Nierówności racjonalne i ich rozwiązania. Scenariusz lekcji algebry (klasa 10) na temat: Układy nierówności wymiernych

Temat 3 Etapy fotosyntezy

Sekcja 3 Fotosynteza

1. Lekka faza fotosyntezy

2. Fosforylacja fotosyntetyczna

3.Sposoby wiązania CO 2 podczas fotosyntezy

4.Fotooddychanie

Istotą fazy jasnej fotosyntezy jest absorpcja energii promieniowania i jej przekształcenie w siłę asymilacyjną (ATP i NADP-H), niezbędną do redukcji węgla w reakcjach ciemnych. Złożoność procesów przetwarzania energii świetlnej na energię chemiczną wymaga ich ścisłej organizacji membranowej. Faza jasna fotosyntezy zachodzi w granie chloroplastu.

Zatem membrana fotosyntetyczna działa bardzo ważna reakcja: zamienia energię zaabsorbowanych kwantów światła na potencjał redoks NADP-H oraz na potencjał reakcji przeniesienia grupy fosforylowej w cząsteczce ATP.W tym przypadku energia ulega przemianie z formy bardzo krótkotrwałej do dość długiej -żyjąca forma. Ustabilizowana energia może być później wykorzystana w reakcjach biochemicznych komórka roślinna, w tym w reakcjach prowadzących do redukcji dwutlenku węgla.

W wewnętrznych błonach chloroplastów osadzonych jest pięć głównych kompleksów polipeptydowych: kompleks fotosystemu I (PSI), kompleks fotosystemu II (PSII), kompleks zbierający światło II (LHCII), kompleks cytochromu b 6 f I Syntaza ATP (kompleks CF 0 – CF 1). Kompleksy PSI, PSII i CCKII zawierają pigmenty (chlorofile, karotenoidy), z których większość pełni funkcję pigmentów antenowych, gromadzących energię dla pigmentów centrów reakcji PSI i PSII. Kompleksy PSI i PSII, a także cytochrom b 6 f-kompleks zawiera kofaktory redoks i uczestniczy w fotosyntetycznym transporcie elektronów. Białka tych kompleksów są różne wysoka zawartość aminokwasy hydrofobowe, co zapewnia ich integrację z błoną. Syntaza ATP ( CF 0 – CF 1-kompleks) przeprowadza syntezę ATP. Oprócz dużych kompleksów polipeptydowych błony tylakoidów zawierają małe składniki białkowe - plastocyjanina, ferredoksyna I oksydoreduktaza ferredoksyny-NADP, zlokalizowane na powierzchni membran. Są częścią systemu transportu elektronów w procesie fotosyntezy.

W cyklu świetlnym fotosyntezy zachodzą następujące procesy: 1) fotowzbudzenie cząsteczek pigmentu fotosyntetycznego; 2) migracja energii z anteny do centrum reakcji; 3) fotoutlenianie cząsteczki wody i uwolnienie tlenu; 4) fotoredukcja NADP do NADP-H; 5) fosforylacja fotosyntetyczna, tworzenie ATP.

Pigmenty chloroplastowe łączy się w kompleksy funkcjonalne – układy pigmentowe, w których centrum reakcji jest chlorofil A, Dokonując fotosensybilizacji, jest połączony procesami przenoszenia energii z anteną złożoną z pigmentów zbierających światło. Nowoczesny schemat fotosyntezy Wyższe rośliny zawiera dwa zdjęcia reakcje chemiczne, przeprowadzone przy udziale dwóch różnych fotosystemów. Założenie o ich istnieniu założył R. Emerson w 1957 roku na podstawie odkrytego przez siebie efektu wzmacniania działania długofalowego światła czerwonego (700 nm) poprzez łączone oświetlenie promieniami o falach krótszych (650 nm). Następnie odkryto, że fotosystem II pochłania promienie o krótszej długości fali w porównaniu z PSI. Fotosynteza zachodzi wydajnie tylko wtedy, gdy działają one razem, co wyjaśnia efekt wzmocnienia Emersona.

PSI zawiera dimer chlorofilu jako centrum reakcji i z maksymalna absorpcja światła 700 nm (P 700), a także chlorofile A 675-695, pełniący rolę elementu antenowego. Głównym akceptorem elektronów w tym układzie jest monomeryczna forma chlorofilu A 695, drugorzędowymi akceptorami są białka żelazowo-siarkowe (-FeS). Kompleks PSI pod wpływem światła redukuje białko zawierające żelazo – ferredoksynę (Fd) i utlenia białko zawierające miedź – plastocyjaninę (Pc).

PSII obejmuje centrum reakcji zawierające chlorofil A(P 680) oraz pigmenty antenowe – chlorofile A 670-683. Głównym akceptorem elektronów jest feofityna (Ph), która przenosi elektrony do plastochinonu. W skład PSII wchodzi także kompleks białkowy układu S, który utlenia wodę, oraz transporter elektronów Z. Kompleks ten funkcjonuje przy udziale manganu, chloru i magnezu. PSII redukuje plastochinon (PQ) i utlenia wodę, uwalniając O2 i protony.

Link łączący pomiędzy PSII i PSI znajduje się fundusz plastochinonowy, kompleks białkowy cytochromu b 6 f i plastocyjaninę.

W chloroplastach roślinnych każde centrum reakcji zawiera około 300 cząsteczek pigmentu, które są częścią kompleksów antenowych lub zbierających światło. Z blaszek chloroplastów wyizolowano kompleks białkowy zbierający światło zawierający chlorofile A I B i karotenoidy (CCC), blisko spokrewnione z PSP, oraz kompleksy antenowe bezpośrednio zawarte w PSI i PSII (elementy skupiające anteny fotosystemów). Połowa białka tylakoidów i około 60% chlorofilu jest zlokalizowana w SSC. Każdy SSC zawiera od 120 do 240 cząsteczek chlorofilu.

Kompleks białek antenowych PS1 zawiera 110 cząsteczek chlorofilu A 680-695 za jedno R 700 , spośród nich 60 cząsteczek to składniki kompleksu antenowego, który można uznać za SSC PSI. Kompleks antenowy PSI zawiera także b-karoten.

Kompleks białek anteny PSII zawiera 40 cząsteczek chlorofilu A z maksimum absorpcji 670-683 nm na P 680 i b-karoten.

Chromoproteiny kompleksów antenowych nie wykazują aktywności fotochemicznej. Ich rolą jest pochłanianie i przekazywanie energii kwantowej niewielkiej liczbie cząsteczek centrów reakcji P 700 i P 680, z których każda jest powiązana z łańcuchem transportu elektronów i przeprowadza reakcję fotochemiczną. Organizacja łańcuchów transportu elektronów (ETC) dla wszystkich cząsteczek chlorofilu jest irracjonalna, ponieważ nawet w bezpośrednim świetle słonecznym kwanty światła uderzają w cząsteczkę pigmentu nie częściej niż raz na 0,1 s.

Mechanizmy fizyczne procesy absorpcji, magazynowania i migracji energii cząsteczki chlorofilu zostały dość dobrze zbadane. Absorpcja fotonów(hν) wynika z przejścia układu do różnych stanów energetycznych. W cząsteczce, w przeciwieństwie do atomu, elektroniczna, wibracyjna i ruchy obrotowe, I całkowita energia cząsteczek jest równa sumie tego rodzaju energii. Głównym wskaźnikiem energii układu pochłaniającego jest jej poziom energia elektroniczna, jest określona przez energię zewnętrznych elektronów na orbicie. Zgodnie z zasadą Pauliego na orbicie zewnętrznej znajdują się dwa elektrony o przeciwnie skierowanych spinach, w wyniku czego powstaje stabilny układ sparowanych elektronów. Absorpcji energii świetlnej towarzyszy przejście jednego z elektronów na wyższą orbitę z magazynowaniem pochłoniętej energii w postaci elektronicznej energii wzbudzenia. Najważniejszą cechą systemów absorpcyjnych jest określona selektywność absorpcji elektroniczna Konfiguracja Cząsteczki. W trudnym cząsteczka organiczna Jest konkretny zestaw swobodne orbity, na które może przejść elektron podczas absorpcji kwantów światła. Zgodnie z „regułą częstotliwości” Bohra częstotliwość pochłanianego lub emitowanego promieniowania v musi ściśle odpowiadać różnicy energii pomiędzy poziomami:

ν = (E 2 – E 1)/h,

gdzie h jest stałą Plancka.

Każde przejście elektroniczne odpowiada określonemu pasmu absorpcji. Zatem, struktura elektroniczna cząsteczki determinuje naturę widm drgań elektronów.

Magazynowanie pochłoniętej energii związane z występowaniem elektronicznie wzbudzonych stanów pigmentów. Prawa fizyczne stanów wzbudzonych Mg-porfiryn można rozważyć na podstawie analizy schematu przejścia elektronowego tych pigmentów (rysunek).

Istnieją dwa główne typy stanów wzbudzonych – singlet i triplet. Różnią się energią i stanem spinu elektronu. W stanie wzbudzonym singletowym elektron wiruje przy podłożu, a poziomy wzbudzone pozostają antyrównoległe; po przejściu do stanu trypletowego spin wzbudzonego elektronu obraca się, tworząc układ dwurodnikowy. Po absorpcji fotonu cząsteczka chlorofilu przechodzi ze stanu podstawowego (S 0) do jednego z wzbudzonych stanów singletowych - S 1 lub S 2 , czemu towarzyszy przejście elektronu do poziomu wzbudzonego o wyższej energii. Stan wzbudzony S2 jest bardzo niestabilny. Elektron szybko (w ciągu 10 -12 s) traci część swojej energii w postaci ciepła i spada na niższy poziom wibracyjny S 1, gdzie może przebywać przez 10 -9 s. W stanie S 1 może nastąpić odwrócenie spinu elektronu i przejście do stanu trypletowego T 1, którego energia jest niższa niż S 1 .

Istnieje kilka możliwych sposobów dezaktywacji stanów wzbudzonych:

· emisja fotonu wraz z przejściem układu do stanu podstawowego (fluorescencja lub fosforescencja);

przeniesienie energii do innej cząsteczki;

· wykorzystanie energii wzbudzenia w reakcji fotochemicznej.

Migracja energetyczna pomiędzy cząsteczkami pigmentu może zachodzić poprzez następujące mechanizmy. Indukcyjny mechanizm rezonansowy(mechanizm Förstera) jest możliwy pod warunkiem, że przejście elektronów jest dozwolone optycznie i wymiana energii przebiega zgodnie z mechanizm ekscytonowy. Pojęcie „ekscytonu” oznacza elektronicznie wzbudzony stan cząsteczki, w którym wzbudzony elektron pozostaje związany z cząsteczką pigmentu i nie następuje rozdział ładunku. Przeniesienie energii ze wzbudzonej cząsteczki pigmentu na inną cząsteczkę odbywa się poprzez bezpromienisty transfer energii wzbudzenia. Elektron w stanie wzbudzonym jest oscylującym dipolem. Powstałe zmienne pole elektryczne może powodować podobne drgania elektronu w innej cząsteczce pigmentu, jeśli zostaną spełnione warunki rezonansu (równość energii między poziomem podstawowym i wzbudzonym) oraz warunki indukcyjne, które warunkują wystarczająco silne oddziaływanie między cząsteczkami (odległość nie większa niż 10 nm ).

Mechanizm rezonansu wymiennego migracji energii Terenina-Dextera występuje, gdy przejście jest optycznie zabronione i po wzbudzeniu pigmentu nie tworzy się dipol. Do jego realizacji wymagany jest bliski kontakt cząsteczek (około 1 nm) z nakładającymi się orbitalami zewnętrznymi. W tych warunkach możliwa jest wymiana elektronów znajdujących się zarówno na poziomie singletu, jak i tripletu.

W fotochemii istnieje pojęcie przepływ kwantowy proces. W odniesieniu do fotosyntezy ten wskaźnik efektywności przemiany energii świetlnej w energię chemiczną pokazuje, ile kwantów światła zostaje pochłoniętych, aby uwolniona została jedna cząsteczka O 2 . Należy pamiętać, że każda cząsteczka substancji fotoaktywnej pochłania jednocześnie tylko jeden kwant światła. Energia ta wystarczy, aby spowodować pewne zmiany w cząsteczce substancji fotoaktywnej.

Nazywa się odwrotnością kwantowego natężenia przepływu wydajność kwantowa: liczba uwolnionych cząsteczek tlenu lub pochłoniętych cząsteczek dwutlenku węgla na kwant światła. Liczba ta jest mniejsza niż jeden. Zatem, jeśli do asymilacji jednej cząsteczki CO 2 zostanie zużytych 8 kwantów światła, wówczas wydajność kwantowa wyniesie 0,125.

Struktura łańcucha transportu elektronów w procesie fotosyntezy i charakterystyka jego składników.Łańcuch transportu elektronów w fotosyntezie obejmuje dość duża liczba składniki znajdujące się w strukturach błonowych chloroplastów. Prawie wszystkie składniki, z wyjątkiem chinonów, zawierają białka grupy funkcyjne, zdolne do odwracalnych zmian redoks i działające jako nośniki elektronów lub elektrony razem z protonami. Szereg transporterów ETC obejmuje metale (żelazo, miedź, mangan). Jak istotne komponenty można zauważyć transfer elektronów w procesie fotosyntezy następujące grupy związki: cytochromy, chinony, nukleotydy pirydynowe, flawoproteiny, a także białka żelaza, białka miedzi i białka manganu. O lokalizacji tych grup w ETC decyduje przede wszystkim wartość ich potencjału redoks.

Idee dotyczące fotosyntezy, podczas której wydziela się tlen, powstały pod wpływem schematu Z transportu elektronów R. Hilla i F. Bendella. Schemat ten przedstawiono na podstawie pomiarów potencjałów redoks cytochromów w chloroplastach. Miejscem konwersji jest łańcuch transportu elektronów energia fizyczna elektron w energia chemiczna połączeń i obejmuje PS I i PS II. Schemat Z opiera się na sekwencyjnym funkcjonowaniu i integracji PSII z PSI.

P 700 jest głównym donorem elektronów, jest chlorofilem (według niektórych źródeł dimerem chlorofilu a), przenosi elektron do pośredniego akceptora i może być utleniany fotochemicznie. A 0 - pośredni akceptor elektronów - jest dimerem chlorofilu a.

Wtórnymi akceptorami elektronów są związane centra żelazo-siarka A i B. Elementem strukturalnym białek żelazo-siarka jest sieć połączonych ze sobą atomów żelaza i siarki, co nazywa się klastrem żelazo-siarka.

Ferredoksyna, białko żelaza rozpuszczalne w fazie zrębowej chloroplastu znajdującej się na zewnątrz błony, przenosi elektrony z centrum reakcji PSI do NADP, w wyniku czego powstaje NADP-H, który jest niezbędny do wiązania CO2. Wszystkie rozpuszczalne ferredoksyny pochodzące z organizmów fotosyntetycznych wytwarzających tlen (w tym sinice) są typu 2Fe-2S.

Składnikiem przenoszącym elektrony jest również cytochrom f związany z błoną. Akceptorem elektronów związanego z błoną cytochromu f i bezpośrednim donorem kompleksu chlorofil-białko w centrum reakcji jest białko zawierające miedź, zwane „nośnikiem dystrybucji”, plastocyjaniną.

Chloroplasty zawierają również cytochromy b 6 i b 559. Cytochrom b 6, który jest polipeptydem c waga molekularna 18 kDa, bierze udział w cyklicznym przenoszeniu elektronów.

Kompleks b6/f jest integralnym kompleksem błonowym polipeptydów zawierających cytochromy typu b i f. Kompleks cytochrom b6/f katalizuje transport elektronów pomiędzy dwoma fotosystemami.

Kompleks cytochromu b 6 /f odtwarza niewielką pulę rozpuszczalnej w wodzie metaloproteiny - plastocyjaniny (Pc), która służy do przeniesienia redukujących równoważników do kompleksu PS I. Plastocyjanina jest małą hydrofobową metaloproteiną zawierającą atomy miedzi.

Uczestnikami pierwotnych reakcji w centrum reakcji PS II są główny donor elektronów P 680, pośredni akceptor feofityna i dwa plastochinony (zwykle oznaczane jako Q i B), zlokalizowane w pobliżu Fe 2+. Głównym donorem elektronów jest jedna z form chlorofilu a, zwana P 680, gdyż przy 680 nm zaobserwowano znaczącą zmianę absorpcji światła.

Głównym akceptorem elektronów w PS II jest plastochinon. Zakłada się, że Q jest kompleksem żelaza i chinonu. Wtórnym akceptorem elektronów w PS II jest również plastochinon, oznaczony jako B i działający szeregowo z Q. Układ plastochinon/plastochinon przenosi jednocześnie dwa kolejne protony z dwoma elektronami i dlatego jest dwuelektronowym układem redoks. Gdy dwa elektrony są przenoszone wzdłuż ETC przez układ plastochinon/plastochinon, dwa protony są przenoszone przez błonę tylakoidów. Uważa się, że powstający w tym przypadku gradient stężenia protonów siła napędowa Proces syntezy ATP. Konsekwencją tego jest wzrost stężenia protonów wewnątrz tylakoidów i pojawienie się znacznego gradientu pH pomiędzy zewnętrzną i wewnętrzną stroną błony tylakoidów: od wewnątrz środowisko jest bardziej kwaśne niż z zewnątrz.

2. Fosforylacja fotosyntetyczna

Woda służy jako donor elektronów dla PS-2. Cząsteczki wody oddając elektrony rozpadają się na wolny hydroksyl OH i proton H+. Wolne rodniki hydroksylowe reagują ze sobą tworząc H2O i O2. Przyjmuje się, że jony manganu i chloru biorą udział jako kofaktory w procesie fotoutleniania wody.

W procesie fotolizy wody ujawnia się istota pracy fotochemicznej zachodzącej podczas fotosyntezy. Ale utlenianie wody zachodzi pod warunkiem, że elektron wybity z cząsteczki P 680 zostanie przeniesiony do akceptora i dalej do łańcucha transportu elektronów (ETC). W ETC fotosystemu-2 nośnikami elektronów są plastochinon, cytochromy, plastocyjanina (białko zawierające miedź), FAD, NADP itp.

Elektron wytrącony z cząsteczki P 700 jest wychwytywany przez białko zawierające żelazo i siarkę i przenoszony do ferredoksyny. W dalsza ścieżka ten elektron może być dwojaki. Jedna z tych ścieżek polega na sekwencyjnym przenoszeniu elektronów z ferredoksyny przez szereg nośników z powrotem do P 700. Następnie kwant światła wybija kolejny elektron z cząsteczki P 700. Elektron ten dociera do ferredoksyny i wraca do cząsteczki chlorofilu. Wyraźnie widać cykliczność tego procesu. Kiedy elektron jest przenoszony z ferredoksyny, energia wzbudzenia elektronicznego przechodzi do tworzenia ATP z ADP i H3PO4. Ten typ fotofosforylacji nazwał R. Arnon cykliczny . Cykliczna fotofosforylacja teoretycznie może zachodzić nawet przy zamkniętych aparatach szparkowych, ponieważ wymiana z atmosferą nie jest do tego konieczna.

Niecykliczna fotofosforylacja zachodzi przy udziale obu fotosystemów. W tym przypadku elektrony i proton H + wytrącone z P 700 docierają do ferredoksyny i są przenoszone przez szereg nośników (FAD itp.) do NADP z utworzeniem zredukowanego NADP·H 2. To ostatnie jest jak silny środek redukujący, stosowany w ciemnych reakcjach fotosyntezy. Jednocześnie cząsteczka chlorofilu P 680 po pochłonięciu kwantu światła również przechodzi w stan wzbudzony oddając jeden elektron. Elektron po przejściu przez szereg nośników kompensuje niedobór elektronów w cząsteczce P 700. Elektronową „dziurę” chlorofilu P 680 uzupełnia elektron z jonu OH – jednego z produktów fotolizy wody. Energia elektronu wybitego z P 680 przez kwant światła, przechodząc przez łańcuch transportu elektronów do fotosystemu 1, ulega fotofosforylacji. Podczas niecyklicznego transportu elektronów, jak widać na wykresie, następuje fotoliza wody i wydzielanie wolnego tlenu.

Podstawą rozważanego mechanizmu fotofosforylacji jest transfer elektronów. Angielski biochemik P. Mitchell wysunął teorię fotofosforylacji, zwaną teorią chemiosmotyczną. Wiadomo, że ETC chloroplastów znajduje się w błonie tylakoidów. Jeden z nośników elektronów w ETC (plastochinon), zgodnie z hipotezą P. Mitchella, transportuje nie tylko elektrony, ale także protony (H+), przenosząc je przez błonę tylakoidów w kierunku od zewnątrz do wewnątrz. Wewnątrz błony tylakoidów, wraz z akumulacją protonów, środowisko staje się kwaśne, w wyniku czego powstaje gradient pH: strona zewnętrzna staje się mniej kwaśna niż wewnętrzna. Gradient ten zwiększa się również na skutek dopływu protonów – produktów fotolizy wody.

Różnica pH pomiędzy zewnętrzną stroną membrany a jej wnętrzem tworzy znaczące źródło energii. Za pomocą tej energii protony są wyrzucane przez specjalne kanały w specjalnych wypustkach w kształcie grzybów po zewnętrznej stronie błony tylakoidów. Kanały te zawierają czynnik sprzęgający (specjalne białko), który może brać udział w fotofosforylacji. Zakłada się, że takim białkiem jest enzym ATPaza, który katalizuje reakcję rozpadu ATP, ale w obecności energii protonów przepływających przez błonę - i jej syntezę. Dopóki występuje gradient pH, a zatem tak długo, jak elektrony poruszają się wzdłuż łańcucha nośników w fotosystemach, będzie również zachodzić synteza ATP. Oblicza się, że na każde dwa elektrony przechodzące przez ETC wewnątrz tylakoidu kumulują się cztery protony, a na każde trzy protony uwolnione przy udziale czynnika koniugacyjnego z błony na zewnątrz, syntetyzowana jest jedna cząsteczka ATP.

Zatem w wyniku fazy jasnej, pod wpływem energii świetlnej, powstają ATP i NADPH 2, wykorzystywane w fazie ciemnej, a produkt fotolizy wody O 2 jest uwalniany do atmosfery. Ogólne równanie fazy lekkiej fotosyntezy można wyrazić w następujący sposób:

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

Porównanie etapów fotosyntezy

	Faza jasna	Faza ciemna
Miejsce procesów	Błony tylakoidowe	Zręb chloroplastowy
Warunki	Światło	Światło nie jest wymagane
Niezbędne substancje	Woda, dwutlenek węgla, ADP, NADP	Dwutlenek węgla, ATP, NADPH,
Procesy zachodzące na tym etapie	Fotoliza wody, Niecykliczna fosforylacja (tworzenie ATP)	Cykl Calvina
Co powstaje?	Tlen (usuwany do atmosfery), ATP, NADP-N.	Glukoza, ADP, NADP

W rezultacie ogólne równanie dwóch etapów fotosyntezy będzie wyglądać następująco:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

1. Lekka faza fotosyntezy

Faza lekka to etap, w którym reakcje wymagają absorpcji kwantu energia słoneczna. Jego celem jest przekształcenie energii świetlnej słońca w energię chemiczną cząsteczek ATP i innych cząsteczek bogatych w energię. Reakcje te zachodzą w sposób ciągły, ale łatwiej je zbadać, dzieląc je na trzy etapy:

1 . a) Światło uderzając w chlorofil przekazuje mu wystarczającą ilość energii, aby jeden elektron mógł zostać usunięty z cząsteczki;

b) elektrony uwolnione z chlorofilu są wychwytywane przez białka nośnikowe wbudowane w błonę tylakoidów wraz z chlorofilem i przenoszone przez kanał syntetazy ATP na stronę błony zwróconą w stronę zrębu;

c) w zrębie zawsze znajduje się substancja przenosząca wodór, NADP + (fosforan dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego). Związek ten wychwytuje e i protony wzbudzone światłem, które są zawsze obecne w zrębie, i ulega redukcji, przekształcając się w NADP H2.

2 . Cząsteczki wody rozkładają się pod wpływem światła (fotoliza wody): powstają elektrony, H + i O 2. Elektrony zastępują e utracone przez chlorofil w etapie 1. Protony uzupełniają zbiornik protonów, który zostanie wykorzystany w etapie 3. Tlen przedostaje się na zewnątrz komórki do atmosfery.

3 . Protony próbują wyjść przez kanał syntazy ATP, ale nie mogą. Po pewnym czasie siłą prąd elektryczny, protony są wyrzucane na zewnątrz z tylakoidu. protony pędź od tylakoidu na zewnątrz - do zrębu. Dane wyjściowe zostaną utworzone wysoki poziom energia zużywana na syntezę ATP - fosforylacja niecykliczna (ADP + Ph n = ATP). Powstałe cząsteczki ATP przemieszczają się do zrębu, gdzie biorą udział w reakcjach tworzenia węglowodanów.

Zatem wynik fazy lekkiej:

powstawanie cząsteczek bogatych w energię ATP i NADP H 2,

produkt uboczny – O 2?.

2. Ciemna faza fotosyntezy

Faza ta zachodzi w zrębie chloroplastu, gdzie CO 2 pochodzi z powietrza, a także produkty fazy lekkiej ATP i NADP H 2. Tutaj związki te są wykorzystywane w szeregu reakcji, które gromadzą CO2 w postaci węglowodanów, jest to proces Cykl Calvina(Nagroda Nobla 1961).

Aby wytworzyć jedną cząsteczkę glukozy, cykl należy powtórzyć sześć razy: za każdym razem jeden atom węgla z CO 2 zostaje dodany do zasobów węgla związanego w roślinie.

ADP, Phn i NADP+ z cyklu Calvina wracają na powierzchnię błon i ponownie ulegają przemianie w ATP i NADP H2.

W ciągu dnia, gdy świeci słońce, aktywny ruch tych cząsteczek w chloroplastach nie ustaje: przemieszczają się one tam i z powrotem jak promy, łącząc dwie niezależne serie reakcji. Tych cząsteczek jest niewiele w chloroplastach, dlatego ATP i NADP H 2 powstałe w ciągu dnia, na świetle i po zachodzie słońca są szybko zużywane w reakcjach wiązania węgla. Fotosynteza zatrzymuje się wówczas aż do świtu. Wraz ze wschodem słońca synteza ATP i NADP·H2 rozpoczyna się ponownie i wkrótce wznawia się wiązanie węgla.

wynik ciemnej fazy: tworzenie się glukozy.

Zatem w wyniku fotosyntezy energia świetlna zamienia się w energię wiązania chemiczne w cząsteczkach substancji organicznych. A zatem rośliny I pełnić rolę pośredników pomiędzy Kosmosem a życiem na Ziemi.” To jest wspaniałe kosmiczna rola(UŻYWAJ!) zielonych roślin!

Błony tylakoidów zawierają dużą liczbę białek i pigmentów o niskiej masie cząsteczkowej, zarówno wolnych, jak i połączonych z białkami, które łączą się w dwa złożone kompleksy zwane fotosystem I I fotosystem I I. Rdzeniem każdego z tych fotosystemów jest białko zawierające zielony pigment chlorofil , zdolne do pochłaniania światła w czerwonym obszarze widma. Różne pigmenty zawarte w kompleksach fotosyntetycznych są w stanie wychwycić nawet bardzo słabe światło i przekazać jego energię chlorofilowi, dlatego fotosynteza może zachodzić nawet przy słabym oświetleniu (na przykład w cieniu drzew lub przy pochmurnej pogodzie).

Pochłonięcie kwantu światła przez cząsteczkę chlorofilu fotosystemu II prowadzi do jego wzbudzenia, czyli jeden z elektronów przemieszcza się na wyższą pozycję poziom energii. Elektron ten przekazywany jest do łańcucha transportu elektronów, a dokładniej do pigmentów i białek cytochromowych rozpuszczonych w błonie tylakoidów, przypominających nieco cytochromy wewnętrznej błony mitochondriów (patrz rysunek). Analogicznie do mitochondrialnego łańcucha transportu elektronów, energia elektronu maleje w miarę jego przenoszenia z nośnika na nośnik. Część jego energii jest wydawana na transfer protonów przez błonę ze zrębu chloroplastu do tylakoidu. W ten sposób pojawia się na błonie tylakoidów gradient stężenia protonów . Ten gradient może zostać wykorzystany przez specjalny enzym Syntetaza ATP do syntezy ATP z ADP i H 3 PO 4 (F n). Te. w chloroplastach realizowana jest ta sama tzw. zasada „tamy”, co omówiono wcześniej na przykładzie mitochondriów. Nazywa się syntezą ATP podczas lekkiej fazy fotosyntezy fotofosforylacja . Nazwa ta wynika z faktu, że wykorzystuje energię światła słonecznego. Osobliwość fosforylacja oksydacyjna w mitochondriach polega na tym, że energia do syntezy ATP generowana jest podczas utleniania substratów organicznych (patrz rozdział „”).

Odbudowa utlenionego chlorofilu, który „utracił” elektron, w fotosystemie II następuje w wyniku działania specjalnego enzymu, który rozkłada cząsteczkę wody, odbierając z niej elektrony (cząsteczka):

H2O -> 2e - + 2H + + 1/2O 2

Powyższy proces nazywa się fotoliza wody , ale to płynie wewnątrz błony tylakoidowe. Proces ten prowadzi do jeszcze większego wzrostu gradientu stężenia protonów przez błonę, a w konsekwencji do dodatkowej syntezy ATP.

Oznacza to, że możemy powiedzieć, że woda jest „dostawcą” elektronów dla chlorofilu. Produktem ubocznym tej reakcji jest tlen cząsteczkowy, który opuszcza chloroplasty na drodze dyfuzji i jest uwalniany do atmosfery przez aparaty szparkowe.

Spróbujmy dalej prześledzić „losy” elektronów oddzielonych od chlorofilu fotosystemu II. Przechodzą przez łańcuch nośników i dostają się do centrum reakcji fotosystemu I, w którym znajduje się również cząsteczka chlorofilu. Ta cząsteczka chlorofilu również pochłania kwant światła i przekazuje swoją energię jednemu z elektronów, podnosząc go na wyższy poziom energetyczny. Elektron przechodząc przez łańcuch specjalnych białek nośnikowych zostaje przeniesiony na cząsteczkę NADP+. Ta cząsteczka NADP+ otrzymuje w następnym cyklu kolejny elektron, wychwytuje proton ze zrębu chloroplastu i ulega redukcji do NADPH.

W ten sposób odbierane są elektrony „oderwane” od cząsteczki wody wysokiej energii w wyniku absorpcji kwantów światła przez chlorofile fotosystemów II i I, następnie przechodząc przez łańcuch transporterów, przywracają NADP+. Część energii tych elektronów jest zużywana na transport protonów przez błonę tylakoidów i tworzenie gradientu ich stężenia. Energia z gradientu protonów zostanie następnie wykorzystana do syntezy ATP przez enzym syntazę ATP.

Każdy Żyjąca istota na planecie potrzebuje żywności i energii, aby przetrwać. Niektóre organizmy żywią się innymi stworzeniami, podczas gdy inne mogą wytwarzać własne składniki odżywcze. Wytwarzają własne pożywienie, glukozę, w procesie zwanym fotosyntezą.

Fotosynteza i oddychanie są ze sobą powiązane. W wyniku fotosyntezy powstaje glukoza, która jest magazynowana w postaci energii chemicznej. Ta zmagazynowana energia chemiczna powstaje w wyniku transformacji węgiel nieorganiczny(dwutlenek węgla) w węgiel organiczny. Proces oddychania uwalnia zmagazynowaną energię chemiczną.

Oprócz wytwarzanych produktów rośliny potrzebują do przetrwania także węgla, wodoru i tlenu. Woda pochłonięta z gleby dostarcza wodór i tlen. Podczas fotosyntezy do syntezy pożywienia wykorzystuje się węgiel i wodę. Rośliny potrzebują również azotanów do produkcji aminokwasów (aminokwas jest składnikiem do produkcji białka). Oprócz tego potrzebują magnezu do produkcji chlorofilu.

Notatka: Organizmy żyjące, których funkcjonowanie zależy od innych pokarmów, nazywane są . Przykładami heterotrofów są zwierzęta roślinożerne, takie jak krowy i rośliny jedzące owady. Nazywa się istoty żywe, które wytwarzają własne pożywienie. Przykładami autotrofów są rośliny zielone i glony.

W tym artykule dowiesz się więcej o tym, jak zachodzi fotosynteza w roślinach i jakie warunki są niezbędne do tego procesu.

Definicja fotosyntezy

Fotosynteza to proces chemiczny, w wyniku którego rośliny (niektóre glony) wytwarzają glukozę i tlen z dwutlenku węgla i wody, wykorzystując jedynie światło jako źródło energii.

Proces ten jest niezwykle ważny dla życia na Ziemi, ponieważ uwalnia tlen, od którego zależy całe życie.

Dlaczego rośliny potrzebują glukozy (pożywienia)?

Podobnie jak ludzie i inne żywe istoty, rośliny również potrzebują pożywienia, aby przetrwać. Znaczenie glukozy dla roślin jest następujące:

Glukoza wytwarzana w procesie fotosyntezy jest wykorzystywana podczas oddychania do uwalniania energii potrzebnej roślinie do innych procesów życiowych.
Komórki roślinne przekształcają również część glukozy w skrobię, która jest wykorzystywana w razie potrzeby. Z tego powodu martwe rośliny wykorzystuje się jako biomasę, ponieważ magazynują energię chemiczną.
Glukoza jest również potrzebna do wytwarzania innych substancji chemicznych, takich jak białka, tłuszcze i cukry roślinne, niezbędnych do wspierania wzrostu i innych ważnych procesów.

Fazy fotosyntezy

Proces fotosyntezy dzieli się na dwie fazy: jasną i ciemną.

Faza jasna fotosyntezy

Jak sama nazwa wskazuje, fazy świetlne wymagają światła słonecznego. W reakcjach zależnych od światła energia światła słonecznego jest absorbowana przez chlorofil i przekształcana w zmagazynowaną energię chemiczną w postaci cząsteczki nośnika elektronów NADPH (fosforan dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego) i cząsteczki energii ATP (trifosforan adenozyny). Fazy świetlne występują w błonach tylakoidów w chloroplastach.

Ciemna faza fotosyntezy lub cykl Calvina

W fazie ciemnej, czyli cyklu Calvina, wzbudzone elektrony z fazy jasnej dostarczają energii do tworzenia węglowodanów z cząsteczek dwutlenku węgla. Fazy niezależne od światła nazywane są czasami cyklem Calvina ze względu na cykliczny charakter procesu.

Chociaż fazy ciemne nie wykorzystują światła jako reagenta (i w rezultacie mogą zachodzić w dzień lub w nocy), do funkcjonowania wymagają produktów reakcji zależnych od światła. Cząsteczki niezależne od światła zależą od cząsteczek nośników energii ATP i NADPH, aby utworzyć nowe cząsteczki węglowodanów. Po przeniesieniu energii cząsteczki nośnika energii powracają do faz lekkich, aby wytworzyć bardziej energetyczne elektrony. Ponadto światło aktywuje kilka enzymów fazy ciemnej.

Schemat faz fotosyntezy

Notatka: Oznacza to, że ciemne fazy nie będą kontynuowane, jeśli rośliny będą pozbawione światła zbyt długo, ponieważ wykorzystują produkty faz jasnych.

Budowa liści roślin

Nie możemy w pełni zbadać fotosyntezy, nie wiedząc więcej o strukturze liścia. Liść przystosowany do żywotnej zabawy ważna rola podczas procesu fotosyntezy.

Zewnętrzna budowa liści

Kwadrat

Jedną z najważniejszych cech roślin jest duża powierzchnia ich liści. Większość zielonych roślin ma szerokie, płaskie i otwarte liście, które są w stanie wychwycić tyle energii słonecznej (światła słonecznego), ile jest potrzebne do fotosyntezy.

Żyła centralna i ogonek

Żyła centralna i ogonek łączą się ze sobą, tworząc podstawę liścia. Ogonek ustawia liść tak, aby otrzymał jak najwięcej światła.

Ostrze liścia

Proste liście mają jeden blacha i złożone - kilka. Blaszka liściowa jest jednym z najważniejszych elementów liścia, który bierze bezpośredni udział w procesie fotosyntezy.

Żyły

Sieć żył w liściach transportuje wodę z łodyg do liści. Uwolniona glukoza jest również przesyłana do innych części rośliny z liści przez żyły. Dodatkowo te części liści podtrzymują i utrzymują blaszkę liściową płaską, co zapewnia lepsze wychwytywanie światła słonecznego. Układ żyłek (żyłek) zależy od rodzaju rośliny.

Podstawa liścia

Podstawa liścia to jego najniższa część, która łączy się przegubowo z łodygą. Często u podstawy liścia znajduje się para przylistków.

Krawędź liścia

W zależności od rodzaju rośliny brzeg liścia może mieć różne kształty, m.in.: cały, postrzępiony, ząbkowany, karbowany, karbowany itp.

Końcówka liścia

Podobnie jak krawędź liścia, górna część jest różne kształty, w tym: ostre, okrągłe, tępe, wydłużone, rozciągnięte itp.

Wewnętrzna budowa liści

Poniżej znajduje się dokładny schemat Struktura wewnętrzna tkanki liści:

Naskórek

Naskórek jest najważniejszy warstwa ochronna na powierzchni rośliny. Z reguły jest grubszy na górze liścia. Skórka pokryta jest substancją przypominającą wosk, która chroni roślinę przed wodą.

Naskórek

Naskórek to warstwa komórek pokrywająca tkankę liść. Jego główna funkcja- ochrona wewnętrznych tkanek liści przed odwodnieniem, uszkodzeniami mechanicznymi i infekcjami. Reguluje także proces wymiany gazowej i transpiracji.

Mezofil

Mezofil jest główną tkanką rośliny. To tutaj zachodzi proces fotosyntezy. U większości roślin mezofil dzieli się na dwie warstwy: górna to palisada, a dolna to gąbczasta.

Klatki obronne

Komórki ochronne to wyspecjalizowane komórki naskórka liści, które służą do kontrolowania wymiany gazowej. Wykonują funkcję ochronną dla aparatów szparkowych. Pory szparkowe stają się duże, gdy woda jest swobodnie dostępna, np W przeciwnym razie, komórki ochronne stają się powolne.

Por

Fotosynteza polega na przenikaniu dwutlenku węgla (CO2) z powietrza przez aparaty szparkowe do tkanki mezofilu. Tlen (O2), powstający jako produkt uboczny fotosyntezy, opuszcza roślinę przez aparaty szparkowe. Kiedy aparaty szparkowe są otwarte, woda jest tracona w wyniku parowania i musi zostać zastąpiona w strumieniu transpiracyjnym przez wodę wchłoniętą przez korzenie. Rośliny zmuszone są równoważyć ilość CO2 pochłoniętego z powietrza i utratę wody przez pory szparkowe.

Warunki wymagane do fotosyntezy

Oto warunki, jakie rośliny muszą spełnić, aby przeprowadzić proces fotosyntezy:

Dwutlenek węgla. Bezbarwny gazu ziemnego bezwonny, występujący w powietrzu i ma naukową nazwę CO2. Powstaje podczas spalania węgla i związków organicznych, a także zachodzi podczas oddychania.
Woda. Przezroczysty płyn Substancja chemiczna bezwonny i pozbawiony smaku (w normalnych warunkach).
Światło. Chociaż sztuczne światło jest również odpowiednie dla roślin, naturalne światło słoneczne zwykle tworzy Lepsze warunki do fotosyntezy, ponieważ zawiera naturalne promieniowanie ultrafioletowe, które ma pozytywny wpływ na roślinach.
Chlorofil. Jest to zielony barwnik występujący w liściach roślin.
Składniki odżywcze i minerały. Chemikalia i związki organiczne, które korzenie roślin pobierają z gleby.

Co powstaje w wyniku fotosyntezy?

Glukoza;
Tlen.

(Energia świetlna jest pokazana w nawiasach, ponieważ nie jest materią)

Notatka: Rośliny pozyskują CO2 z powietrza poprzez liście, a wodę z gleby poprzez korzenie. Energia świetlna pochodzi ze Słońca. Powstały tlen jest uwalniany do powietrza z liści. Powstałą glukozę można przekształcić w inne substancje, takie jak skrobia, która służy jako magazyn energii.

Jeśli czynniki sprzyjające fotosyntezie nie są obecne lub są obecne w niewystarczających ilościach, może to mieć negatywny wpływ na roślinę. Na przykład powstaje mniej światła korzystne warunki dla owadów zjadających liście rośliny, a brak wody spowalnia to.

Gdzie zachodzi fotosynteza?

Fotosynteza zachodzi wewnątrz komórek roślinnych, w małych plastydach zwanych chloroplastami. Chloroplasty (występujące głównie w warstwie mezofilu) zawierają zieloną substancję zwaną chlorofilem. Poniżej znajdują się inne części komórki, które współpracują z chloroplastem w celu przeprowadzenia fotosyntezy.

Struktura komórki roślinnej

Funkcje części komórek roślinnych

: zapewnia wsparcie strukturalne i mechaniczne, chroni komórki, utrwala i określa kształt komórek, kontroluje tempo i kierunek wzrostu oraz nadaje kształt roślinom.
: stanowi platformę dla większości procesy chemiczne kontrolowane przez enzymy.
: działa jak bariera kontrolująca przepływ substancji do i z komórki.
: jak opisano powyżej, zawierają chlorofil, zieloną substancję, która pochłania energię świetlną w procesie fotosyntezy.
: wnęka wewnątrz cytoplazma komórkowa, w którym gromadzi się woda.
: zawiera znak genetyczny (DNA), który kontroluje aktywność komórki.

Chlorofil pochłania energię świetlną potrzebną do fotosyntezy. Należy pamiętać, że nie wszystkie długości fal światła barwnego są pochłaniane. Rośliny absorbują przede wszystkim fale o długości czerwonej i niebieskiej - nie pochłaniają światła w zakresie zielonym.

Dwutlenek węgla podczas fotosyntezy

Rośliny pobierają dwutlenek węgla z powietrza poprzez liście. Dwutlenek węgla wycieka przez mały otwór w dolnej części liścia - aparaty szparkowe.

W dolnej części liścia znajdują się luźno rozmieszczone komórki, dzięki którym dwutlenek węgla może przedostać się do innych komórek liści. Dzięki temu tlen wytwarzany w procesie fotosyntezy z łatwością opuszcza liść.

Dwutlenek węgla występuje w powietrzu, którym oddychamy w bardzo małych stężeniach i jest niezbędnym czynnikiem w ciemnej fazie fotosyntezy.

Światło podczas fotosyntezy

Liść zwykle ma Duża powierzchnia powierzchni, dzięki czemu może pochłaniać dużo światła. Jego górna powierzchnia jest chroniona przed utratą wody, chorobami i działaniem czynników atmosferycznych przez warstwę woskową (naskórek). Górna część arkusza to miejsce, w którym pada światło. Ta warstwa mezofilu nazywa się palisadą. Jest przystosowany do wchłaniania duża ilość lekki, ponieważ zawiera dużo chloroplastów.

W fazach świetlnych proces fotosyntezy wzrasta wraz z duża ilość Swieta. Więcej cząsteczek chlorofil ulega jonizacji i powstaje więcej ATP i NADPH fotony świetlne koncentruje się na zielonym liściu. Choć światło jest niezwykle ważne w fotofazach, należy pamiętać, że jego nadmierna ilość może uszkodzić chlorofil i spowolnić proces fotosyntezy.

Fazy świetlne nie są bardzo zależne od temperatury, wody czy dwutlenku węgla, chociaż wszystkie są potrzebne do zakończenia procesu fotosyntezy.

Woda podczas fotosyntezy

Rośliny uzyskują wodę potrzebną do fotosyntezy poprzez korzenie. Oni mają włośniki które rosną w glebie. Charakterystyczne są korzenie Duża powierzchnia powierzchniach i cienkich ściankach, co umożliwia łatwy przepływ wody.

Zdjęcie przedstawia rośliny i ich komórki z wystarczającą ilością wody (po lewej) i jej brakiem (po prawej).

Notatka: Komórki korzeni nie zawierają chloroplastów, ponieważ zwykle znajdują się w ciemności i nie mogą przeprowadzać fotosyntezy.

Jeśli roślina nie pobiera wystarczającej ilości wody, więdnie. Bez wody roślina nie będzie w stanie wystarczająco szybko przeprowadzić fotosyntezy i może nawet umrzeć.

Jakie znaczenie dla roślin ma woda?

Dostarcza rozpuszczonych minerałów, które wspierają zdrowie roślin;
Jest środkiem transportu;
Utrzymuje stabilność i pionowość;
Chłodzi i nasyca wilgocią;
Umożliwia przeprowadzanie różnych reakcji chemicznych w komórkach roślinnych.

Znaczenie fotosyntezy w przyrodzie

Biochemiczny proces fotosyntezy wykorzystuje energię słoneczną do przekształcenia wody i dwutlenku węgla w tlen i glukozę. Glukoza jest wykorzystywana jako budulec w roślinach do wzrostu tkanek. Zatem fotosynteza jest metodą tworzenia korzeni, łodyg, liści, kwiatów i owoców. Bez procesu fotosyntezy rośliny nie będą mogły rosnąć ani rozmnażać się.

Producenci

Ze względu na swoje zdolności fotosyntetyczne rośliny są znane jako producenci i stanowią podstawę prawie każdego łańcuch pokarmowy na ziemi. (Algi są odpowiednikiem roślin). Cała żywność, którą jemy, pochodzi od organizmów fotosyntetyzujących. Jemy te rośliny bezpośrednio lub jemy zwierzęta, takie jak krowy lub świnie, które spożywają pokarmy roślinne.

Podstawa łańcucha pokarmowego

W systemach wodnych rośliny i glony również stanowią podstawę łańcucha pokarmowego. Glony służą jako pokarm dla, które z kolei stanowią źródło pożywienia dla większych organizmów. Bez fotosyntezy w środowisko wodneżycie byłoby niemożliwe.

Usuwanie dwutlenku węgla

Fotosynteza przekształca dwutlenek węgla w tlen. Podczas fotosyntezy dwutlenek węgla z atmosfery przedostaje się do rośliny, a następnie jest uwalniany w postaci tlenu. W dzisiejszym świecie, w którym poziom dwutlenku węgla rośnie w zastraszającym tempie, każdy proces usuwający dwutlenek węgla z atmosfery jest ważny dla środowiska.

wir składniki odżywcze

Rośliny i inne organizmy fotosyntetyzujące odgrywają istotną rolę w obiegu składników odżywczych. Azot w powietrzu wiąże się w tkance roślinnej i staje się dostępny do tworzenia białek. Do mikroelementów znajdujących się w glebie można zaliczyć także m.in tkanka roślinna i stają się dostępne dla roślinożerców znajdujących się na dalszych etapach łańcucha pokarmowego.

Zależność fotosyntetyczna

Fotosynteza zależy od intensywności i jakości światła. Na równiku, gdzie przez cały rok jest dużo światła słonecznego, a woda nie jest czynnikiem ograniczającym, rośliny tak mają wysokie stawki rośnie i może osiągnąć naprawdę duże rozmiary. I odwrotnie, fotosynteza zachodzi rzadziej w głębszych partiach oceanu, ponieważ światło nie przenika przez te warstwy, co skutkuje bardziej jałowym ekosystemem.