quang hợp là tập hợp các quá trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ từ các hợp chất vô cơ nhờ sự chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng liên kết hóa học. Các sinh vật quang dưỡng bao gồm thực vật xanh, một số sinh vật nhân sơ - vi khuẩn lam, vi khuẩn lưu huỳnh màu tím và xanh lục, và các loài trùng roi thực vật.
Nghiên cứu về quá trình quang hợp bắt đầu vào nửa sau của thế kỷ 18. Khám phá quan trọngđược thực hiện bởi nhà khoa học xuất sắc người Nga K. A. Timiryazev, người đã chứng minh học thuyết về vai trò vũ trụ của cây xanh. Thực vật hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng của các liên kết hóa học của các hợp chất hữu cơ do chúng tổng hợp. Vì vậy, chúng đảm bảo cho việc bảo tồn và phát triển sự sống trên Trái đất. Nhà khoa học cũng đã chứng minh về mặt lý thuyết và chứng minh bằng thực nghiệm vai trò của diệp lục trong việc hấp thụ ánh sáng trong quá trình quang hợp.
Chất diệp lục là sắc tố quang hợp chính. Chúng có cấu trúc tương tự như huyết sắc tố nhưng chứa magiê thay vì sắt. Hàm lượng sắt cần thiết để đảm bảo quá trình tổng hợp các phân tử diệp lục. Có một số chất diệp lục có đặc điểm khác nhau cấu trúc hóa học. Bắt buộc đối với tất cả các sinh vật quang dưỡng là diệp lục a . chất diệp lụcb tìm thấy ở cây xanh diệp lục c - trong tảo cát và tảo nâu. Chất diệp lục d đặc trưng của tảo đỏ.
Vi khuẩn quang hợp xanh và tím có đặc tính đặc biệt vi khuẩn diệp lục . Quang hợp của vi khuẩn có nhiều điểm chung với quang hợp của thực vật. Nó khác ở chỗ ở vi khuẩn chất cho hydro là hydrogen sulfide, còn ở thực vật là nước. Vi khuẩn xanh và tím không có hệ thống quang hóa II. Quá trình quang hợp của vi khuẩn không đi kèm với việc giải phóng oxy. Phương trình tổng quát của quá trình quang hợp của vi khuẩn là:
6C0 2 + 12H 2 S → C 6 H 12 O 6 + 12S + 6H 2 0.
Quang hợp dựa trên quá trình oxy hóa khử. Nó liên quan đến việc chuyển electron từ các hợp chất cung cấp điện tử cho các hợp chất chấp nhận chúng - chất nhận. Năng lượng ánh sáng được chuyển hóa thành năng lượng của các hợp chất hữu cơ tổng hợp (cacbonhydrat).
Có những cấu trúc đặc biệt trên màng lục lạp - trung tâm phản ứng có chứa chất diệp lục. Ở thực vật xanh và vi khuẩn lam, có hai loại hệ thống ảnh – đầu tiên (tôi) Và thứ hai (II) , có các trung tâm phản ứng khác nhau và được kết nối với nhau thông qua hệ thống chuyển điện tử.
Hai giai đoạn quang hợp
Quá trình quang hợp bao gồm hai giai đoạn: ánh sáng và bóng tối.
Chỉ xảy ra khi có ánh sáng trên màng trong của ty thể trong màng của các cấu trúc đặc biệt - thylakoid . Các sắc tố quang hợp thu giữ lượng tử ánh sáng (photon). Điều này dẫn đến sự “kích thích” của một trong các electron của phân tử diệp lục. Với sự trợ giúp của các phân tử mang, electron di chuyển ra bề mặt ngoài của màng thylakoid, thu được một thế năng nhất định.
Điện tử này ở hệ thống ảnh tôi có thể trở lại với anh ấy mức năng lượng và khôi phục nó. NADP (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) cũng có thể được truyền đi. Bằng cách tương tác với các ion hydro, các electron sẽ khôi phục hợp chất này. NADP khử (NADP H) cung cấp hydro để khử CO 2 trong khí quyển thành glucose.
Các quá trình tương tự xảy ra ở hệ thống ảnh II . Các electron bị kích thích có thể được chuyển sang hệ thống ảnh I và khôi phục nó. Sự phục hồi của hệ thống ảnh II xảy ra do các electron được cung cấp bởi các phân tử nước. Phân tử nước bị phân chia (quang phân nước) thành các proton hydro và oxy phân tử, được giải phóng vào khí quyển. Các electron được sử dụng để khôi phục hệ thống quang điện II. Phương trình quang phân nước:
2Н 2 0 → 4Н + + 0 2 + 2е.
Khi các electron từ bề mặt ngoài của màng thylakoid quay trở lại mức năng lượng trước đó, năng lượng sẽ được giải phóng. Nó được lưu trữ dưới dạng liên kết hóa học của các phân tử ATP, được tổng hợp trong các phản ứng ở cả hai hệ thống ảnh. Quá trình tổng hợp ATP với ADP và axit photphoric được gọi là quá trình photpho hóa . Một phần năng lượng được sử dụng để làm bay hơi nước.
Trong pha sáng của quá trình quang hợp, các hợp chất giàu năng lượng được hình thành: ATP và NADP H. Trong quá trình phân hủy (quang phân) của các phân tử nước, oxy phân tử được giải phóng vào khí quyển.
Các phản ứng xảy ra ở môi trường nội bộ lục lạp. Chúng có thể xảy ra cả khi có và không có ánh sáng. Các chất hữu cơ được tổng hợp (C0 2 bị khử thành glucose) bằng cách sử dụng năng lượng được hình thành ở pha sáng.
Quá trình phục hồi khí cacbonic có tính tuần hoàn và được gọi là Chu trình Calvin . Được đặt theo tên của nhà nghiên cứu người Mỹ M. Calvin, người đã phát hiện ra quá trình tuần hoàn này.
Chu trình bắt đầu bằng phản ứng của carbon dioxide trong khí quyển với ribulose biphosphate. Quá trình này được xúc tác bởi enzyme cacboxylaza . Ribulose biphosphate là một loại đường có 5 carbon kết hợp với hai đơn vị axit photphoric. Đang xảy ra cả một loạt biến đổi hóa học, mỗi trong số đó xúc tác enzyme cụ thể của riêng mình. Sản phẩm cuối cùng của quá trình quang hợp được hình thành như thế nào? đường glucoza , và ribulose biphosphate cũng bị giảm.
Phương trình tổng quát của quá trình quang hợp là:
6C0 2 + 6H 2 0 → C 6 H 12 O 6 + 60 2
Nhờ quá trình quang hợp, năng lượng ánh sáng từ Mặt trời được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng của các liên kết hóa học của carbohydrate tổng hợp được. Năng lượng được truyền qua chuỗi thức ăn đến các sinh vật dị dưỡng. Trong quá trình quang hợp, carbon dioxide được hấp thụ và oxy được giải phóng. Tất cả oxy khí quyển có nguồn gốc quang hợp. Hơn 200 tỷ tấn oxy tự do được thải ra hàng năm. Oxy bảo vệ sự sống trên Trái đất khỏi bức xạ cực tím bằng cách tạo ra lá chắn ozone trong khí quyển.
Quá trình quang hợp không hiệu quả vì chỉ có 1-2% được chuyển hóa thành chất hữu cơ tổng hợp. năng lượng mặt trời. Điều này là do thực vật không hấp thụ đủ ánh sáng, một phần bị khí quyển hấp thụ, v.v. Phần lớn ánh sáng mặt trời bị phản xạ từ bề mặt Trái đất trở lại không gian.
- tổng hợp chất hữu cơ từ carbon dioxide và nước với việc sử dụng năng lượng ánh sáng bắt buộc:
6CO 2 + 6H 2 O + Q sáng → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.
bạn thực vật bậc cao cơ quan quang hợp là lá, bào quan quang hợp là lục lạp (cấu tạo của lục lạp - bài giảng số 7). Màng thylakoid lục lạp chứa các sắc tố quang hợp: diệp lục và carotenoid. Có một số các loại khác nhau diệp lục ( a, b, c, d), chất chính là diệp lục Một. Trong phân tử diệp lục, có thể phân biệt được “đầu” porphyrin với nguyên tử magie ở trung tâm và “đuôi” phytol. “Đầu” porphyrin là một cấu trúc phẳng, ưa nước và do đó nằm trên bề mặt của màng đối diện với môi trường nước chất nền. “Đuôi” phytol có tính kỵ nước và do đó giữ lại phân tử chất diệp lục trong màng.
Chất diệp lục hấp thụ ánh sáng đỏ và xanh tím, phản chiếu ánh sáng xanh lục và do đó tạo cho cây có màu xanh đặc trưng. Các phân tử diệp lục trong màng thylakoid được tổ chức thành hệ thống ảnh. Thực vật và tảo xanh lam có hệ thống ảnh-1 và hệ thống ảnh-2, còn vi khuẩn quang hợp có hệ thống ảnh-1. Chỉ hệ thống ảnh-2 mới có thể phân hủy nước để giải phóng oxy và lấy electron từ hydro của nước.
Quang hợp là một quá trình phức tạp gồm nhiều bước; Phản ứng quang hợp được chia thành hai nhóm: phản ứng pha sáng và phản ứng pha tối.
Pha sáng
Pha này chỉ xảy ra khi có ánh sáng ở màng thylakoid với sự tham gia của diệp lục, protein vận chuyển điện tử và enzyme ATP synthetase. Dưới tác dụng của một lượng tử ánh sáng, các electron của diệp lục bị kích thích, rời khỏi phân tử và đi vào ngoài màng thylakoid, cuối cùng trở nên tích điện âm. Các phân tử diệp lục bị oxy hóa bị khử, lấy electron từ nước nằm trong không gian nội bào. Điều này dẫn đến sự phân hủy hoặc quang phân của nước:
Ánh sáng H 2 O + Q → H + + OH - .
Các ion hydroxyl nhường electron, trở thành gốc phản ứng.OH:
OH - → .OH + e - .
Các gốc OH kết hợp tạo thành nước và oxy tự do:
4KHÔNG. → 2H 2 O + O 2.
Oxy được loại bỏ trong quá trình này môi trường bên ngoài và các proton tích lũy bên trong thylakoid trong một “bể chứa proton”. Kết quả là màng thylakoid một mặt tích điện dương do H +, mặt khác do các electron tích điện âm. Khi sự khác biệt tiềm năng giữa bên ngoài và bên trong màng thylakoid đạt 200 mV, proton được đẩy qua kênh ATP synthetase và ADP bị phosphoryl hóa thành ATP; Hydro nguyên tử được sử dụng để khôi phục chất mang đặc hiệu NADP+ (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) thành NADPH 2:
2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.
Do đó, trong pha sáng, quá trình quang phân nước xảy ra kèm theo ba các quá trình quan trọng nhất: 1) Tổng hợp ATP; 2) sự hình thành NADPH 2; 3) sự hình thành oxy. Oxy khuếch tán vào khí quyển, ATP và NADPH 2 được vận chuyển vào chất nền của lục lạp và tham gia vào các quá trình của pha tối.
1 - chất nền lục lạp; 2 - grana thylakoid.
Pha tối
Giai đoạn này xảy ra trong chất nền của lục lạp. Phản ứng của nó không cần năng lượng ánh sáng nên chúng không chỉ xảy ra trong ánh sáng mà còn xảy ra trong bóng tối. Các phản ứng pha tối là một chuỗi những biến đổi liên tiếp carbon dioxide (đến từ không khí), dẫn đến sự hình thành glucose và các chất hữu cơ khác.
Phản ứng đầu tiên trong chuỗi này là sự cố định carbon dioxide; Chất nhận carbon dioxide là đường có 5 carbon. ribulose biphosphate(RiBF); enzyme xúc tác cho phản ứng Ribulose biphosphate carboxylase(RiBP carboxylase). Kết quả của quá trình carboxyl hóa ribulose bisphosphate, một hợp chất sáu carbon không ổn định được hình thành, ngay lập tức bị phân hủy thành hai phân tử axit photphoglyceric(FGK). Sau đó, một chu trình phản ứng xảy ra trong đó axit photphoglyceric được chuyển hóa thông qua một loạt chất trung gian thành glucose. Các phản ứng này sử dụng năng lượng ATP và NADPH 2 hình thành ở pha sáng; Chu trình của những phản ứng này được gọi là “chu trình Calvin”:
6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.
Ngoài glucose, các monome khác của các hợp chất hữu cơ phức tạp được hình thành trong quá trình quang hợp - axit amin, glycerol và axit béo, nucleotide. Hiện nay có 2 hình thức quang hợp là quang hợp C 3 và quang hợp C 4.
C 3-quang hợp
Đây là hình thức quang hợp trong đó sản phẩm đầu tiên là hợp chất ba cacbon (C3). Quang hợp C 3 được phát hiện trước quang hợp C 4 (M. Calvin). Đó là quá trình quang hợp C 3 được mô tả ở trên, dưới tiêu đề “Giai đoạn tối”. Đặc trưng C 3-quang hợp: 1) chất nhận carbon dioxide là RiBP, 2) phản ứng carboxyl hóa RiBP được xúc tác bởi RiBP carboxylase, 3) là kết quả của quá trình carboxyl hóa RiBP, một hợp chất sáu carbon được hình thành, phân hủy thành hai PGA . FGK được khôi phục thành triose photphat(TF). Một phần TF được sử dụng để tái tạo RiBP và một phần được chuyển hóa thành glucose.
1 - lục lạp; 2 - peroxisome; 3 - ty thể.
Đây là sự hấp thụ oxy và giải phóng carbon dioxide phụ thuộc vào ánh sáng. Vào đầu thế kỷ trước, người ta đã xác định rằng oxy ngăn cản quá trình quang hợp. Hóa ra, đối với RiBP carboxylase, chất nền không chỉ có thể là carbon dioxide mà còn có thể là oxy:
O 2 + RiBP → phosphoglycolat (2C) + PGA (3C).
Enzim này có tên là RiBP oxyase. Oxy là chất ức chế cạnh tranh trong quá trình cố định carbon dioxide. Nhóm photphat bị tách ra và phosphoglycolate trở thành glycolate mà cây phải sử dụng. Nó đi vào peroxisomes và bị oxy hóa thành glycine. Glycine đi vào ty thể, nơi nó bị oxy hóa thành serine, làm mất đi lượng carbon đã cố định dưới dạng CO 2. Kết quả là hai phân tử glycolate (2C + 2C) được chuyển đổi thành một PGA (3C) và CO 2. Sự quang hô hấp dẫn đến giảm năng suất của cây C3 từ 30-40% ( Với 3 cây- thực vật có đặc điểm quang hợp C 3).
Quang hợp C 4 là quá trình quang hợp trong đó sản phẩm đầu tiên là các hợp chất bốn cacbon (C 4). Năm 1965, người ta phát hiện ra rằng ở một số thực vật (mía, ngô, lúa miến, kê) sản phẩm đầu tiên của quá trình quang hợp là axit bốn cacbon. Những cây này được gọi là Với 4 cây. Năm 1966, các nhà khoa học Úc Hatch và Slack đã chứng minh rằng thực vật C4 hầu như không có quá trình hô hấp ánh sáng và hấp thụ carbon dioxide hiệu quả hơn nhiều. Con đường chuyển hóa cacbon ở thực vật C 4 bắt đầu được gọi là bởi Hatch-Slack.
Thực vật C 4 được đặc trưng bởi cấu trúc giải phẫu đặc biệt của lá. Tất cả các bó mạch đều được bao quanh bởi một lớp tế bào kép: lớp ngoài là tế bào trung mô, lớp trong là tế bào vỏ. Carbon dioxide được cố định trong tế bào chất của tế bào trung diệp, chất nhận là photphoenolpyruvat(PEP, 3C), do quá trình carboxyl hóa PEP, oxaloacetate (4C) được hình thành. Quá trình này được xúc tác cacboxylase PEP. Không giống như RiBP carboxylase, PEP carboxylase có ái lực lớn hơn với CO 2 và quan trọng nhất là không tương tác với O 2. Lục lạp trung mô có nhiều hạt nơi phản ứng pha sáng diễn ra tích cực. Phản ứng pha tối xảy ra trong lục lạp của tế bào vỏ.
Oxaloacetate (4C) được chuyển đổi thành malate, được vận chuyển qua plasmodesmata vào tế bào vỏ. Ở đây nó được khử carboxyl và khử hydro để tạo thành pyruvate, CO 2 và NADPH 2 .
Pyruvate quay trở lại tế bào trung mô và được tái tạo bằng năng lượng ATP trong PEP. CO 2 lại được cố định bởi RiBP carboxylase để tạo thành PGA. Quá trình tái tạo PEP cần năng lượng ATP nên cần năng lượng gần gấp đôi so với quá trình quang hợp C 3.
Ý nghĩa của quang hợp
Nhờ quá trình quang hợp, hàng tỷ tấn carbon dioxide được hấp thụ từ khí quyển mỗi năm và hàng tỷ tấn oxy được thải ra; quang hợp là nguồn chính của sự hình thành các chất hữu cơ. Nó được hình thành từ oxy tầng ozone, bảo vệ các sinh vật sống khỏi bức xạ cực tím sóng ngắn.
Trong quá trình quang hợp, một chiếc lá xanh chỉ sử dụng khoảng 1% năng lượng mặt trời chiếu vào nó; năng suất là khoảng 1 g chất hữu cơ trên 1 m2 bề mặt mỗi giờ.
Hóa tổng hợp
Sự tổng hợp các hợp chất hữu cơ từ carbon dioxide và nước, được thực hiện không phải bằng năng lượng ánh sáng mà bằng năng lượng oxy hóa các chất vô cơ, được gọi là tổng hợp hóa học. Các sinh vật tổng hợp hóa học bao gồm một số loại vi khuẩn.
Vi khuẩn nitrat hóa oxy hóa amoniac thành nitơ, sau đó thành axit nitric(NH 3 → HNO 2 → HNO 3).
Vi khuẩn sắt chuyển hóa sắt đen thành sắt oxit (Fe 2+ → Fe 3+).
Vi khuẩn lưu huỳnh oxy hóa hydro sunfua thành lưu huỳnh hoặc axit sunfuric (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).
Kết quả của phản ứng oxy hóa các chất vô cơ, năng lượng được giải phóng, được vi khuẩn lưu trữ dưới dạng liên kết ATP năng lượng cao. ATP được sử dụng để tổng hợp các chất hữu cơ, diễn ra tương tự như các phản ứng trong pha tối của quá trình quang hợp.
Vi khuẩn tổng hợp hóa học góp phần tích tụ trong đất khoáng sản, cải thiện độ phì của đất, thúc đẩy xử lý nước thải, v.v.
đi đến bài giảng số 11“Khái niệm về trao đổi chất. Sinh tổng hợp protein"
đi đến bài giảng số 13“Các phương pháp phân chia của tế bào nhân chuẩn: nguyên phân, giảm phân, amitosis”
Quang hợp bao gồm hai giai đoạn - ánh sáng và bóng tối.
Trong pha sáng, các lượng tử ánh sáng (photon) tương tác với các phân tử diệp lục, do đó các phân tử này rất thời gian ngắn chuyển sang trạng thái “kích thích” giàu năng lượng hơn. Năng lượng dư thừa của một số phân tử “bị kích thích” sau đó được chuyển thành nhiệt hoặc phát ra dưới dạng ánh sáng. Một phần khác của nó được chuyển thành các ion hydro, luôn có mặt trong dung dịch nước do sự phân ly nước. Các nguyên tử hydro thu được liên kết lỏng lẻo với phân tử hữu cơ- chất mang hydro. Các ion hydroxit "OH" nhường electron của chúng cho các phân tử khác và biến thành gốc tự do OH. Các gốc OH tương tác với nhau dẫn đến hình thành nước và oxy phân tử:
4OH = O2 + 2H2O Như vậy, nguồn oxy phân tử được hình thành trong quá trình quang hợp và thải vào khí quyển là quá trình quang phân - quá trình phân hủy nước dưới tác động của ánh sáng. Ngoài quá trình quang phân nước, năng lượng bức xạ mặt trờiđược sử dụng trong pha sáng để tổng hợp ATP, ADP và photphat mà không có sự tham gia của oxy. Điều này rất quy trình hiệu quả: lục lạp tạo ra ATP nhiều hơn 30 lần so với ty thể của cùng loại thực vật có sự tham gia của oxy. Bằng cách này, năng lượng cần thiết cho các quá trình trong pha tối của quang hợp được tích lũy.
Trong khu phức hợp phản ứng hóa học pha tối, không cần ánh sáng, vị trí quan trọng chiếm liên kết của CO2. Những phản ứng này liên quan đến các phân tử ATP được tổng hợp trong pha sáng và các nguyên tử hydro được hình thành trong quá trình quang phân nước và liên kết với các phân tử mang:
6СО2 + 24Н - » С6Н12О6 + 6НО
Đây là cách năng lượng của ánh sáng mặt trời được chuyển hóa thành năng lượng của các liên kết hóa học của các hợp chất hữu cơ phức tạp.
87. Tầm quan trọng của quá trình quang hợp đối với thực vật và đối với hành tinh.
Quang hợp là nguồn năng lượng sinh học chính; sinh vật tự dưỡng quang hợp sử dụng nó để tổng hợp các chất hữu cơ từ các chất vô cơ; sinh vật dị dưỡng tồn tại nhờ năng lượng được lưu trữ bởi sinh vật tự dưỡng dưới dạng liên kết hóa học, giải phóng nó trong quá trình hô hấp và lên men. Năng lượng con người thu được bằng cách đốt nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí tự nhiên, than bùn) cũng được lưu trữ trong quá trình quang hợp.
Quang hợp là đầu vào chính cacbon vô cơ vào chu trình sinh học. Tất cả oxy tự do trong khí quyển đều có nguồn gốc sinh học và là sản phẩm phụ của quá trình quang hợp. Sự hình thành không khí oxy hóa ( thảm họa oxy) đã thay đổi hoàn toàn trạng thái bề mặt trái đất, làm có thể xuất hiện thở, và sau đó, sau khi tầng ozone hình thành, đã cho phép sự sống đến được đất liền. Quá trình quang hợp là cơ sở dinh dưỡng cho mọi sinh vật, đồng thời cung cấp cho nhân loại nhiên liệu (gỗ, than, dầu), chất xơ (cellulose) và vô số chất hữu ích. hợp chất hóa học. Khoảng 90-95% trọng lượng khô của cây trồng được hình thành từ carbon dioxide và nước kết hợp từ không khí trong quá trình quang hợp. 5-10% còn lại đến từ muối khoáng và nitơ thu được từ đất.
Con người sử dụng khoảng 7% sản phẩm quang hợp làm thực phẩm, thức ăn chăn nuôi, nhiên liệu và vật liệu xây dựng.
Quang hợp, một trong những quá trình phổ biến nhất trên Trái đất, gây ra chu kỳ tự nhiên carbon, oxy và các nguyên tố khác, đồng thời cung cấp cơ sở vật chất và năng lượng cho sự sống trên hành tinh của chúng ta. Quang hợp là nguồn oxy duy nhất trong khí quyển.
Quang hợp là một trong những quá trình phổ biến nhất trên Trái đất; nó quyết định chu trình của cacbon, O2 và các nguyên tố khác trong tự nhiên. Nó tạo thành cơ sở vật chất và năng lượng của mọi sự sống trên hành tinh. Hàng năm, do quá trình quang hợp, khoảng 8 × 1010 tấn carbon được liên kết dưới dạng chất hữu cơ và có tới 1011 tấn cellulose được hình thành. Nhờ quang hợp, thực vật trên cạn tạo ra khoảng 1,8 1011 tấn sinh khối khô mỗi năm; lượng sinh khối thực vật tương đương được hình thành hàng năm ở các đại dương. Rừng mưađóng góp tới 29% vào tổng sản lượng quang hợp của đất, trong đó đóng góp của các loại rừng là 68%. Quang hợp của thực vật bậc cao và tảo là nguồn cung cấp O2 duy nhất cho khí quyển. Sự xuất hiện trên Trái đất khoảng 2,8 tỷ năm trước cơ chế oxy hóa nước với sự hình thành O2 là sự kiện quan trọng nhất V. tiến hóa sinh học, khiến ánh sáng Mặt trời trở thành nguồn năng lượng tự do chính trong sinh quyển và nước trở thành nguồn hydro gần như vô hạn để tổng hợp các chất trong cơ thể sống. Kết quả là một bầu không khí thành phần hiện đại, O2 trở nên sẵn có cho quá trình oxy hóa thực phẩm và điều này dẫn đến sự xuất hiện của các sinh vật dị dưỡng có tổ chức cao (sử dụng các chất hữu cơ ngoại sinh làm nguồn carbon). Tổng lượng dự trữ năng lượng bức xạ mặt trời dưới dạng sản phẩm quang hợp là khoảng 1,6 1021 kJ mỗi năm, cao gấp khoảng 10 lần so với mức tiêu thụ năng lượng hiện đại của nhân loại. Khoảng một nửa năng lượng bức xạ mặt trời đến từ vùng nhìn thấy được quang phổ (bước sóng l từ 400 đến 700 nm), được sử dụng cho quá trình quang hợp (bức xạ hoạt động sinh lý, hay PAR). Bức xạ hồng ngoại không thích hợp cho quá trình quang hợp của các sinh vật tạo ra oxy (thực vật bậc cao và tảo), nhưng được một số vi khuẩn quang hợp sử dụng.
Khám phá quá trình tổng hợp hóa học của S.N. Đặc điểm của quá trình.
Tổng hợp hóa học là quá trình tổng hợp các chất hữu cơ từ carbon dioxide, xảy ra do năng lượng được giải phóng trong quá trình oxy hóa amoniac, hydro sunfua và các chất khác hóa chất, trong quá trình sống của vi sinh vật. Tổng hợp hóa học còn có một tên khác - cheolithoautotrophy. Việc phát hiện ra quá trình tổng hợp hóa học của S. N. Vinogradovsky vào năm 1887 đã thay đổi hoàn toàn sự hiểu biết của khoa học về các loại trao đổi chất cơ bản đối với các sinh vật sống. Tổng hợp hóa học là loại dinh dưỡng duy nhất cho nhiều vi sinh vật, vì chúng có thể đồng hóa carbon dioxide làm nguồn carbon duy nhất. Không giống như quang hợp, quá trình tổng hợp hóa học sử dụng năng lượng được tạo ra từ phản ứng oxi hóa khử thay vì năng lượng ánh sáng.
Năng lượng này phải đủ để tổng hợp axit adenosine triphosphoric (ATP) và lượng của nó phải vượt quá 10 kcal/mol. Một số chất bị oxy hóa tặng electron của chúng cho chuỗi đã ở cấp độ cytochrome, và do đó tiêu thụ năng lượng bổ sung được tạo ra để tổng hợp chất khử. Trong quá trình tổng hợp hóa học, quá trình sinh tổng hợp các hợp chất hữu cơ xảy ra do sự đồng hóa tự dưỡng của carbon dioxide, nghĩa là giống hệt như trong quá trình quang hợp. Là kết quả của sự chuyển điện tử dọc theo chuỗi enzyme hô hấp của vi khuẩn, được tích hợp trong màng tế bào, năng lượng thu được dưới dạng ATP. Do tiêu thụ năng lượng rất cao, tất cả các vi khuẩn tổng hợp hóa học, ngoại trừ hydro, tạo thành một lượng sinh khối khá nhỏ, nhưng đồng thời chúng oxy hóa một khối lượng lớn các chất vô cơ. Vi khuẩn hydro được các nhà khoa học sử dụng để sản xuất protein và làm sạch khí quyển khỏi carbon dioxide, đặc biệt cần thiết trong môi trường khép kín hệ sinh thái. Có rất nhiều loại vi khuẩn hóa tổng hợp, chúng hầu hết thuộc về pseudomonads, chúng cũng được tìm thấy trong số các vi khuẩn dạng sợi và vi khuẩn vừa chớm nở, leptospira, spirillum và corynebacteria.
Ví dụ về việc sử dụng quá trình tổng hợp hóa học ở sinh vật nhân sơ.
Bản chất của quá trình tổng hợp hóa học (một quá trình được phát hiện bởi nhà nghiên cứu người Nga Sergei Nikolaevich Vinogradsky) là sự sản xuất năng lượng của cơ thể thông qua các phản ứng oxi hóa khử do chính cơ thể thực hiện với các chất đơn giản (vô cơ). Ví dụ về các phản ứng như vậy bao gồm quá trình oxy hóa amoni thành nitrit, hoặc sắt màu thành hóa trị ba, hydro sunfua thành lưu huỳnh, v.v. Chỉ có khả năng tổng hợp hóa học một số nhóm nhất định sinh vật nhân sơ (vi khuẩn ở theo nghĩa rộng từ). Do quá trình tổng hợp hóa học, hiện nay chỉ tồn tại hệ sinh thái của một số địa điểm thủy nhiệt (những nơi dưới đáy đại dương nơi có các luồng nhiệt nóng thoát ra). nước ngầm, giàu chất khử - hydro, hydro sunfua, sắt sunfua, v.v.), cũng như các hệ sinh thái cực kỳ đơn giản, chỉ bao gồm vi khuẩn, được tìm thấy ở độ sâu lớn trong các đứt gãy đá trên đất liền.
Vi khuẩn có khả năng tổng hợp hóa học và tiêu diệt đá, lau dọn nước thải, tham gia vào quá trình hình thành khoáng chất.
Lịch sử phát hiện ra một hiện tượng đáng kinh ngạc và cực kỳ quan trọng như quang hợp có nguồn gốc sâu xa từ quá khứ. Hơn bốn thế kỷ trước, vào năm 1600, nhà khoa học người Bỉ Jan Van Helmont đã thực hiện một thí nghiệm đơn giản. Ông đặt một cành liễu vào một chiếc túi chứa 80 kg đất. Nhà khoa học đã ghi lại trọng lượng ban đầu của cây liễu, sau đó tưới cây hoàn toàn bằng nước mưa trong 5 năm. Hãy tưởng tượng sự ngạc nhiên của Jan Van Helmont khi ông cân lại cây liễu. Trọng lượng của cây tăng thêm 65 kg và khối lượng trái đất chỉ giảm 50 gam! Cây lấy ở đâu 64 kg 950 g chất dinh dưỡng vẫn còn là một bí ẩn đối với các nhà khoa học!
Thí nghiệm quan trọng tiếp theo trên con đường khám phá ra quang hợp thuộc về nhà hóa học người Anh Joseph Priestley. Nhà khoa học đặt một con chuột dưới mui xe, và năm giờ sau con chuột chết. Khi Priestley đặt một nhánh bạc hà lên con chuột và cũng đội mũ lên con chuột, con chuột vẫn còn sống. Thí nghiệm này khiến nhà khoa học nảy ra ý tưởng rằng có một quá trình ngược lại với hơi thở. Jan Ingenhouse vào năm 1779 đã khẳng định rằng chỉ những phần xanh của thực vật mới có khả năng giải phóng oxy. Ba năm sau, nhà khoa học Thụy Sĩ Jean Senebier đã chứng minh rằng carbon dioxide, dưới tác dụng của tia nắng, phân hủy trong các bào quan của cây xanh. Chỉ 5 năm sau, nhà khoa học người Pháp Jacques Boussingault, tiến hành xét nghiệm trong phòng thí nghiệm, phát hiện ra rằng sự hấp thụ nước của thực vật cũng xảy ra trong quá trình tổng hợp các chất hữu cơ. Khám phá mang tính lịch sử này được thực hiện vào năm 1864 bởi nhà thực vật học người Đức Julius Sachs. Ông đã có thể chứng minh rằng lượng carbon dioxide tiêu thụ và lượng oxy giải phóng xảy ra theo tỷ lệ 1:1.
Quang hợp là một trong những quá trình sinh học quan trọng nhất
Nói ngôn ngữ khoa học, quang hợp (từ tiếng Hy Lạp cổ φῶς - ánh sáng và σύνθεσις - kết nối, liên kết) là một quá trình trong đó các chất hữu cơ được hình thành từ carbon dioxide và nước trong ánh sáng. Vai trò chính trong quá trình này thuộc về các phân đoạn quang hợp.
Nói một cách hình tượng, một chiếc lá cây có thể được so sánh với một phòng thí nghiệm có cửa sổ hướng về phía nắng. Chính trong đó xảy ra sự hình thành các chất hữu cơ. Quá trình này là cơ sở cho sự tồn tại của mọi sự sống trên Trái đất.
Nhiều người sẽ đặt câu hỏi một cách hợp lý: những người sống ở thành phố thở bằng gì, nơi mà bạn thậm chí không thể tìm thấy một cái cây hay một ngọn cỏ vào ban ngày có lửa? Câu trả lời rất đơn giản. Thực tế là cổ phần cây đất chỉ chiếm 20% lượng oxy do thực vật thải ra. Vai trò chủ đạo trong việc sản xuất oxy vào khí quyển là do rong biển. Chúng chiếm 80% lượng oxy được tạo ra. Nói theo ngôn ngữ của những con số, cả thực vật và tảo hàng năm thải ra 145 tỷ tấn (!) oxy vào khí quyển! Không phải tự nhiên mà các đại dương trên thế giới được gọi là “lá phổi của hành tinh”.
Công thức tổng quát quang hợp trông giống như như sau:
Nước + Carbon dioxide + Ánh sáng → Carbohydrate + Oxy
Tại sao thực vật cần quang hợp?
Như chúng ta đã biết, quang hợp là điều kiện cần thiết sự tồn tại của con người trên Trái Đất. Tuy nhiên, đây không phải là lý do duy nhất khiến các sinh vật quang hợp tích cực sản xuất oxy vào khí quyển. Thực tế là cả tảo và thực vật hàng năm đều hình thành hơn 100 tỷ chất hữu cơ (!), tạo thành nền tảng cho hoạt động sống của chúng. Nhớ lại thí nghiệm của Jan Van Helmont, chúng ta hiểu rằng quang hợp là cơ sở của dinh dưỡng thực vật. Người ta đã chứng minh một cách khoa học rằng 95% thu hoạch được quyết định bởi các chất hữu cơ mà cây thu được trong quá trình quang hợp và 5% là do phân khoáng mà người làm vườn bón vào đất.
Cư dân mùa hè hiện đại chủ yếu chú ý đến dinh dưỡng trong đất của cây mà quên đi dinh dưỡng không khí của nó. Người ta không biết người làm vườn có thể thu hoạch được loại thu hoạch nào nếu họ cẩn thận trong quá trình quang hợp.
Tuy nhiên, cả thực vật và tảo đều không thể sản xuất oxy và carbohydrate một cách tích cực như vậy nếu chúng không có sắc tố xanh tuyệt vời - chất diệp lục.
Bí ẩn của sắc tố xanh
Sự khác biệt chính giữa tế bào thực vật và tế bào của các sinh vật sống khác là sự hiện diện của chất diệp lục. Nhân tiện, chính anh ta là người chịu trách nhiệm về việc lá cây có màu sắc chính xác màu xanh lá. Nó phức tạp hợp chất hữu cơ có một tài sản tuyệt vời: có khả năng hấp thụ Ánh sáng mặt trời! Nhờ chất diệp lục, quá trình quang hợp cũng trở nên khả thi.
Hai giai đoạn quang hợp
Nói bằng ngôn ngữ đơn giản, quang hợp là một quá trình trong đó nước và carbon dioxide được cây hấp thụ dưới ánh sáng với sự trợ giúp của chất diệp lục tạo thành đường và oxy. Như vậy, chất vô cơ biến đổi một cách kỳ diệu thành hữu cơ. Đường thu được từ quá trình chuyển hóa là nguồn năng lượng thực vật.
Quang hợp có hai giai đoạn: ánh sáng và bóng tối.
Pha sáng của quang hợp
Nó được thực hiện trên màng thylakoid.
Thylakoid là cấu trúc có màng bao quanh. Chúng nằm trong chất nền của lục lạp.
Thứ tự diễn biến pha sáng của quang hợp là:
- Ánh sáng chiếu vào phân tử diệp lục, sau đó được sắc tố xanh hấp thụ và khiến nó bị kích thích. Một electron là một phần của phân tử được chuyển tới nhiều hơn cấp độ cao, tham gia vào quá trình tổng hợp.
- Nước phân tách, trong đó các proton được chuyển đổi thành nguyên tử hydro dưới tác dụng của các electron. Sau đó, chúng được dành cho việc tổng hợp carbohydrate.
- Ở giai đoạn cuối của giai đoạn ánh sáng, ATP (Adenosine triphosphate) được tổng hợp. Đây là một chất hữu cơ đóng vai trò tích lũy năng lượng phổ quát trong các hệ thống sinh học.
Pha tối của quang hợp
Nơi xảy ra pha tối là chất nền của lục lạp. Trong pha tối, oxy được giải phóng và glucose được tổng hợp. Nhiều người sẽ nghĩ rằng giai đoạn này nhận được tên này vì quá trình xảy ra trong giai đoạn này chỉ xảy ra vào ban đêm. Trên thực tế, điều này không hoàn toàn đúng. Quá trình tổng hợp glucose diễn ra suốt ngày đêm. Vấn đề là nó đang bật ở giai đoạn này năng lượng ánh sáng không còn được tiêu thụ nữa, điều đó có nghĩa là nó không cần thiết nữa.
Tầm quan trọng của quá trình quang hợp đối với cây trồng
Chúng tôi đã xác định được thực tế là thực vật cần quang hợp không kém chúng tôi. Rất dễ dàng để nói về quy mô của quang hợp bằng những con số. Các nhà khoa học đã tính toán rằng chỉ riêng thực vật trên cạn đã lưu trữ nhiều năng lượng mặt trời nhất có thể được tiêu thụ bởi 100 siêu đô thị trong vòng 100 năm!
Hô hấp thực vật là quá trình ngược lại của quang hợp. Ý nghĩa của hô hấp thực vật là giải phóng năng lượng trong quá trình quang hợp và hướng nó đến nhu cầu của thực vật. Nói một cách đơn giản, năng suất là sự khác biệt giữa quang hợp và hô hấp. Quang hợp càng nhiều và hô hấp càng ít thì thu hoạch càng nhiều và ngược lại!
Quang hợp là một quá trình tuyệt vời làm cho cuộc sống có thể trên trái đất!
Và NADP·H 2 thu được ở pha sáng. Chính xác hơn: trong pha tối, carbon dioxide (CO 2) bị liên kết.
Quá trình này gồm nhiều giai đoạn; trong tự nhiên có hai con đường chính: quang hợp C 3 và quang hợp C 4. chữ cái Latinh C biểu thị nguyên tử carbon, số sau nó là số nguyên tử carbon trong sản phẩm hữu cơ chính của pha tối của quá trình quang hợp. Vì vậy, trong trường hợp của con đường C 3, sản phẩm chính được coi là axit photphoglyceric ba cacbon, được ký hiệu là PGA. Trong trường hợp của con đường C4, chất hữu cơ đầu tiên liên kết với carbon dioxide là axit oxaloacetic bốn carbon (oxaloacetate).
Quang hợp C 3 còn được gọi là chu trình Calvin theo tên nhà khoa học đã nghiên cứu nó. Quá trình quang hợp C 4 bao gồm chu trình Calvin, nhưng nó không chỉ bao gồm chu trình Calvin và được gọi là chu trình Hatch-Slack. Ở vĩ độ ôn đới, thực vật C3 phổ biến, ở vĩ độ nhiệt đới - thực vật C4.
Các phản ứng tối của quá trình quang hợp diễn ra ở chất nền của lục lạp.
Chu trình Calvin
Phản ứng đầu tiên của chu trình Calvin là carboxyl hóa ribulose-1,5-bisphosphate (RiBP). Carboxyl hóa- đây là sự cộng thêm một phân tử CO 2, dẫn đến sự hình thành nhóm cacboxyl -COOH. RiBP là ribose (một loại đường có 5 cacbon) với các nhóm photphat (được hình thành bởi axit photphoric) gắn vào các nguyên tử cacbon cuối cùng:
Công thức hóa học RiBF
Phản ứng được xúc tác bởi enzyme ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase oxyase ( RubisKO). Nó có thể xúc tác không chỉ sự liên kết của carbon dioxide mà còn cả oxy, như được biểu thị bằng từ “oxygenase” trong tên của nó. Nếu RuBisCO xúc tác cho phản ứng bổ sung oxy vào cơ chất thì pha tối của quá trình quang hợp không còn đi theo con đường của chu trình Calvin mà đi theo con đường quang hô hấp, về cơ bản là có hại cho cây trồng.
Xúc tác cho phản ứng thêm CO 2 vào RiBP xảy ra theo một số bước. Kết quả là hình thành một hợp chất hữu cơ sáu cacbon không ổn định, ngay lập tức phân hủy thành hai phân tử ba cacbon axit photphoglyceric
Công thức hóa học của axit photphoglyceric
FGK tiếp theo cho một vài phản ứng enzyme, xảy ra khi tiêu hao năng lượng ATP và khả năng khử của NADP H 2, được chuyển thành phosphoglyceraldehyde (PGA), còn được gọi là triose photphat.
Một phần nhỏ PHA rời khỏi chu trình Calvin và được sử dụng để tổng hợp các chất hữu cơ phức tạp hơn, chẳng hạn như glucose. Điều này, đến lượt nó, có thể polyme hóa thành tinh bột. Các chất khác (axit amin, axit béo) được hình thành với sự tham gia của nhiều chất ban đầu khác nhau. Những phản ứng như vậy được quan sát thấy không chỉ ở tế bào thực vật. Vì vậy, nếu coi quang hợp là hiện tượng độc đáo tế bào chứa chất diệp lục, nó kết thúc bằng sự tổng hợp PHA chứ không phải glucose.
Hầu hết các phân tử PHA vẫn còn trong chu trình Calvin. Một loạt các biến đổi xảy ra với nó, kết quả là PHA biến thành RiBP. Điều này cũng sử dụng năng lượng ATP. Do đó, RiBP được tái sinh để liên kết các phân tử carbon dioxide mới.
Chu kỳ nở-Slack
Ở nhiều loài thực vật sống trong môi trường nóng, pha tối của quá trình quang hợp có phần phức tạp hơn. Trong quá trình tiến hóa, quá trình quang hợp C 4 diễn ra như một cách hiệu quả liên kết carbon dioxide khi lượng oxy trong khí quyển tăng lên và RuBisCO bắt đầu bị lãng phí khi quang hô hấp không hiệu quả.
Ở thực vật C4 có hai loại tế bào quang hợp. Trong lục lạp ở thịt lá xảy ra pha sáng quang hợp và một phần bóng tối, cụ thể là sự liên kết của CO 2 với photphoenolpyruvat(FEP). Kết quả là một axit hữu cơ bốn cacbon được hình thành. Axit này sau đó được vận chuyển đến lục lạp của các tế bào bao bọc bó mạch. Ở đây, một phân tử CO 2 được tách ra khỏi nó bằng enzyme, sau đó đi vào chu trình Calvin. Axit ba cacbon còn lại sau khi khử carboxyl là pyruvic- quay trở lại tế bào trung mô, nơi nó lại được chuyển đổi thành PEP.
Mặc dù chu trình Hatch-Slack là phiên bản tiêu tốn nhiều năng lượng hơn của giai đoạn tối của quá trình quang hợp, enzyme liên kết CO 2 và PEP là chất xúc tác hiệu quả hơn RuBisCO. Ngoài ra, nó không phản ứng với oxy. Vận chuyển CO 2 bằng cách sử dụng axit hữu cơ vào các tế bào sâu hơn, nơi khó lưu thông oxy, dẫn đến nồng độ carbon dioxide ở đây tăng lên và RuBisCO gần như không được dùng để liên kết oxy phân tử.