородни јони, електроните го обновуваат ова соединение. Редуцираниот NADP (NADP H) обезбедува водород за да го намали атмосферскиот CO 2 до гликоза.
Слични процеси се случуваат во фотосистем II . Возбудените електрони можат да се пренесат во фотосистемот I и да го вратат. Обновувањето на фотосистемот II се случува поради електроните обезбедени од молекулите на водата. Молекулите на водата се делат (фотолиза на вода) во водородни протони и молекуларен кислород, кој се ослободува во атмосферата. Електроните се користат за обновување на фотосистемот II. Равенка за фотолиза на вода:
2Н 2 0 → 4Н + + 0 2 + 2е.
Кога електроните од надворешната површина на тилакоидната мембрана се враќаат на претходното енергетско ниво, се ослободува енергија. Се складира во форма на хемиски врски на молекулите на АТП, кои се синтетизираат за време на реакциите во двата фотосистеми. Процесот на синтеза на АТП со АДП и фосфорна киселина се нарекува фотофосфорилација . Дел од енергијата се користи за испарување на водата.
За време на лесната фаза на фотосинтезата се формираат соединенија богати со енергија: ATP и NADP H. При разградувањето (фотолизата) на молекулите на водата, во атмосферата се ослободува молекуларен кислород.
Реакциите се случуваат во внатрешно опкружувањехлоропласти. Тие можат да се појават и во присуство на светлина и без неа. Органските материи се синтетизираат (C0 2 се редуцира до гликоза) користејќи ја енергијата што се формирала во светлосната фаза.
Процес на закрепнување јаглерод диоксиде циклична и се нарекува Калвин циклус . Именуван по американскиот истражувач М. Калвин, кој го открил овој цикличен процес.
Циклусот започнува со реакција на атмосферскиот јаглерод диоксид со рибулоза бифосфат. Процесот се катализира од ензим карбоксилаза . Рибулоза бифосфат е шеќер со пет јаглерод во комбинација со две единици на фосфорна киселина. Се случува цела линијахемиски трансформации, од кои секоја катализира свој специфичен ензим. Како се формира крајниот производ на фотосинтезата? гликоза , а исто така се намалува и рибулозата бифосфат.
Целокупната равенка за процесот на фотосинтеза е:
6C0 2 + 6H 2 0 → C 6 H 12 O 6 + 60 2
Благодарение на процесот на фотосинтеза, светлосната енергија од Сонцето се апсорбира и се претвора во енергија на хемиските врски на синтетизираните јаглехидрати. Енергијата се пренесува преку синџирите на исхрана до хетеротрофните организми. За време на фотосинтезата, јаглеродниот диоксид се апсорбира и се ослободува кислород. Сите атмосферски кислороде од фотосинтетичко потекло. Годишно се ослободуваат над 200 милијарди тони слободен кислород. Кислородот го штити животот на Земјата од ултравиолетово зрачење со тоа што создава озонски штит во атмосферата.
Процесот на фотосинтеза е неефикасен, бидејќи само 1-2% се претвора во синтетизирана органска материја. сончева енергија. Ова се должи на фактот дека растенијата не апсорбираат доволно светлина, дел од неа се апсорбира од атмосферата итн. Најголемиот дел од сончевата светлина се рефлектира од површината на Земјата назад во вселената.
- синтеза органска материјаод јаглерод диоксид и вода со задолжителна употреба на светлосна енергија:
6CO 2 + 6H 2 O + Q светлина → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.
У виши растенијаорган на фотосинтезата е листот, органели на фотосинтезата се хлоропластите (структура на хлоропластите - предавање бр. 7). Мембраните на тилакоидите на хлоропластот содржат фотосинтетички пигменти: хлорофили и каротеноиди. Има неколку различни типовихлорофил ( а бе це де), главниот е хлорофилот а. Во молекулата на хлорофилот, може да се разликува „глава“ на порфирин со атом на магнезиум во центарот и фитол „опашка“. Порфиринската „глава“ е рамна структура, е хидрофилна и затоа лежи на површината на мембраната што е свртена кон водната срединастрома. Фитолската „опашка“ е хидрофобна и поради тоа ја задржува молекулата на хлорофилот во мембраната.
Хлорофилите апсорбираат црвена и сино-виолетова светлина, ја рефлектираат зелената светлина и затоа на растенијата им даваат карактеристична зелена боја. Молекулите на хлорофилот во тилакоидните мембрани се организирани во фотосистеми. Растенијата и сино-зелените алги имаат фотосистем-1 и фотосистем-2, додека фотосинтетичките бактерии имаат фотосистем-1. Само фотосистем-2 може да ја разложи водата за да ослободи кислород и да земе електрони од водородот на водата.
Фотосинтезата е сложен процес од повеќе чекори; реакциите на фотосинтезата се поделени во две групи: реакции лесна фазаи реакции темна фаза.
Лесна фаза
Оваа фаза се јавува само во присуство на светлина во тилакоидните мембрани со учество на хлорофил, транспортни протеини на електрони и ензимот АТП синтетаза. Под влијание на квантум светлина, електроните на хлорофилот се возбудуваат, ја напуштаат молекулата и влегуваат во надвортилакоидната мембрана, која на крајот станува негативно наелектризирана. Оксидираните молекули на хлорофил се намалуваат, земајќи електрони од водата лоцирана во интратилакоидниот простор. Ова доведува до распаѓање или фотолиза на водата:
H 2 O + Q светлина → H + + OH - .
Хидроксилните јони ги откажуваат своите електрони, станувајќи реактивни радикали. OH:
OH - → .OH + e - .
OH радикалите се комбинираат за да формираат вода и слободен кислород:
4 БР. → 2H 2 O + O 2.
Кислородот се отстранува во надворешна средина, а протоните се акумулираат во тилакоидот во „резервоар на протони“. Како резултат на тоа, тилакоидната мембрана, од една страна, е позитивно наелектризирана поради H +, а од друга, поради електроните, се наплаќа негативно. Кога потенцијалната разлика помеѓу надворешноста и внатрешните странитилакоидната мембрана достигнува 200 mV, протоните се туркаат низ каналите на АТП синтетаза и АДП се фосфорилира до АТП; Атомскиот водород се користи за враќање на специфичниот носач NADP + (никотинамид аденин динуклеотид фосфат) на NADPH 2:
2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.
Така, за време на светлосната фаза се јавува фотолиза на водата, која е придружена со три најважните процеси: 1) АТП синтеза; 2) формирање на NADPH 2; 3) формирање на кислород. Кислородот дифузира во атмосферата, ATP и NADPH 2 се транспортираат во стромата на хлоропластот и учествуваат во процесите на темната фаза.
1 - строма на хлоропласт; 2 - грана тилакоид.
Темна фаза
Оваа фаза се јавува во стромата на хлоропластот. Неговите реакции не бараат светлосна енергија, па затоа се јавуваат не само на светлина, туку и во темнина. Реакциите на темната фаза се синџир последователни трансформациијаглерод диоксид (доаѓа од воздухот), што доведува до формирање на гликоза и други органски материи.
Првата реакција во овој синџир е фиксација на јаглерод диоксид; Акцепторот на јаглерод диоксид е шеќер со пет јаглерод. рибулоза бифосфат(RiBF); ензимот ја катализира реакцијата Рибулоза бифосфат карбоксилаза(RiBP карбоксилаза). Како резултат на карбоксилација на рибулоза бифосфат, се формира нестабилно соединение со шест јаглерод, кое веднаш се распаѓа на две молекули фосфоглицеринска киселина(ФГК). Потоа се случува циклус на реакции во кои фосфоглицеричната киселина се претвора во гликоза преку низа посредници. Овие реакции ја користат енергијата на ATP и NADPH 2 формирани во светлосната фаза; Циклусот на овие реакции се нарекува „Циклус на Калвин“:
6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.
Покрај гликозата, при фотосинтезата се формираат и други мономери на сложени органски соединенија - амино киселини, глицерол и масни киселини, нуклеотиди. Во моментов, постојат два типа на фотосинтеза: C 3 - и C 4 фотосинтеза.
C 3-фотосинтеза
Ова е тип на фотосинтеза во која првиот производ се соединенија со три јаглерод (C3). Фотосинтезата C 3 била откриена пред C 4 фотосинтезата (М. Калвин). Фотосинтезата C 3 е опишана погоре, под насловот „Темна фаза“. Карактеристики C 3-фотосинтеза: 1) акцепторот на јаглерод диоксид е RiBP, 2) реакцијата на карбоксилација на RiBP е катализирана од RiBP карбоксилаза, 3) како резултат на карбоксилација на RiBP, се формира соединение со шест јаглерод, кое се распаѓа на два PGA . FGK е вратен на триоза фосфати(ТФ). Дел од TF се користи за регенерација на RiBP, а дел се претвора во гликоза.
1 - хлоропласт; 2 - пероксизом; 3 - митохондрии.
Ова е апсорпција на кислород и ослободување на јаглерод диоксид зависна од светлина. На почетокот на минатиот век беше утврдено дека кислородот ја потиснува фотосинтезата. Како што се испостави, за RiBP карбоксилазата супстратот може да биде не само јаглерод диоксид, туку и кислород:
O 2 + RiBP → фосфогликолат (2C) + PGA (3C).
Ензимот се нарекува RiBP оксигеназа. Кислородот е конкурентен инхибитор на фиксацијата на јаглерод диоксид. Фосфатната група се дели и фосфогликолатот станува гликолат, кој растението мора да го искористи. Влегува во пероксизомите, каде што се оксидира до глицин. Глицинот влегува во митохондриите, каде што се оксидира до серин, со губење на веќе фиксиран јаглерод во форма на CO 2. Како резултат на тоа, две молекули на гликолат (2C + 2C) се претвораат во еден PGA (3C) и CO 2. Фотореспирацијата доведува до намалување на приносот на C3 растенијата за 30-40% ( Со 3 растенија- растенија кои се карактеризираат со C 3 фотосинтеза).
C 4 фотосинтезата е фотосинтеза во која првиот производ се соединенија со четири јаглерод (C 4). Во 1965 година, беше откриено дека кај некои растенија (шеќерна трска, пченка, сорго, просо) првите производи на фотосинтезата се четиријаглеродни киселини. Овие растенија беа наречени Со 4 растенија. Во 1966 година, австралиските научници Хеч и Слек покажаа дека растенијата C4 практично немаат фотореспирација и многу поефикасно апсорбираат јаглерод диоксид. Почна да се нарекува патеката на трансформациите на јаглеродот во постројките C 4 од Хеч-Слек.
Растенијата C 4 се карактеризираат со посебна анатомска структура на листот. Сите васкуларни снопови се опкружени со двоен слој на клетки: надворешниот слој се мезофилни клетки, внатрешниот слој се клетки од обвивка. Јаглерод диоксидот е фиксиран во цитоплазмата на мезофилните клетки, акцепторот е фосфенолпируват(PEP, 3C), како резултат на карбоксилација на PEP, се формира оксалоацетат (4C). Процесот се катализира PEP карбоксилаза. За разлика од RiBP карбоксилазата, PEP карбоксилазата има поголем афинитет за CO 2 и што е најважно, не комуницира со O 2 . Мезофилните хлоропласти имаат многу зрна каде што активно се случуваат реакции на светлосна фаза. Реакциите на темната фаза се случуваат во хлоропластите на клетките на обвивката.
Оксалоацетатот (4C) се претвора во малат, кој се транспортира преку плазмодезмата во клетките на обвивката. Овде се декарбоксилира и дехидрогенизира за да се формира пируват, CO 2 и NADPH 2 .
Пируватот се враќа во мезофилните клетки и се регенерира со помош на енергијата на АТП во PEP. CO 2 повторно се фиксира со RiBP карбоксилаза за да формира PGA. Регенерацијата на PEP бара АТП енергија, така што бара речиси двојно повеќе енергија од фотосинтезата C 3.
Значењето на фотосинтезата
Благодарение на фотосинтезата, милијарди тони јаглерод диоксид се апсорбираат од атмосферата секоја година и се ослободуваат милијарди тони кислород; фотосинтезата е главниот извор на формирање на органски материи. Се формира од кислород озонски слој, заштитувајќи ги живите организми од ултравиолетово зрачење со кратки бранови.
За време на фотосинтезата, зелениот лист користи само околу 1% од сончевата енергија што паѓа на него; продуктивноста е околу 1 g органска материја на 1 m2 површина на час.
Хемосинтеза
Синтезата на органски соединенија од јаглерод диоксид и вода, извршена не поради енергијата на светлината, туку поради енергијата на оксидација на неоргански материи, се нарекува. хемосинтеза. Хемосинтетичките организми вклучуваат некои видови бактерии.
Нитрифицирачки бактерииоксидира амонијак до азот, а потоа да азотна киселина(NH 3 → HNO 2 → HNO 3).
Железни бактерииконвертирате црно железо во оксидно железо (Fe 2+ → Fe 3+).
Сулфур бактерииоксидира водород сулфид до сулфур или сулфурна киселина (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).
Како резултат на реакциите на оксидација на неорганските материи, се ослободува енергија, која ја складираат бактериите во форма на високоенергетски АТП врски. АТП се користи за синтеза на органски материи, што се одвива слично на реакциите на темната фаза на фотосинтезата.
Хемосинтетичките бактерии придонесуваат за акумулација во почвата минерали, подобрување на плодноста на почвата, промовирање на третман на отпадни води итн.
Оди до предавања бр.11„Концептот на метаболизмот. Биосинтеза на протеини“
Оди до предавања бр.13„Методи на поделба на еукариотските клетки: митоза, мејоза, амитоза“
Фотосинтезата се состои од две фази - светла и темна.
Во светлосната фаза, светлосните кванти (фотони) комуницираат со молекулите на хлорофилот, како резултат на што овие молекули се многу кратко времепреминете во побогата со енергија „возбудена“ состојба. Вишокот енергија на некои од „возбудените“ молекули потоа се претвора во топлина или се емитува како светлина. Друг дел од него се пренесува на водородни јони, секогаш присутни во воден растворпоради дисоцијација на вода. Добиените атоми на водород лабаво се врзуваат со органски молекули- носители на водород. Хидроксидните јони „OH“ ги даваат своите електрони на други молекули и се претвораат во слободни радикали OH. OH радикалите комуницираат едни со други, што резултира со формирање на вода и молекуларен кислород:
4OH = O2 + 2H2O Така, изворот на молекуларниот кислород што се формира за време на фотосинтезата и се ослободува во атмосферата е фотолиза - распаѓање на водата под влијание на светлината. Во прилог на фотолиза на вода, енергија сончево зрачењесе користи во лесната фаза за синтеза на АТП и АДП и фосфат без учество на кислород. Ова е многу ефикасен процес: хлоропластите произведуваат 30 пати повеќе АТП отколку во митохондриите на истите растенија со учество на кислород. На овој начин се акумулира енергијата неопходна за процесите во темната фаза на фотосинтезата.
Во комплекс хемиски реакциитемна фаза, за која не е потребна светлина, клучно местого зазема врзувањето на CO2. Овие реакции вклучуваат АТП молекули синтетизирани за време на лесната фаза и атоми на водород формирани за време на фотолизата на водата и поврзани со молекули носители:
6СО2 + 24Н -» С6Н12О6 + 6НО
Така енергијата на сончевата светлина се претвора во енергија на хемиски врски на сложени органски соединенија.
87. Важноста на фотосинтезата за растенијата и за планетата.
Фотосинтезата е главен извор на биолошка енергија; фотосинтетичките автотрофи ја користат за синтеза на органски материи од неоргански; хетеротрофите постојат на сметка на енергијата складирана од автотрофите во форма на хемиски врски, ослободувајќи ја во процесите на дишење и ферментација. Енергијата добиена од човештвото со согорување на фосилни горива (јаглен, нафта, природен гас, тресет) се складира и за време на фотосинтезата.
Фотосинтезата е главниот влез неоргански јаглеродво биолошкиот циклус. Целиот слободен кислород во атмосферата е од биогенско потекло и е нуспроизвод на фотосинтезата. Формирање на оксидирачка атмосфера ( кислородна катастрофа) целосно ја промени состојбата површината на земјата, правеше можен изгледдишењето, а подоцна, по формирањето на озонската обвивка, дозволи животот да стигне до копното. Процесот на фотосинтеза е основа на исхраната на сите живи суштества, а исто така го снабдува човештвото со гориво (дрво, јаглен, нафта), влакна (целулоза) и безброј корисни хемиски соединенија. Околу 90-95% од сувата тежина на културата се формира од јаглерод диоксид и вода комбинирани од воздухот за време на фотосинтезата. Останатите 5-10% доаѓаат од минерални соли и азот добиен од почвата.
Луѓето користат околу 7% од производите на фотосинтезата како храна, како добиточна храна и во форма на гориво и градежни материјали.
Фотосинтезата, која е еден од најчестите процеси на Земјата, предизвикува природни циклусијаглерод, кислород и други елементи и обезбедува материјална и енергетска основа за живот на нашата планета. Фотосинтезата е единствениот извор на атмосферски кислород.
Фотосинтезата е еден од најчестите процеси на Земјата; го одредува циклусот на јаглерод, О2 и други елементи во природата.Таа ја формира материјалната и енергетската основа на целиот живот на планетата. Секоја година, како резултат на фотосинтезата, околу 8 1010 тони јаглерод се врзуваат во форма на органска материја, а се формираат до 1011 тони целулоза. Благодарение на фотосинтезата, копнените растенија произведуваат околу 1,8 1011 тони сува биомаса годишно; приближно исто количество растителна биомаса се формира годишно во океаните. Тропска шумапридонесува до 29% во вкупното фотосинтетско производство на земјиштето, а придонесот на шумите од сите видови е 68%. Фотосинтезата на повисоките растенија и алгите е единствениот извор на атмосферски О2. Појавата на Земјата пред околу 2,8 милијарди години на механизмот на оксидација на водата со формирање на О2 е најважниот настанВ биолошка еволуција, што ја направи светлината на Сонцето главен извор на слободна енергија во биосферата, а водата речиси неограничен извор на водород за синтеза на супстанции во живите организми. Резултатот беше атмосфера модерен состав, О2 стана достапен за оксидација на храната, а тоа доведе до појава на високо организирани хетеротрофни организми (користејќи егзогени органски супстанции како извор на јаглерод). Вкупното складирање на енергијата на сончевото зрачење во форма на производи од фотосинтеза е околу 1,6 1021 kJ годишно, што е приближно 10 пати поголема од модерната потрошувачка на енергија на човештвото. Приближно половина од енергијата на сончевото зрачење доаѓа од видлива областспектар (бранова должина l од 400 до 700 nm), кој се користи за фотосинтеза (физиолошки активно зрачење или ПАР). IR зрачењето не е погодно за фотосинтеза на организми кои произведуваат кислород (повисоки растенија и алги), но се користи од некои фотосинтетички бактерии.
Откривање на процесот на хемосинтеза од С.Н. Виноградски. Карактеристики на процесот.
Хемосинтезата е процес на синтеза на органски материи од јаглерод диоксид, кој настанува поради енергијата ослободена при оксидација на амонијак, водород сулфид и др. хемиски супстанции, за време на животот на микроорганизмите. Хемосинтезата има и друго име - хемолитоавтотрофија. Откривањето на хемосинтезата од С. Н. Виноградовски во 1887 година радикално го промени разбирањето на науката за типовите на метаболизам кои се основни за живите организми. Хемосинтезата е единствениот вид на исхрана за многу микроорганизми, бидејќи тие се способни да асимилираат јаглерод диоксид како единствен извор на јаглерод. За разлика од фотосинтезата, хемосинтезата користи енергија што се создава како резултат на редокс реакции наместо светлосна енергија.
Оваа енергија треба да биде доволна за синтеза на аденозин трифосфорна киселина (ATP), а нејзината количина треба да надминува 10 kcal/mol. Некои од оксидираните супстанции ги донираат своите електрони на синџирот веќе на ниво на цитохром, и на тој начин се создава дополнителна потрошувачка на енергија за синтеза на редукционото средство. За време на хемосинтезата, биосинтезата на органските соединенија се јавува поради автотрофична асимилација на јаглерод диоксид, односно на ист начин како и за време на фотосинтезата. Како резултат на пренос на електрони по синџирот на бактериски респираторни ензими, кои се вградени во клеточната мембрана, енергијата се добива во форма на АТП. Заради многу големата потрошувачка на енергија, сите хемосинтетизирачки бактерии, освен водородните, формираат прилично мала количина на биомаса, но во исто време оксидираат голем обем на неоргански материи. Водородните бактерии ги користат научниците за производство на протеини и чистење на атмосферата од јаглерод диоксид, особено неопходни во затворени еколошки системи. Постои голема разновидност на хемосинтетички бактерии, нивни повеќетоприпаѓа на псевдомонадите, тие се наоѓаат и меѓу филаментозни и младиот и надежен бактерии, лептоспира, спирилум и коринебактерии.
Примери за употреба на хемосинтеза од прокариоти.
Суштината на хемосинтезата (процес откриен од рускиот истражувач Сергеј Николаевич Виноградски) е производство на енергија од телото преку редокс реакции што ги врши самото тело со едноставни (неоргански) супстанции. Примери за такви реакции вклучуваат оксидација на амониум до нитрит, или црно железодо тривалентен, водород сулфид до сулфур, итн. Способни само за хемосинтеза одредени групипрокариоти (бактерии во во широка смислазборови). Поради хемосинтезата, моментално постојат само екосистемите на некои хидротермални локации (места на дното на океанот каде што има излези на топла подземните води, богати со редуцирани материи - водород, водород сулфид, железен сулфид итн.), како и исклучително едноставни екосистеми, кои се состојат само од бактерии, кои се наоѓаат на големи длабочини во карпестите раседи на копното.
Бактериите се хемосинтетички и уништуваат карпи, чист отпадни води, учествуваат во формирањето на минералите.
Историјата на откривањето на неверојатен и витално важен феномен како што е фотосинтезата е длабоко вкоренет во минатото. Пред повеќе од четири века, во 1600 година, белгискиот научник Јан Ван Хелмонт извел едноставен експеримент. Во вреќа во која имало 80 килограми земја ставил гранче од врба. Научникот ја забележал почетната тежина на врбата, а потоа пет години го наводнувал растението исклучиво со дождовница. Замислете го изненадувањето на Јан Ван Хелмонт кога повторно ја измери врбата. Тежината на растението се зголеми за 65 кг, а масата на земјата се намали за само 50 грама! Од каде на растението 64 kg 950 g хранливи материиостана мистерија за научникот!
Следниот значаен експеримент на патот до откривањето на фотосинтезата му припаѓаше на англискиот хемичар Џозеф Пристли. Научникот ставил глушец под хаубата, а пет часа подоцна глодарот умрел. Кога Пристли ставил гранче нане со глувчето и исто така го покрил глодарот со капа, глушецот останал жив. Овој експеримент го наведе научникот до идејата дека постои процес спротивен на дишењето. Јан Ингенхаус во 1779 година го утврдил фактот дека само зелените делови од растенијата се способни да испуштаат кислород. Три години подоцна, швајцарскиот научник Жан Сенебиер докажал дека јаглерод диоксидот под влијание сончеви зраци, се распаѓа во органели на зелените растенија. Само пет години подоцна, францускиот научник Жак Бусинго, диригираше лабораториски истражувања, го открил фактот дека апсорпцијата на вода од растенијата се јавува и при синтеза на органски материи. Епохалното откритие е направено во 1864 година од германскиот ботаничар Јулиус Сакс. Тој успеа да докаже дека волуменот на потрошениот јаглерод диоксид и ослободениот кислород се јавуваат во сооднос 1:1.
Фотосинтезата е еден од најзначајните биолошки процеси
Зборувајќи научен јазик, фотосинтезата (од старогрчки φῶς - светлина и σύνθεσις - поврзување, врзување) е процес во кој органските материи се формираат од јаглерод диоксид и вода во светлината. Главната улога во овој процес им припаѓа на фотосинтетичките сегменти.
Зборувајќи фигуративно, растителниот лист може да се спореди со лабораторија, чии прозорци гледаат на сончевата страна. Во него се јавува формирање на органски материи. Овој процес е основа за постоењето на целиот живот на Земјата.
Многумина разумно ќе го постават прашањето: што дишат луѓето што живеат во град, каде што не можете да најдете ни дрво или трева во текот на денот со оган? Одговорот е многу едноставен. Факт е дека уделот копнени растенијасочинува само 20% од кислородот што го ослободуваат растенијата. Водечката улога во производството на кислород во атмосферата ја игра алги. Тие сочинуваат 80% од произведениот кислород. Говорејќи на јазикот на бројките, и растенијата и алгите годишно испуштаат 145 милијарди тони (!) кислород во атмосферата! Не е за џабе што светските океани се нарекуваат „бели дробови на планетата“.
Општа формулафотосинтезата изгледа како на следниот начин:
Вода + Јаглерод диоксид + Светлина → Јаглехидрати + Кислород
Зошто на растенијата им е потребна фотосинтеза?
Како што дознавме, фотосинтезата е неопходен условпостоењето на човекот на Земјата. Сепак, ова не е единствената причина зошто фотосинтетичките организми активно произведуваат кислород во атмосферата. Факт е дека и алгите и растенијата годишно формираат повеќе од 100 милијарди органски супстанции (!), кои ја формираат основата на нивната животна активност. Сеќавајќи се на експериментот на Јан Ван Хелмонт, разбираме дека фотосинтезата е основата на исхраната на растенијата. Научно е докажано дека 95% од жетвата се одредуваат од органските материи што ги добива растението при процесот на фотосинтеза, а 5% од минералните ѓубрива што градинарот ги нанесува на почвата.
Современите летни жители посветуваат главно внимание на исхраната на почвата на растенијата, заборавајќи на нејзината исхрана со воздух. Не е познато каква жетва би можеле да добијат градинарите доколку внимаваат на процесот на фотосинтеза.
Сепак, ниту растенијата ниту алгите не би можеле толку активно да произведуваат кислород и јаглени хидрати доколку немале неверојатен зелен пигмент - хлорофил.
Мистеријата на зелениот пигмент
Главната разлика помеѓу растителните клетки и клетките на другите живи организми е присуството на хлорофил. Патем, тој е одговорен за фактот дека лисјата на растенијата се прецизно обоени зелена боја. Комплицирано е органско соединениеима еден неверојатен имот: способен е да апсорбира сончева светлина! Благодарение на хлорофилот станува возможен и процесот на фотосинтеза.
Две фази на фотосинтеза
Зборувајќи на едноставен јазик, фотосинтезата е процес во кој водата и јаглеродниот диоксид апсорбирани од растението на светлина со помош на хлорофил формираат шеќер и кислород. Така, неоргански материичудесно се трансформираат во органски. Шеќерот добиен како резултат на конверзија е извор на енергија за растенијата.
Фотосинтезата има две фази: светло и темно.
Лесна фаза на фотосинтеза
Се изведува на тилакоидни мембрани.
Тилакоидите се структури поврзани со мембрана. Тие се наоѓаат во стромата на хлоропластот.
Редоследот на настаните во светлосната фаза на фотосинтезата е:
- Светлината удира во молекулата на хлорофилот, која потоа се апсорбира од зелениот пигмент и предизвикува таа да се возбуди. Електронот кој е дел од молекулата се пренесува на повеќе високо ниво, учествува во процесот на синтеза.
- Водата се дели, при што протоните се претвораат во атоми на водород под влијание на електроните. Последователно, тие се трошат на синтеза на јаглени хидрати.
- Во последната фаза од светлосната фаза се синтетизира АТП (Аденозин трифосфат). Ова е органска супстанција која ја игра улогата на универзален енергетски акумулатор во биолошките системи.
Темна фаза на фотосинтезата
Местото каде што се јавува темната фаза е стромата на хлоропластите. Во темната фаза се ослободува кислород и се синтетизира гликозата. Многумина ќе мислат дека оваа фаза го добила ова име бидејќи процесот што се случува во оваа фаза се случува исклучиво ноќе. Всушност, ова не е сосема точно. Синтезата на гликоза се случува околу часовникот. Поентата е дека е вклучена на оваа бинасветлосната енергија повеќе не се троши, што значи дека едноставно не е потребна.
Важноста на фотосинтезата за растенијата
Веќе го утврдивме фактот дека на растенијата им е потребна фотоинтеза не помалку од нас. Многу е лесно да се зборува за размерот на фотосинтезата во однос на бројките. Научниците пресметале дека само копнените растенија складираат онолку сончева енергија колку што би можеле да потрошат 100 мегаградови во рок од 100 години!
Дишењето на растенијата е спротивен процес на фотосинтезата. Значењето на дишењето на растенијата е да се ослободи енергија за време на процесот на фотосинтеза и да се насочи кон потребите на растенијата. Во едноставни термини, приносот е разликата помеѓу фотосинтезата и дишењето. Колку повеќе фотосинтеза и помало дишење, толку е поголема жетвата и обратно!
Фотосинтезата е неверојатен процес што го прави можен животна земја!
И NADP·H 2 добиени во светлосна фаза. Поточно: во темната фаза се врзува јаглерод диоксид (CO 2).
Овој процес е повеќестепен; во природата постојат два главни патеки: C 3 - фотосинтеза и C 4 - фотосинтеза. Латинска буква C означува јаглероден атом, бројот после него е бројот на јаглеродни атоми во примарниот органски производ од темната фаза на фотосинтезата. Така, во случајот на патеката C 3, примарен производ се смета за тријаглеродна фосфоглицерична киселина, означена како PGA. Во случајот на патеката C4, првата органска супстанција што го врзува јаглеродниот диоксид е четиријаглеродна оксалоцетна киселина (оксалоацетат).
Фотосинтезата C 3 се нарекува и циклус на Калвин според научникот кој ја проучувал. C 4 фотосинтезата го вклучува циклусот Калвин, но тој не се состои само од него и се нарекува циклус Хеч-Слек. Во умерените географски широчини, растенијата C3 се вообичаени, во тропските ширини - растенијата C4.
Темните реакции на фотосинтезата се одвиваат во стромата на хлоропластот.
Калвин циклус
Првата реакција на циклусот Калвин е карбоксилација на рибулоза-1,5-бисфосфат (RiBP). Карбоксилација- ова е додавање на молекула CO 2, што резултира со формирање на карбоксилна група -COOH. RiBP е рибоза (шеќер со пет јаглерод) со фосфатни групи (формирани од фосфорна киселина) прикачени на крајните јаглеродни атоми:
Хемиска формула RiBF
Реакцијата е катализирана од ензимот рибулоза-1,5-бисфосфат карбоксилаза оксигеназа ( РубисКО). Може да го катализира не само врзувањето на јаглерод диоксид, туку и кислород, како што е наведено со зборот „оксигеназа“ во неговото име. Ако RuBisCO ја катализира реакцијата на додавање на кислород во подлогата, тогаш темната фаза на фотосинтезата повеќе не го следи патот на циклусот Калвин, туку по патеката фотореспирација, што во основа е штетно за растението.
Катализата на реакцијата на додавање на CO 2 во RiBP се случува во неколку чекори. Како резултат на тоа, се формира нестабилно органско соединение со шест јаглерод, кое веднаш се распаѓа на две молекули со три јаглерод фосфоглицеринска киселина
Хемиска формула на фосфоглицеринска киселина
Следна FGK за неколку ензимски реакции, што се јавува со трошењето на енергијата на АТП и редуцирачката моќност на NADP H 2, се претвора во фосфоглицералдехид (PGA), исто така т.н. триоза фосфат.
Помал дел од PHA го напушта циклусот Калвин и се користи за синтеза на посложени органски материи, како што е гликозата. Ова, пак, може да се полимеризира во скроб. Други супстанции (амино киселини, масни киселини) се формираат со учество на различни почетни супстанции. Ваквите реакции се забележани не само кај растителни клетки. Затоа, ако фотосинтезата ја сметаме како уникатен феноменклетки кои содржат хлорофил, завршува со синтеза на PHA, а не на гликоза.
Повеќето од молекулите на PHA остануваат во циклусот Калвин. Со него се случуваат низа трансформации, како резултат на што PHA се претвора во RiBP. Ова исто така користи АТП енергија. Така, RiBP се регенерира за да ги врзе новите молекули на јаглерод диоксид.
Циклус Hatch-Slack
Во многу растенија во топли живеалишта, темната фаза на фотосинтезата е нешто посложена. Во процесот на еволуција, C4 фотосинтезата се појави како повеќе ефективен методврзување на јаглерод диоксид кога се зголеми количината на кислород во атмосферата, а RuBisCO почна да се троши на неефикасна фотореспирација.
Во C4 растенијата постојат два вида фотосинтетички клетки. Во хлоропластите на мезофилот на листовите се јавува лесна фазафотосинтезата и дел од темнината, имено врзувањето на CO 2 со фосфенолпируват(FEP). Како резултат на тоа, се формира четиријаглеродна органска киселина. Оваа киселина потоа се транспортира до хлоропластите на клетките на обвивката на васкуларните снопови. Овде, молекулата на CO 2 ензимски се одвојува од неа, која потоа влегува во циклусот на Калвин. Тријаглеродна киселина која останува по декарбоксилацијата е пирувична- се враќа во мезофилните клетки, каде повторно се претвора во ПЕП.
Иако циклусот Hatch-Slack е верзија на темната фаза на фотосинтезата која троши повеќе енергија, ензимот што ги врзува CO 2 и PEP е поефикасен катализатор од RuBisCO. Покрај тоа, не реагира со кислород. CO 2 транспорт со користење органска киселинаво подлабоките клетки, до кои протокот на кислород е отежнат, доведува до фактот дека концентрацијата на јаглерод диоксид овде се зголемува, а RuBisCO речиси и не се троши за врзување на молекуларниот кислород.