Таблица этапы фотосинтеза: заполните таблицу. Фотосинтез. фазы                           процессы,                      

Содержание

Фазы фотосинтеза – описание и таблица

Как понятно из названия, фотосинтез по своей сути являет собой природный синтез органических веществ, превращая СО2 из атмосферы и воду в глюкозу и свободный кислород.

При этом необходимо наличие энергии солнечного света.

Химическое уравнение процесса фотосинтеза в общем можно представить в следующем виде:

Фотосинтез имеет две фазы: темную и световую. Химические реакции темной фазы фотосинтеза существенно отличаются от реакций световой фазы, однако темная и световая фаза фотосинтеза зависят друг от друга.

Световая фаза может происходить в листьях растений исключительно при солнечном свете. Для темной же необходимо наличие углекислого газа, именно поэтому растение все время должно поглощать его из атмосферы. Все сравнительные характеристики темной и световой фаз фотосинтеза будут предоставлены ниже. Для этого была создана сравнительная таблица «Фазы фотосинтеза».

Световая фаза фотосинтеза

Основные процессы в световой фазе фотосинтеза происходят в мембранах тилакоидов. В ней участвуют хлорофилл, белки-переносчики электронов, АТФ-синтетаза (фермент, ускоряющий реацию) и солнечный свет.

Далее механизм реакции можно описать так: когда солнечный свет попадает на зеленые листья растений, в их структуре возбуждаются электроны хлорофилла (заряд отрицательный), которые перейдя в активное состояние, покидают молекулу пигмента и оказываются на внешней стороне тилакоида, мембрана которого заряжена также отрицательно. В то же время молекулы хлорофилла окисляются и уже окисленные они восстанавливаются, отбирая таким образом электроны у воды, которая находится в структуре листа.

Этот процесс приводит к тому, что молекулы воды распадаются, а созданные в результате фотолиза воды ионы, отдают свои электроны и превращаются в такие радикалы ОН, которые способны проводить дальнейшие реакции. Далее эти реакционноспособные радикалы ОН объединяются, создавая полноценные молекулы воды и кислород. При этом свободный кислород выходит во внешнюю среду.

В результате всех этих реакций и превращений, мембрана тилакоида листа с одной стороны заряжается положительно (за счет иона Н+), а с другой — отрицательно (за счет электронов). Когда разность между этими зарядами в двух сторонах мембраны достигает больше 200 мВ, протоны проходят через специальные каналы фермента АТФ-синтетазы и за счет этого происходит превращение АДФ до АТФ (в результате процесса фосфорилизации). А атомный водород, который освобождается из воды, восстанавливает специфический переносчик НАДФ+ до НАДФ·Н2. Как видим, в результате световой фазы фотосинтеза происходит три основных процесса:

  1. синтез АТФ;
  2. создание НАДФ·Н2;
  3. образование свободного кислорода.

Последний освобождается в атмосферу, а НАДФ·Н2 и АТФ берут участие в темной фазе фотосинтеза.

Темная фаза фотосинтеза

Темная и световая фазы фотосинтеза характеризуются большими затратами энергии со стороны растения, однако темная фаза протекает быстрее и требует меньше энергии. Для реакций темной фазы не нужен солнечный свет, поэтому они могут происходить и днем и ночью.

Все основные процессы этой фазы протекают в строме хлоропласта растения и являют собой своеобразную цепочку последовательных превращений углекислого газа из атмосферы. Первая реакция в такой цепи – фиксация углекислого газа. Чтобы она проходила более плавно и быстрее, природой был предусмотрен фермент РиБФ-карбоксилаза, который катализирует фиксацию СО2.

Далее происходит целый цикл реакций, завершением которого является преобразование фосфоглицериновой кислоты в глюкозу (природный сахар). Все эти реакции используют энергию АТФ и НАДФ•Н2, которые были созданы в световой фазе фотосинтеза. Помимо глюкозы в результате фотосинтеза образуются также и другие вещества. Среди них разные аминокислоты, жирные кислоты, глицерин, а также нуклеотиды.

Фазы фотосинтеза: таблица сравнений

  Критерии сравнения   Световая фаза Темная фаза  
Солнечный свет   Обязателен   Необязателен
Место протекание реакций   Граны хлоропласта   Строма хлоропласта
Зависимость от источника энергии Зависит от солнечного света   Зависит от АТФ и НАДФ•Н2, образованных в световой фазе и от количества СО2 из атмосферы
Исходные вещества
Хлорофилл, белки-переносчики электронов, АТФ-синтетаза   Углекислый газ
Суть фазы и что образуется   Выделяется свободный О2, образуется АТФ и НАДФ•Н2   Образование природного сахара (глюкозы) и поглощение СО2 из атмосферы

Фотосинтез — видео

Фотосинтез — урок. Биология, Общие биологические закономерности (9–11 класс).

Фотосинтез — важнейший процесс, лежащий в основе возникновения и существования подавляющего большинства организмов на Земле.

Фотосинтез — это процесс образования органических соединений из диоксида углерода (CO2) и воды (h3O) с использованием энергии света.


Хлоропласты в клетках растений и складки цитоплазматической мембраны прокариот содержат зелёный пигмент — хлорофилл. Хлорофилл обладает особой химической структурой, которая позволяет ему улавливать кванты света. Молекула хлорофилла способна возбуждаться под действием солнечного света, отдавать свои электроны и перемещать их на более высокие энергетические уровни.

Пример:

этот процесс можно сравнить с подброшенным вверх мячом. Поднимаясь, мяч запасается потенциальной энергией; падая, он теряет её. Электроны не падают обратно, а подхватываются молекулами переносчика электронов НАДФ+  (никотинамидадениндинуклеотидфосфата). При этом их энергия частично расходуется на образование АТФ.

Процесс фотосинтеза включает две последовательные фазы: световую и темновую.

Световая фаза

Световая фаза — это этап, на котором энергия света, поглощённая хлорофиллом, преобразуется в электрохимическую энергию в цепи переноса электронов. Она осуществляется на свету, в мембранах гран тилакоидов, при участии белков-переносчиков и АТФ-синтетазы.

Световая фаза фотосинтеза растений включает в себя нециклическое фосфорилирование и фотолиз воды
 

На фотосинтетических мембранах гран хлоропластов происходят следующие процессы:

  • возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;
  • восстановление акцепторов электронов — НАДФ+ до НАДФ·Н2;
  • фотолиз воды, происходящий при участии квантов света:

          2h3O→4H++4e−+O2.

  

Результатами световых реакций являются:

  • фотолиз воды с образованием свободного кислорода;
  • синтез АТФ;
  • восстановление НАДФ+ до НАДФ·Н.

 

Обрати внимание!

В реакциях световой фазы фотосинтеза накапливается энергия в НАДФ·Н и АТФ, которая тратится в процессах темновой фазы.

Синтез АТФ из АДФ за счёт энергии света — очень эффективный процесс: за одно и то же время в хлоропластах образуется в \(30\) раз (!) больше АТФ, чем в митохондриях.

 

Во время световой фазы образуются богатые энергией молекулы и ионы водорода, необходимые для темновой фазы фотосинтеза. Дальнейшие процессы фотосинтеза могут идти и без солнечного освещения.

Темновая фаза

Реакции темновой фазы фотосинтеза протекают независимо от света.

Темновая фаза — процесс преобразования CO2 в глюкозу с использованием энергии, запасённой в молекулах АТФ и НАДФ·Н.

Эти реакции осуществляются в строме хлоропластов, куда из тилакоидов поступают богатые энергией вещества: НАДФ·Н и АТФ, накопленные в реакциях световой фазы фотосинтеза.


Источник углерода (CO2) растение получает из воздуха через устьица.


Превращение углекислого газа в глюкозу в ходе темновой фазы фотосинтеза получило название цикла Кальвина по имени его открывателя.


Результатом темновых реакций является превращение углекислого газа в глюкозу, а затем в крахмал.

 

Помимо молекул глюкозы в строме хлоропластов происходит образование аминокислот, нуклеотидов, спиртов.

 


Суммарные уравнения и частные реакции фотосинтеза представлены в таблице.

 


Значение фотосинтеза

1. В процессе фотосинтеза образуется свободный кислород, который необходим для дыхания организмов.

 

2. Фотосинтез обеспечивает постоянство уровня CO2 и O2 в атмосфере.

 

3. Фотосинтез обеспечивает образование органических веществ, а следовательно, пищу для всех живых существ.

 

4. В верхних слоях воздушной оболочки Земли из кислорода образуется озон O3, из которого формируется защитный озоновый экран, предохраняющий организмы от опасного для жизни воздействия ультрафиолетового излучения.

Источники:

Иллюстрации:

http://sdo.irgups.ru/moodle/mod/resource/view.php?id=5689

Процесс фотосинтеза в клетке растений, световая и темновая фазы (Схема, таблица)

Фотосинтез – это процесс превращения поглощенной организмом энергии света в химическую энергию органических соединений. Главную роль в этом процессе играет использование света для восстановления СО2 до уровня углеводов.

Общее уравнение процесса фотосинтеза:

6CO2 + 6H2O   ——>   C6H12O6 + 6O2

(Углекислый газ + вода + действие света + хлорофилл = углевод + кислород)

Важным компонентом фотосинтеза является хлорофилл, который может выполнять три важных функции:

— избирательно поглощать энергию света;

— запасать ее в виде энергии электронного возбуждения;

— преобразовывать энергию возбужденного состояния в химическую энергию первичных восстановленных и окисленных соединений. 

Схема процесса фотосинтеза

В процессе фотосинтеза различают две фазы: световую и темновую. Конечными продуктами световой фазы фотосинтеза являются АТФ и НАД•Н (или NADPH) (то есть атом водорода, связанный с молекулой НАД — никотинамидадениндинуклеотидфосфата), используемые в темновой фазе для восстановления СО2 и образования углеводов.

Таблица процесс фотосинтеза, его световая и темновая фазы

Результаты процессов

Процессы, происходящие в этой фазе

Световая фаза фотосинтеза

Нециклическое фотофосфорилирование (схема процесса фотосинтеза выше). Энергия света возбуждает электроны, приводя к расщеплению воды и синтезу АТР и НАД•Н (или NADPH). Световая фаза фотосинтеза разделяется на фотофизическую и фотохимическую. В фотофизической фазе происходит поглощение квантов света молекулами хлорофиллов П700 (фотосистема I) и П680 (фотосистема II) и переход этих молекул в возбужденное состояние. В фотохимической фазе обе фотосистемы работают согласованно.

Фотосистема I (ФСI)

Возбужденная молекула П700 отдает электрон акцептору. От него по системе переносчиков этот электрон попадает на внешнюю сторону мембраны тилакоида (обращенную в строму). При этом в молекуле П700 остается «дырка», а П700 превращается в П+700.

Фотосистема II (ФСII)

Возбужденная молекула П680 отдает электрон акцептору. Затем по системе переносчиков электрон передается в фотосистему I и заполняет «дырки» в молекуле П+700. При этом молекула хлорофилла П700 возвращается в исходное состояние и становится вновь способной возбуждаться светом. Молекула П680, отдав электрон, превращается в П+680. Для ее восстановления используются электроны, получаемые при разложении молекулы воды на два протона, два электрона и 0,5O2 в процессе фотолиза воды.
Протоны накапливаются на внутренней стороне мембраны тилакоида.

В результате с  разных сторон мембраны накапливаются протоны и электроны, т. е. возникает электрохимический мембранный потенциал. Когда он достигает величины в 200 мВ, протон с внутренней  стороны мембраны переносится на внешнюю через канал, образованный ферментом АТФ-синтетазой (АТФ-азой), то есть начинает работать протонная помпа. При этом образуется АТФ, а перенесенный протон взаимодействует с электроном и молекулой НАД, давая комплекс НАД • Н (схема выше).

В результате в световой фазе фотосинтеза получаются АТФ, НАД • Н и кислород из молекулы воды, являющийся побочным продуктом фотосинтеза.

Темновая фаза фотосинтеза - Цикл Кальвина

Темновая фаза фотосинтеза является сложным процессом, включающим большое количество реакций, приводящих к восстановлению СО2. Существуют разные пути восстановления и основным из них является так называемый цикл Кальвина.

1. Фиксация диоксида углерода

Это ключевая реакция темновой фазы фотосинтеза. Неорганический СO2 превращается в органическое соединение путем ковалентного связывания с 5-углеродной молекулой-акцептором - рибулозо-1,5-бисфосфатом (РиФБ). Фермент, катализирующий эту реакцию, РиБФ-карбоксилаза, - самый распространенный фермент на Земле. Его суммарная масса составляет около
40х1012 г (около 0,2% от всей массы земных белков).

 

2. Восстановление фосфоглицериновой кислоты

Восстановление фосфоглицериновой кислоты до фосфоглицеральдегида: первый углеводородный продукт фотосинтеза, 3-углеродное вещество фосфоглицеральдегид (ФГА), он же триозофосфат (ТФ), синтезируется с использованием АТР и NADРН2, полученных в световых реакциях.

3. Образование глюкозы

Образование глюкозы - это процесс, обратный гликолизу, происходит с использованием тех же ферментов. Отщепление фосфатной группы в экзэргонической реакции запускает всю последовательность стадий в направлении синтеза глюкозы.

4. Регенерация РиБФ

Регенерация РиБФ обеспечивает продолжения цикла, пополняя пул молекул акцептора CO2. Это сложная реакция, которую упрощенно можно выразить как:

5 молекул ТФ ——> 3 молекулы РиФБ (через серию превращений с затратой АТР)

Суммарная реакция цикла

Схема темновая фаза фотосинтеза, Цикл Кальвина

Лимитирующие факторы фотосинтеза

Фотосинтез - это многостадийный процесс, поэтому к нему применим принцип лимитирующих факторов. Например, цикл
Кальвина зависит от снабжения АТР и от восстанавливающей силы, образующейся в световых реакциях.

Интенсивность освещения

энергия света необходима для синтеза АТР и NADРН2 во время световой фазы фотосинтеза.

Концентрация диоксида углерода

СO2 связывается в реакции с рибулозобисфосфатом в начальной стадии цикла Кальвина

Температура

влияет на работу ферментов, катализирующих реакции цикла Кальвина и некоторые из световых реакций

Наличие воды и концентрация хлорофилла

в нормальных условиях не являются лимитирующими факторами фотосинтеза

_______________

Источник информации:

1. Биология человека в диаграммах / В.Р. Пикеринг — 2003.

2. Общая биология / Левитин М. Г. — 2005.



что происходит в растении в процессе фотосинтеза, что выделяется в световую и темновую фазу фотосинтеза

Что такое фотосинтез

Фотосинтез — процесс, при котором в клетках, содержащих хлорофилл, под действием энергии света образуются органические вещества из неорганических. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород, как побочный продукт фотосинтеза.

Процессы фотосинтеза идут в тканях, содержащих хлоропласты, — преимущественно, в листе, на который приходится большая часть процессов фотосинтеза. Такая ткань называется хлоренхима, или мезофилл. 

Строение хлоропластов

Чтобы понять, что происходит в растении при фотосинтезе, изучим подробнее хлоропласты. Хлоропласты — это особые пластиды растительных клеток, в которых происходит фотосинтез. Основные элементы структурной организации хлоропластов высших растений представлены на рис.1.

Рис.1. Строение хлоропласта высших растений.

Хлоропласт — это двумембранный органоид. Внешняя мембрана проницаема для большинства органических и неорганических соединений. Она содержит специальные транспортные белки, благодаря которым нужные для работы хлоропласта пептиды и другие вещества попадают в него из цитоплазмы. Внутренняя мембрана обладает избирательной проницаемостью и способна контролировать, какие именно вещества попадут во внутреннее пространство хлоропласта.

Для хлоропластов характерна сложная система внутренних мембран, позволяющая пространственно организовать фотосинтетический аппарат, упорядочить и разделить реакции фотосинтеза, несовместимые между собой, и их продукты. Мембраны образуют тилакоиды, которые, в свою очередь, собираются в «стопки» — граны. Пространство внутри тилакоидов называется внутритилакоидным пространством, или люменом. 

Внутреннее пространство хлоропласта между гранами заполняет строма — гидрофильный слабоструктурированный матрикс. В строме содержатся необходимые для реакций синтеза сахаров ферменты, а также рибосомы, кольцевая молекула ДНК, крахмальные зёрна.

Пигменты хлоропластов

Что происходит во время фотосинтеза? На молекулярном уровне фотосинтез обеспечивают особые вещества — пигменты, благодаря которым энергия солнечного света становится доступной для биологических систем. У фотосинтезирующих организмов можно выделить три основные группы пигментов:

  • хлорофилл а — у большинства фотосинтезирующих организмов,
  • хлорофилл b — у высших растений и зелёных водорослей,
  • хлорофилл c — у бурых водорослей,
  • хлорофилл d — у некоторых красных водорослей.
  • каротины — у всех фотосинтезирующих организмов, кроме прокариот;
  • ксантофиллы — у всех фотосинтезирующих организмов, кроме прокариот
  • Фикобилины — красные и синие пигменты красных водорослей.

В хлоропластах пигменты ассоциированы с белками с помощью ионных, водородных и других типов связей. Не стоит забывать, что у растений есть множество других пигментов, находящихся не в хлоропластах и не принимающих участие в фотосинтезе — например, антоцианы.

Хлорофилл

Хлорофиллы выполняют функции поглощения, преобразования и транспорта энергии света. Лучше всего хлорофиллы поглощают свет в синей (430—460 нм) и красной (650—700 нм) областях спектра. Зелёную область спектра хлорофиллы эффективно отражают, что придаёт растению зелёный цвет.

Интересно, что строение молекулы хлорофилла схоже со строением гемоглобина, но центром молекулы хлорофилла является ион магния, а не железа.

Основными хлорофиллами высших растений являются хлорофилл a и хлорофилл b, они входят в состав реакционных центров фотосистем и светособирающих комплексов мембран тилакоидов хлоропластов. Светособирающие комплексы улавливают кванты света и передают энергию к фотосистемам I и II. Фотосистемы — это пигмент-белковые комплексы, играющие ключевую роль в световой фазе фотосинтеза.

Каротиноиды

Каротиноиды — это жёлтые, оранжевые или красные пигменты. В зелёных листьях каротиноиды обычно незаметны из-за наличия в листьях хлорофилла. При разрушении хлорофилла осенью именно каротиноиды придают листьям характерную жёлто-оранжевую окраску. 

Функции каротиноидов:

  • Антенная — входят в состав светособирающих комплексов, улавливают энергию света и передают её на хлорофиллы. Каротиноиды играют роль дополнительных светособирающих пигментов в той части солнечного спектра (450—570 нм), где хлорофиллы малоэффективны. Особенно это важно для водных экосистем, в которых волны оптимальной для хлорофиллов длины быстро исчезают с глубиной.
  • Защитная функция (антиоксидантная) — обезвреживание агрессивных кислородных соединений (активных форм кислорода) и избытка хлорофилла в возбуждённом состоянии при слишком ярком освещении.

Каротиноиды химически представляют собой 40-углеродную цепь с двумя углеродными кольцами по краям цепи. В строении ксантофиллов, в отличие от каротинов, присутствуют спиртовые, эфирные или альдегидные группы.

Учите биологию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду
BIO72020 вы получите бесплатный доступ к курсу биологии 7 класса, в котором изучается тема фотосинтеза.

Что происходит в процессе фотосинтеза

Как уже было сказано ранее, в ходе фотосинтеза в хлоропластах под действием солнечного света образуются органические вещества. 

Процесс фотосинтеза можно разделить на две фазы:

1. Световая.

2. Темновая.

В ходе световой фазы фотосинтеза образуется энергия в виде АТФ и универсальный донор атома водорода — восстановитель НАДФН (НАДФ·Н2). Эти вещества необходимы для протекания темновой фазы. Также образуется побочный продукт — кислород. Световая фаза может проходить только на мембранах тилакоидов и на свету.

Благодаря сложному биохимическому процессу — циклу Кальвина — в темновую фазу фотосинтеза образуются органические вещества (сахара). Темновая фаза проходит в строме хлоропластов и на свету, и в темноте. Темновые ферментативные процессы протекают медленнее, чем световые, поэтому при очень ярком освещении скорость протекания фотосинтеза будет полностью определяться скоростью темновой фазы. Схемы процессов фотосинтеза представлены на рис.2. Подробное описание процессов смотри далее.

Рис.2. Схема процессов фотосинтеза и суммарное уравнение фотосинтеза.

Световая фаза фотосинтеза

Чтобы лучше понять, что происходит во время фотосинтеза, разберём фазы фотосинтеза. Световая фаза фотосинтеза включает в себя фотохимические и фотофизические процессы, и может быть поделена на три этапа:

  1. Фаза поглощения — энергия света улавливается при помощи светособирающих комплексов, переходит в энергию электронного возбуждения пигментов, передаётся в реакционный центр фотосистем I и II. 
  2. Фаза реакционных центров — энергия электронного возбуждения пигментов светособирающих комплексов используется для активации реакционных центров фотосистем. В реакционном центре электрон от возбуждённого хлорофилла передаётся другим компонентам электрон-транспортной цепи, пигмент после отдачи электрона переходит в окисленное состояние и становится способным, в свою очередь, отнимать электроны у других веществ. Именно в этом процессе происходит преобразование физической формы энергии в химическую.
  3. Фаза электрон-транспортной цепи — электроны переносятся по цепи переносчиков, образуются АТФ, НАДФН, O2. Необходимо, чтобы каждый переносчик электрон-транспортной цепи поочерёдно восстанавливался и окислялся, обеспечивая таким образом перенос энергии электронов. Любой этап переноса электрона сопровождается высвобождением или поглощением энергии. Часть энергии теряется. На некоторых участках электрон-транспортной цепи перенос электрона сопряжён с переносом протона.

Для того чтобы понять, что происходит во время фазы фотосинтеза, рассмотрим эти процессы подробнее. Кванты света улавливаются светособирающими комплексами фотосистемы I — молекула хлорофилла в составе светособирающего комплекса переходит в возбуждённое состояние, и энергия передаётся в реакционный центр фотосистемы I. Происходит возбуждение молекул хлорофилла фотосистемы I,   отщепляется электрон. Пройдя по цепочке внутренних компонентов фотосистемы I и внешних переносчиков, электрон в конце концов попадает к НАДФ+ — образуется восстановитель НАДФН. Получается, что хлорофилл фотосистемы I отдал электрон и приобрёл положительный заряд, и для дальнейшего функционирования необходимо восстановить нейтральность молекулы, получить электрон, чтобы закрыть «дырку». Этот электрон приходит от фотосистемы II.

На светособирающие комплексы фотосистемы II попадают кванты света — происходит возбуждение молекулы хлорофилла фотосистемы II, молекула хлорофилла отдаёт электрон и переходит в окисленное состояние. Нехватку электрона хлорофилл восполняет благодаря фотолизу воды, при этом образуется протоны H+, а также важный побочный продукт фотосинтеза — кислород. По цепи переносчиков электрон от хлорофилла фотосистемы II попадает к хлорофиллу реакционного центра фотосистемы I и восстанавливает его. Теперь этот хлорофилл может снова поглощать энергию кванта света и отдавать электрон в электрон-транспортную цепь.

Протоны, попадающие во внутритилакоидное пространство, используются для синтеза АТФ. С помощью фермента АТФ-синтазы за счёт градиента протонов образуется АТФ из АДФ и фосфата. Под градиентом понимают неравномерное распределение: во внутритилакоидном пространстве H+ больше, в строме — меньше. Поэтому частицы стремятся проникнуть в строму, переходят в неё через АТФ-синтазу, а в процессе пути сквозь белковый комплекс отдают ему часть энергии, которая и используется для синтеза АТФ. 

Темновая фаза фотосинтеза

Что образуется при фотосинтезе в темновую фазу? В строме хлоропластов с помощью энергии АТФ и восстановителя НАДФН, полученных в световую фазу, образуются простые сахара, из которых в ходе других процессов образуется крахмал. Ферментативные процессы не нуждаются в наличии света. Важнейший процесс, происходящий в темновую фазу фотосинтеза, — фиксация углекислого газа воздуха. Синтез и превращения сахаров в хлоропластах имеют циклический характер и носят название цикл Кальвина.

В нём можно выделить три этапа:

  1. Фаза карбоксилирования (введение CO2 в цикл).
  2. Фаза восстановления (используются АТФ и НАДФН, полученные в световую фазу).
  3. Фаза регенерации (превращения сахаров).

В строме хлоропластов находится производное простого пятиуглеродного сахара рибозы. С помощью особого фермента (Рубиско) к производному рибозы присоединяется CO2 (реакция карбоксилирования) — образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое быстро распадается на две трехуглеродные молекулы. Дальше, с затратой АТФ и НАДФН, полученных в ходе световых процессов, трехуглеродное соединение модифицируется — образуется восстановленное соединение с атомом фосфора и альдегидной группой в составе. Теперь перед клеткой стоит проблема: необходимо получить шестиуглеродное соединение — глюкозу для синтеза крахмала, а также пятиуглеродное — производное рибозы для того, чтобы эти процессы могли начаться заново. Для решения этих проблем в фазу регенерации из полученных ранее трехуглеродных соединений под действием ферментов образуются четырёх-, пяти-, шести- и семиуглеродные сахара. Из шестиуглеродной молекулы образуется глюкоза, из которой синтезируется крахмал. Из пятиуглеродной молекулы образуется производное рибозы и цикл замыкается. Остальные сахара также используются клеткой в других биохимических процессах.

Отдельно стоит сказать про крайне важный фермент первой фазы цикла Кальвина — рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилазу (Рубиско). Это сложный фермент, состоящий из 16 субъединиц, с молекулярной массой в 8 раз больше, чем у гемоглобина. Является одним из важнейших ферментов в природе, поскольку играет центральную роль в основном механизме поступления неорганического углерода (из CO2) в биологический круговорот. Содержание Рубиско в листьях растений очень велико, он считается самым распространённым ферментом на Земле. 

Рис.3. Суммарные уравнения и частные реакции фотосинтеза.

Значение фотосинтеза

В процессе фотосинтеза энергия света заключается в энергию химических связей органических веществ. Поэтому фотосинтез служит первичным источником почти всей энергии, используемой живыми организмами в процессе жизнедеятельности. Практически все живые организмы, за исключением хемосинтетиков, так или иначе пользуются теми продуктами, что выделяются при фотосинтезе.

За счёт фотосинтеза сформировалась и поддерживается пригодная для дыхания атмосфера с высоким содержанием кислорода. 

Фиксация углекислого газа в ходе фотосинтеза служит главным местом входа неорганического углерода в биогеохимический цикл. Также ассимиляция CO2 препятствует перегреву Земли, предотвращая парниковый эффект.

Заключение

Каждый год на нашей планете благодаря фотосинтезу производится около 200 миллиардов тонн кислорода, из которого образуется озоновый слой, защищающий от ультрафиолетовой радиации. Фотосинтез помогает поддерживать состав атмосферы и препятствует увеличению количества углекислого газа. Без растений и кислорода, который они выделяют в процессе фотосинтеза, жизнь на нашей планете была бы просто невозможна.

Материал к уроку по биологии на тему "Фотосинтез" (9 класс)

МБОУ «Школа №30»

КОНСПЕКТ УРОКА

Тема: Космический процесс – фотосинтез

Выполнила учитель биологии

Бухтенкова Т.В.

г. Балашиха 2014 г.

Тема: Космический процесс – фотосинтез

Цель: сформировать знания о сущности процесса биосинтеза углеводов – фотосинтезе.

Задачи урока:

- выявить условия, необходимые для фотосинтеза

-рассмотреть световую фазу фотосинтеза, механизм использования энергии света в гранах хлоропластов, расщепление воды, образование кислорода, АТФ, темновую фазу фотосинтеза, восстановление углекислого газа до углевода.

- обосновать космическую роль зелённых растений.

- проконтролировать первичное усвоение знаний с помощью дидактических материалов.

Оборудование: таблицы по общей биологии , схема “Процесс фотосинтеза”, карточки , презентация.

Тип урока: изучение нового материала

Ход урока

Организационный момент: Здравствуйте, кто готов к уроку посмотрите на меня , спасибо, садитесь.

Проверка готовности к уроку.

Презентация.

Слайд 1

Мотивация: Обратите внимание на тему нашего урока, сейчас вы услышите историю и, скорее всего, догадаетесь: о каком процессе идет речь?

Уч-ся слушают

История

Слайд 2 -6

Около 5-7 млрд. лет назад в круговом вихре газов и космической пыли образовались Солнце, Земля и другие планеты Солнечной системы. Земля постепенно остывала, её затвердевшую кору окружали газы - аммиак, метан, водород, сероводород - водяной пар. Они образовали первичную атмосферу планеты. Охлаждаясь пар, выпадал дождями и создавал первичный океан Земли. В его верхнем слое 4 млрд. лет назад появились первые организмы, они получали энергию и материал для построения своего тела только из органической пищи. Со временем их количество росло, началась конкуренция за пищу. В этот период появилась чудо - молекула в некоторых клетках, её появление вызвало на Земле настоящую биохимическую революцию.

При участии этой молекулы из обыкновенной воды и углекислого газа в клетках организмов шло самостоятельное образование органического вещества для построения тела и энергии. А вода на свету разлагалась до водорода и кислорода. В результате атмосфера насытилась кислородом.

Прошло много миллионов лет, прежде чем этим процессом заинтересовались ученые.

Слайд 7

В 1630 году голландский врач Ян Баптист Ван Гальмонт обнаружил, что ива, растущая в горшке, за 5 лет увеличила вес на 74 кг, а вес почвы уменьшился на 57 г. Ученый сделал вывод, растение само образует органические вещества.

1752 год - М.В. Ломоносов был первым, кто начал понимать роль зеленого растения на нашей планете, но не успел экспериментально проверить свои мысли.

Английский химик Д. Пристли в 1771 году собрал газ, который выделяют растения и доказал, что этот газ поддерживает жизнь.

С 1835 по 1840 год был изучен химизм этого процесса, французский академик Буссенго составил окончательную реакцию процесса, он же установил, что СО2 в растение попадает через устьица.

Слайд 7

И только в 60-х гг. 19 века русский ученый Климентий Аркадьевич Тимирязев доказал, что решающую роль в этом процессе играют молекулы хлорофилла. Он очень образно описал это явление “Дайте самому лучшему повару сколько угодно свежего воздуха, сколько угодно солнечного света и целую речку чистой воды и попросите, чтобы из всего этого он приготовил Вам сахар, крахмал, жиры и зерно, – он решит, что вы над ним смеетесь. Но то, что кажется совершенно фантастическим человеку, беспрепятственно совершается в зеленых листьях растений”. Климент Аркадьевич первый обобщил все данные об этом процессе, которые были известны в науке к началу XX века и сформулировал научное понятие этого процесса в книге “Жизнь растений”.
Итак, о каком же процессе идёт речь?

Слайд 8

Ответ: фотосинтез

Ученики:- запись темы в тетрадь: "Космический процесс - фотосинтез"

Слайд 9

Перед нами сегодня стоит цель: узнать где происходит фотосинтез (локализация, при каких условиях), как ( химизм процесса), для чего( его значение)

Ученики: схема в тетради

Учитель: Этот процесс нами изучался уже в 6 классе, на уроках ботаники, давайте вспомним определение, что такое Фотосинтез?

Ученики: отвечают на вопросы

Слайд 10

Вспоминаем ОПРЕДЕЛЕНИЕ, (греч. ФОТОС -свет, СИНТЕЗ - образование, создание)

Фотосинтез – процесс образования органических веществ из неорганических при участии солнечного света молодцы!

Учитель: Вспомним, для каких организмов по способу питания характерен этот процесс? К какому царству живой природы они принадлежат?

Слайд 11

Ответ: Для растений, т.е. автотрофов - организмы способные сами синтезировать органические вещества из неорганических( греч. аутос - сам, трофо - питание)

Слайд 12

Учитель: Ну, а теперь обратите внимание на стихотворение в инструктивной карте, прочитав его, вы найдёте условия, которые необходимы для фотосинтеза. Приложение 1

Ученики: выполняют задание

Вода, по стеблям поднимаясь

Идет к зеленому листу

И с СО2 соединяясь

Дает нам сахар на свету.

Вот так творение природы -

Полезный, добрый хлорофилл

Способен прокормит народы

Хотя уж к вечеру без сил.

Слайд 13

Ученики:- записывают в тетрадь:

Условия фотосинтеза:

- свет

- хлорофилл

- вода

- углекислый газ

Учитель: Мы из стихотворения узнали, что свет и вода необходимы для фотосинтеза, а экспериментальная группа выяснила это опытным путем

Слайд 14-21

отчет группы по слайдам, с демонстрацией результатов

Слайд 22

Группа делает выводы по своей работе

Учитель: Мы выяснили, фотосинтез характерен для растительного организма, а где именно протекает? какой орган растения приспособлен к нему: содержит хлорофилл, поглощает солнечный свет, поглощает воду и углекислый газ

Ответ: Лист

Учитель: Верно, это главный фотосинтезирующий орган высших растений, давайте вспомним его строение, так как оно тесно связано с функциями, сами убедитесь в этом. Таблица. Слайд23

Уч-ся: сообщение

Слайд 24

Приспособления листа к фотосинтезу:

- прозрачная кожица (эпидермис)

- столбчатая паренхима с большим количеством хлоропластов

- устьица для газообмена

- жилка для проведения воды и минеральных солей

- плоская форма листа для увеличения площади поглощения солнечного света

- листовая мозаика

- поворот листа на черешке к солнцу (фототаксис)

( показать горшок с комнатным растением, поворот к свету.)

Учитель: Итак, нашли орган воздушного питания, действительно лист приспособлен к фотосинтезу, имеется хлорофиллоносная ткань. В каких органоидах осуществляется весь процесс?

Ответ: В хлоропластах

Слайд 25

Учитель: Вспомните, какое строение имеют хлоропласты (§ 11, рис. 16), как их строение соответствует выполняемой ими функции? (Диск, две мембраны, загибами внутренней мембраны образованы мешочки-тилакоиды, уложенные в стопки-граны. В мембраны тилакоидов встроены молекулы хлорофилла, он и улавливает энергию света; в тилакоидах происходит превращение световой энергии в химическую энергию АТФ).

рассказ ученика о строении хлоропластов

Слайд 26

Главное вещество фотосинтеза – зелёный пигмент – хлорофилл. Это сложное органическое вещество, в центре которого находится атом магния. Хлорофилл находится в мембранах тилакоидов гран, из-за чего хлоропласты приобретают зелёный цвет, а благодаря хлоропластам и остальная часть клетки и весь лист становятся зелёными.

Название молекулы хлорофилла (от греч. "хлорос" - зеленый и "филон" - лист).

Слайд27

С локализацией выяснили. Теперь подробнее разберем условия, ответим на вопрос: КАК идет фотосинтез? Ознакомимся с химизмом фотосинтеза.

Учитель: Фотосинтез – процесс образования углеводов из неорганических веществ –СО2 и Н2О при использовании энергии солнечного света.

Общее уравнение фотосинтеза.

В ходе этого процесса из веществ, бедных энергией – углекислого газа и воды – образуется углерод глюкоза С6Н12О6 – богатое энергией вещество, кроме того образуется молекулярный кислород.

Уравнение показывает только количественные соотношения веществ, участвующих в фотосинтезе. Разберём всю цепь реакций этого процесса.

Слайд 28 Ученики: Начертить в тетради таблицу:

Фаза фотосинтеза

место

Уравнение реакции

Источник энергии

Итог

Суть фазы

Далее обсуждаем схему и параллельно заполняем табл. в тетрадях

По современным данным фотосинтез включает два типа реакций: световые (светозависимые) и темновые (не зависящие от света). Световые реакции территориально привязаны к пространству, ограниченному тилакоидами. Темновые проходят в строме хлоропласта.

Ознакомимся с химизмом фотосинтеза по схеме “Процесс фотосинтеза”.

Слайд 29

Рисунок 1

Световая фаза.

Её смысл – превратить световую энергию солнца в химическую энергию молекул АТФ и других молекул, богатых энергией. Эти реакции протекают непрерывно, но их легче изучать, разделив на три стадии:

Уч-ся: работа с таблицей

Приложение1

1. а) Свет, попадая на хлорофилл, сообщает ему достаточно энергии для того, чтобы от молекулы мог оторваться один электрон; б) электроны захватываются белками-переносчиками, встроенными, наряду с хлорофиллом, в мембраны тилакоида и выносятся на сторону мембраны, обращённую в строму; в) в строме всегда есть вещество, являющееся переносчиком водорода, по своей природе оно является динуклеотидом и называется сокращённо НАДФ+ – окисленная форма (никотин–амид–аденин–динуклеотид–фосфат). Это соединение захватывает возбуждённые светом e и протоны, которые всегда есть в строме, и восстанавливается, превращаясь в НАДФ·H2.

2. Молекулы воды разлагаются под действием света (фотолиз воды): образуются электроны, Н+ и O2. Электроны замещают e, утраченные хлорофиллом на стадии 1. Протоны пополняют протонный резервуар, который будет использоваться на стадии 3. Кислород выходит за пределы клетки в атмосферу.

3. Протоны, накапливаясь внутри тилакоида, образуют положительно заряженное электрическое поле. Со стороны, обращённой в строму, мембрана заряжена отрицательно. Постепенно разность потенциалов по обе стороны мембраны возрастает и, когда она достигает критической величины (? 200 милливольт), открывается пора в ферменте, встроенном в мембрану тилакоида (фермент называется АТФ-синтетаза). Протоны устремляются по протонному каналу в ферменте наружу – в строму. На выходе из протонного канала создаётся высокий уровень энергии, который идёт на синтез АТФ (АДФ + Фн > АТФ). Образовавшиеся молекулы АТФ переходят в строму, где участвуют в реакциях образования углеводов.

Итак, результат световой фазы – образование молекул, богатых энергией АТФ и НАДФ·H2, и побочного продукта – O2?.

Темновая фаза.

Эта фаза проходит в строме хлоропласта, куда поступает CO2 из воздуха, а также продукты световой фазы АТФ и НАДФ·H2. Здесь эти соединения используются в серии реакций, “фиксирующих” CO2 в форме углеводов. Проследим по схеме: CO2 присоединяется к пятиуглеродному сахару (рибулёзодифосфату), который есть в строме. Образующаяся при этом шестиуглеродная молекула нестабильна и сразу расщепляется на две трёхуглеродные молекулы, каждая из которых присоединяет фосфатную группу от АТФ. Обогащённая энергией молекула становится способной присоединить водород от переносчика НАДФ·H2. На пятом этапе судьба трёхуглеродных молекул может быть различной: одни из них соединяются друг с другом и образуют шестиуглеродные молекулы, например, глюкозы, а те дальше объединяются в сахарозу, крахмал, целлюлозу и другие вещества. Другие трёхуглеродные молекулы используются для синтеза аминокислот, присоединяя азотсодержащие группы. Наконец, третьи вовлекаются в длинный ряд реакций, основной результат которых сводится к превращению пяти трёхуглеродных молекул в три пятиуглеродные молекулы рибулёзодифосфата. Он снова присоединяет углекислый газ, увеличивая общее количество фиксированного углерода в растении. Иными словами, процесс представляет собой цикл Кальвина (Нобелевская премия 1961 г).

Для создания одной молекулы глюкозы цикл должен повториться шесть раз: при этом всякий раз к запасу фиксированного углерода в растении прибавляется по одному атому углерода из CO2.

АДФ, Фн и НАДФ+ из цикла Кальвина возвращаются на поверхность мембран и снова превращаются в АТФ и НАДФ·H2.

В дневное время, пока светит солнце, в хлоропластах не прекращается активное движение этих молекул: они снуют туда и сюда, как челноки, соединяя два независимых ряда реакций. Этих молекул в хлоропластах немного, поэтому АТФ и НАДФ·H2, образовавшиеся днём, на свету, после захода солнца быстро расходуются в реакциях фиксации углерода. Затем фотосинтез прекращается до рассвета. С восходом солнца вновь начинается синтез АТФ и НАДФ·H2, а вскоре возобновляется и фиксация углерода.

Итак, в результате фотосинтеза происходит превращение световой энергии в энергию химических связей в молекулах органических веществ. А растения, таким образом, являются посредниками между Космосом и жизнью на Земле”.

Слайд 30

- проверка таблицы на слайде Уч-ся: Взаимопроверка в парах

Слайд 31

Несмотря на пространственную и временную локализацию световой и темновой фаз, они взаимосвязаны между собой. На схеме укажите вещества, посредством которых они связаны.

Уч-ся: выполняют задание

Ответить на вопрос : Идет ли темновая фаза на свету?

Уч-ся: отвечают на вопрос

Слайд 32

Учитель: Итак, в результате фотосинтеза происходит превращение световой энергии в энергию химических связей в молекулах органических веществ. А растения, таким образом, являются посредниками между Космосом и жизнью на Земле”.

Тимирязев К.А. утверждал, что фотосинтез играет космическую роль на планете Земля, согласны ли вы с ним? В чём заключается космическая роль фотосинтеза?

Уч-ся: работают с учебником стр. 39,

отвечают на вопросы

Слайд 33 Сверьтесь со слайдом Уч-ся: сверяют ответы

Космическая роль фотосинтеза

1) выделение кислорода для дыхания живых организмов

2) поглощение углекислого газа, поддержание постоянного газового состава

3) образование органического вещества - пища гетеротрофов

4) перекачка солнечной энергии из космоса на Землю (Энергетические ресурсы – нефть, уголь, торф)

5) образование озонового слоя, защитного экрана от УФЛ

Учитель: Таким образом, мы можем сделать вывод, что без фотосинтеза живые организмы на земле существовать не могут, это величайший процесс.

Слайд 34 Уч-ся: записывают вывод в тетрадь.

Слайд 35

Учитель: Подведем итоги урока, для этого вернемся к цели. Нам необходимо было узнать где? как? и для чего проходит фотосинтез? Узнали? (озвучить по слайду),цель выполнена.

Уч-ся: выполняют задание

фотосинтез

Слайд 36

ГДЕ? КАК? ДЛЯ ЧЕГО

лист , 2 фазы: органическое

хлоропласт , световая, вещество,

хлорофилл , темновая энергия

свет, СО2, вода

Закрепление

Рефлексия

Слайд 37

Учитель: А теперь представьте такую ситуацию, ваш друг сдаёт экзамен по биологии, и ему попался вопрос о фотосинтезе, как ему помочь? Вы можете отправить ему короткое СМС-сообщение, не более 10 слов, в течение 2-3 минут.

Уч-ся: Работают

Заслушиваем несколько сообщений, оцениваем

Дополнительное задание

Уч-ся: выполняют задани

Слайд 38

3. Учитель: Исходя из условий фотосинтеза, предложите меры по увеличению Урожайности.

Слайд 39 Уч-ся: записывают в тетрадь:

Меры по увеличению урожайности

1) Регуляция освещения (спектр)

2) Регулярный полив ( температура)

3) Концентрация СО2 ( опилки, баллоны, Н2СО3)

4) Минеральное питание

Слайд 40

Домашнее задание § 10, таблица, подготовиться к тесту. Приложение 2

Подведение итогов урока

Практическая работа по теме "Хемо - и фотосинтез"

Биология 10 класс

Практическая работа

Тема: «Сравнение процессов фотосинтеза и хемосинтеза»

Цель:  1) сравнить процессы фотосинтеза и хемосинтеза, особенности процессов фотосинтеза и

хемосинтеза;

            2) выяснить значение фотосинтеза и хемосинтеза для биосферы.

 

Оборудование и материалы: методическое руководство по выполнению практической  работы  «Сравнение процессов фотосинтеза и хемосинтеза», «схемы, отражающие суть процессов фотосинтеза и хемосинтеза в клетках организмов» в учебнике.

 

Ход работы:

1.Рассмотрите схемы фотосинтеза и хемосинтеза в клетках в учебнике.

2.Заполните таблицу «Сравнение процессов фотосинтеза и хемосинтеза».

Признаки для сравнения

 

Фотосинтез

 

Хемосинтез

 

Определение  данных процессов

 

 

Где в клетке происходит.

 

 

Наличие световой и темновой фазы процесса.

 

 

Источник энергии для

осуществления этих процессов.

 

 

В каком веществе запасается энергия.

 

 

Наличие пигментов.

 

 

Использование кислорода.

 

 

Источник углерода.

 

 

Конечные продукты реакций.

 

 

Характерен для организмов.

 

 

К какому Царству относятся

организмы.

 

 

Способ питания организмов.

 

 

Уравнения реакций.

 

 

Фамилия учёного открывшего процесс

 

 

Биологическая роль процесса.

 

 

Значение процессов в биосфере.

 

 

 

3. Установить соответствия:

А) Окисляют аммиак

1. Железобактерии           

Б) 2S + 3O2+ 2H2O → 2H2SO4 + E

В) Окисляют двухвалентное железо до трехвалентного

2. Водородные бактерии

 

Г) 2H2+ O2→ 2H2O + E

Д) 4FeCO3+ O2+ 6H2O → Fe(OH)3+ 4CO2+ E (энергия)

3. Серобактерии

 

Е) Окисление водорода до органических веществ

Ж) 2H2S + O2→ 2H2O + 2S + E

4. Нитрофицирующие бактерии.

З) Окисляют сероводород до молекулярной серы или до солей серной кислот

И)  2NH3+ 3O2→ HNO2+ 2H2O + E

 

4. Решить задачи:

1) Человек за сутки потребляет примерно 430 г кислорода. Дерево средней величины поглощает около 30 кг углекислого газа в год. Сколько деревьев необходимо, чтобы обеспечить одного человека кислородом?

2) Сколько глюкозы, синтезируемой в процессе фотосинтеза, приходится на каждого из 6 млрд жителей Земли в год?    За год вся растительность планеты производит около 130 000 млн т сахаров.

 

 

 

 

 

4.Выполнить тестовые задания:

Вариант 1.

А1. Фотосинтез связан с:

1) расщеплением органических веществ до неорганических

2) созданием органических веществ из неорганических

3) химическим превращения глюкозы в крахмал

4) образованием целлюлозы

А2. Исходным материалом для фотосинтеза служат

1) белки и углеводы                                                 2) углекислый газ и вода

3) кислород и АТФ                                                  4) глюкоза и кислород

А3. Световая фаза фотосинтеза происходит

1) в гранах хлоропластов                                        2) в лейкопластах

3) в строме хлоропластов                                       4) в митохондриях

А4. Энергия возбужденных электронов в световой стадии используется для:

1) синтеза АТФ                                                2) синтеза глюкозы

3) синтеза белков                                             4) расщепления углеводов

А5. В результате фотосинтеза в хлоропластах образуются:

1) углекислый газ и кислород                         2) глюкоза, АТФ и кислород

3) белки, жиры, углеводы                                4) углекислый газ, АТФ и вода

А6. К хемотрофным организмам относятся

1) возбудители туберкулеза                         2) молочнокислые бактерии

3) серобактерии                                            4) вирусы

А7. Фотосинтез связан с:

1) расщеплением органических веществ до неорганических

2) созданием органических веществ из неорганических

3) химическим превращения глюкозы в крахмал

4) образованием целлюлозы

А8. Исходным материалом для фотосинтеза служат

1) белки и углеводы                                  2) углекислый газ и вода

3) кислород и АТФ                                   4) глюкоза и кислород

А9. Световая фаза фотосинтеза происходит

1) в гранах хлоропластов                          2) в лейкопластах

3) в строме хлоропластов                         4) в митохондриях

А1

А2

А3

А4

А5

А6

А7

А8

А9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В1. Выберите процессы, происходящие в световой фазе фотосинтеза

1) фотолиз воды

2) образование глюкозы

3) синтез АТФ и НАДФ • Н

4) использование СО2

5) образование О2

6) использование энергии АТФ

В2. Выберите вещества, участвующие в процессе фотосинтеза

1) целлюлоза

2) гликоген

3) хлорофилл

4) СО2

5) вода

6) нуклеиновые кислоты

 

Вывод:

  1. Какие организмы называют автотрофами?
  2. Какие типы  питания существуют в природе?
  3.  Каково значение фотосинтеза для всего живого на Земле, для круговорота веществ в природе?
  4. Каково значение хемосинтеза для всего живого на Земле, для круговорота веществ в природе?

4.Выполнить тестовые задания:

Вариант 2.

 

А1. Энергия возбужденных электронов в световой стадии используется для:

1) синтеза АТФ                                                 2) синтеза глюкозы

3) синтеза белков                                              4) расщепления углеводов

А2. В результате фотосинтеза в хлоропластах образуются:

1) углекислый газ и кислород                         2) глюкоза, АТФ и кислород

3) белки, жиры, углеводы                                4) углекислый газ, АТФ и вода

А3. К хемотрофным организмам относятся

1) возбудители туберкулеза                           2) молочнокислые бактерии

3) серобактерии                                               4) вирусы

А4. Организмы, способные фотосинтезу относят к:

1) хемоавтотрофам;                                      2) фотоавтотрофам;

3) миксотрофам;                                           4) гетеротрофам

А5. Биологический смысл процесса фотосинтеза состоит в образовании:

1) нуклеиновых кислот;                                2) белков;

3) углеводов;                                                  4) жиров.

А6. Какие из перечисленных организмов способны к фотосинтезу?

1) пеницилл и дрожжи;                              2) ольха и серобактерии;

3) инфузория и эвглена зелёная;              4) клён и цианобактерии

А7. Кислород, выделяющийся при фотосинтезе, образуется при распаде:

1) глюкозы;                                   2) АТФ;

3) воды;                                         4) белков.

А8. Какие лучи солнечного спектра используются растениями для фотосинтеза?

1) красные и зелёные;                   2) красные и синие;

3) зеленые и синие;                       4) все.

А9. Какие пластиды содержат пигмент хлорофилл?

1) лейкопласты;                             2) хлоропласты;

3) хромопласты;                            4) все пластиды.

А1

А2

А3

А4

А5

А6

А7

А8

А9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В1. Выберите процессы, происходящие в световой фазе фотосинтеза

1) фотолиз воды

2) образование глюкозы

3) синтез АТФ и НАДФ • Н

4) использование СО2

5) образование О2

6) использование энергии АТФ

В2. Выберите вещества, участвующие в процессе фотосинтеза

1) целлюлоза

2) гликоген

3) хлорофилл

4) СО2

5) вода

6) нуклеиновые кислоты

 

 

Вывод:

  1. Какие организмы называют автотрофами?
  2. Какие типы  питания существуют в природе?
  3.  Каково значение фотосинтеза для всего живого на Земле, для круговорота веществ в природе?
  4. Каково значение хемосинтеза для всего живого на Земле, для круговорота веществ в природе?

 

Страница  учителя

№1. Заполните таблицу «Сравнение процессов фотосинтеза и хемосинтеза».

Признаки для сравнения

 

Фотосинтез

 

Хемосинтез

 

Определение

Процесс синтеза органических веществ из неорганических под действием энергии Солнца в хлоропластах

Процесс синтеза органических веществ из углекислого газа и воды осуществляемый за счет энергии окисления неорганических веществ (NH3, H2, H2S  и др.)

Где в клетке происходит.

хлоропласты

Клетки бактерий

Наличие световой и темновой  фазы процесса.

Есть

Нет

Источник энергии для

осуществления этих процессов.

Солнечный  свет

Окисление неорганических соединений

В каком веществе запасается энергия.

АТФ

АТФ

Наличие пигментов.

Есть

Нет

Использование кислорода.

Да

Да

Источник углерода .

Углекислый газ

Углекислый газ

Конечные продукты реакций.

Органические  соединения (углеводы)

Органические соединения: Углеводы +побочные продукты (Соли железаII и железа III, сероводород, сульфаты, нитриты, нитраты, соли аммония )

Характерен для организмов.

сине- зеленые водоросли (цианобактерии), зеленые растения

(серобактерии, азотбактерии,железобактерии,  и др.).

К какому Царству относятся

организмы.

Растения. Бактерии

Бактерии – хемосинтетики 

Способ питания организмов.

Автотрофы : фототрофы

Автотрофы: Хемотрофы

Уравнения реакций.

2Н+ + 4е- + НАДФ+ → НАДФ • Н;

 фотолиз воды: 2Н2О → 4Н+ + 4е- + О2.

  • 6 СО2 + 6 Н2О = С6Н12О6 + 6О2

 

2S + 3O2+ 2H2O → 2H2SO4 + E

2H2+ O2→ 2H2O + E

4FeCO3+ O2+ 6H2O → Fe(OH)3+ 4CO2+ E (энергия)

2H2S + O2→ 2H2O + 2S + E

2NH3+ 3O2→ HNO2+ 2H2O + E

Фамилия учёного открывшего процесс

 1630 г. ван Гельмонта.(дерево в кадке)

Джозеф Пристли (1771г. Стеклянный колпак, растение и мышь)

 

Виноградский (1887г.)

Биологическая роль процесса.

Круговорот веществ в природе

Круговорот веществ в природе

Значение процессов в биосфере.

Зеленые растения синтезируют органические вещества, необходимые для жизнедеятельности всего живого

Очистка сточных вод, накопление в почве минеральных веществ, повышение плодородия почвы.

 

№2. Установить соответствия:

1

В Д

2

Е Г

3

З Б Ж

4

А  И

 

 

 

 

 

№3.Решить задачи:

1) Человек за сутки потребляет примерно 430 г кислорода. Дерево средней величины поглощает около 30 кг углекислого газа в год. Сколько деревьев необходимо, чтобы обеспечить одного человека кислородом?

● За год человек потребляет: 430 г × 365 = 156 950 г кислорода.

● Рассчитаем химическое количество углекислого газа, поглощаемого за год одним деревом:

М (СО2) = 12 + 16 × 2 = 44 г/моль. n (СО2) = m : М = 30 000 г : 44 г/моль ≈ 681,8 моль.

● Суммарное уравнение фотосинтеза:     6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2

Поглощение 6 моль углекислого газа сопровождается выделением 6 моль кислорода.

Значит, поглощая за год 681,8 моль углекислого газа, дерево выделяет 681,8 моль кислорода.

● Найдём массу кислорода, выделяемого деревом за год:

       М (О2) = 16 × 2 = 32 г/моль.

        m (О2) = n × M = 681,8 моль × 32 г/моль = 21 817,6 г

● Определим, сколько деревьев необходимо, чтобы обеспечить одного человека кислородом.

      Количество деревьев = 156 950 г : 21 817,6 ≈ 7,2 дерева.

Ответ: для того, чтобы обеспечить одного человека кислородом, в среднем понадобится 7,2 дерева (допустимыми ответами будут «8 деревьев» или «7 деревьев»).

 

2) Сколько глюкозы, синтезируемой в процессе фотосинтеза, приходится на каждого из 6 млрд жителей Земли в год? За год вся растительность планеты производит около 130 000 млн т сахаров.

Растения Земли все вместе ежегодно производят 130 000 млн т сахаров. 
130 000 млн т = 130 000 000 000 т 
130 000 000 000 : 6 000 000 000 жителей = 21,7 т на одного человека в год

 

№4.

Вариант 1.

А1

А2

А3

А4

А5

А6

А7

А8

А9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вариант 2.

А1

А2

А3

А4

А5

А6

А7

А8

А9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вывод:

  1. Какие организмы называют автотрофами?
  2. Какие типы  питания существуют в природе?
  3.  Каково значение фотосинтеза для всего живого на Земле, для круговорота веществ в природе?

А) основа питания всех живых существ

Б) образование свободного кислорода

В) из кислорода образуется озоновый слой защищающий организмы от УФ – радиации

Г) поддерживает современный состав атмосферы

Д) обеспечивает круговорот углерода в биосфере, не давая накапливаться углекислому газу и препятствуя тем самым возникновению парникового эффекта и перегреву Земли.

Е) Образующиеся в результате фотосинтеза органические вещества не расходуются другими организмами полностью, значительная их часть в течение миллионов лет образовала залежи полезных ископаемых (каменного и бурого угля, нефти).

 

  1. Каково значение хемосинтеза для всего живого на Земле, для круговорота веществ в природе?

А)  важную роль в круговороте веществ, особенно азота, поддерживают плодородие почв.

Б) значительную роль играют в биогеохимических циклах химических элементов в биосфере, так как в процессе их жизнедеятельности образовались залежи многих полезных ископаемых

В) они являются источниками органического вещества на планете, то есть продуцентами,

Г) делают доступным целый ряд неорганических веществ и для растений, и для других организмов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фотосинтез и его фазы (световая и темновая). Что происходит в световой фазе фотосинтеза? Световая стадия фотосинтеза

С использованием световой энергии или без нее. Он характерен для растений. Рассмотрим далее, что собой представляют темновая и световая фаза фотосинтеза.

Общие сведения

Органом фотосинтеза у высших растений является лист. В качестве органоидов выступают хлоропласты. В мембранах их тилакоидов присутствуют фотосинтетические пигменты. Ими являются каротиноиды и хлорофиллы. Последние существуют в нескольких видах (а, с, b, d). Главным из них считается а-хлорофилл. В его молекуле выделяется порфириновая "головка" с атомом магния, расположенным в центре, а также фитольный "хвост". Первый элемент представлен в виде плоской структуры. "Головка" является гидрофильной, поэтому располагается на той части мембраны, которая направлена к водной среде. Фитольный "хвост" является гидрофобным. За счет этого он удерживает хлорофилльную молекулу в мембране. Хлорофиллами поглощается сине-фиолетовый и красный свет. Они также отражают зеленый, за счет чего растения имеют характерный для них цвет. В мембранах тилактоидов молекулы хлорофилла организованы в фотосистемы. Для синезеленых водорослей и растений характерны системы 1 и 2. Фотосинтезирующие бактерии имеют только первую. Вторая система может разлагать Н 2 О, выделять кислород.

Световая фаза фотосинтеза

Процессы, происходящие в растениях, отличаются сложностью и многоступенчатостью. В частности, выделяют две группы реакций. Ими являются темновая и световая фаза фотосинтеза. Последняя протекает при участии фермента АТФ, белков, переносящих электроны, и хлорофилла. Световая фаза фотосинтеза происходит в мембранах тилактоидов. Хлорофилльные электроны возбуждаются и покидают молекулу. После этого они попадают на внешнюю поверхность мембраны тилактоида. Она, в свою очередь, заряжается отрицательно. После окисления начинается восстановление молекул хлорофилла. Они отбирают электроны у воды, которая присутствует во внутрилакоидном пространстве. Таким образом, световая фаза фотосинтеза протекает в мембране при распаде (фотолизе): Н 2 О + Q света → Н + + ОН —

Ионы гидроксила превращаются в реакционноспособные радикалы, отдавая свои электроны:

ОН — → .ОН + е —

ОН-радикалы объединяются и образуют свободный кислород и воду:

4НО. → 2Н 2 О + О 2 .

При этом кислород удаляется в окружающую (внешнюю) среду, а внутри тилактоида идет накопление протонов в особом "резервуаре". В результате там, где протекает световая фаза фотосинтеза, мембрана тилактоида за счет Н + с одной стороны получает положительный заряд. Вместе с этим за счет электронов она заряжается отрицательно.

Фосфирилирование АДФ

Там, где протекает световая фаза фотосинтеза, присутствует разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностями мембраны. Когда она достигает 200 мВ, начинается проталкивание протонов сквозь каналы АТФ-синтетазы. Таким образом, световая фаза фотосинтеза происходит в мембране при фосфорилировании АДФ до АТФ. При этом атомарный водород направляется на восстановление особого переносчика никотинамидадениндинуклеотидфосфата НАДФ+ до НАДФ.Н2:

2Н + + 2е — + НАДФ → НАДФ.Н 2

Световая фаза фотосинтеза, таким образом, включает в себя фотолиз воды. Его, в свою очередь, сопровождают три важнейших реакции:

  1. Синтез АТФ.
  2. Образование НАДФ.Н 2 .
  3. Формирование кислорода.

Световая фаза фотосинтеза сопровождается выделением последнего в атмосферу. НАДФ.Н2 и АТФ перемещаются в строму хлоропласта. На этом световая фаза фотосинтеза завершается.

Другая группа реакций

Для темновой фазы фотосинтеза не нужна световая энергия. Она идет в строме хлоропласта. Реакции представлены в виде цепочки последовательно происходящих преобразований поступающего из воздуха углекислого газа. В итоге образуются глюкоза и прочие органические вещества. Первой реакцией является фиксация. В качестве акцептора углекислого газа выступает рибулозобифосфат (пятиуглеродный сахар) РиБФ. Катализатором в реакции является рибулозобифосфат-карбоксилаза (фермент). В результате карбоксилирования РиБФ формируется шестиуглеродное неустойчивое соединение. Оно практически мгновенно распадается на две молекулы ФГК (фосфоглицериновой кислоты). После этого идет цикл реакций, где она через несколько промежуточных продуктов трансформируется в глюкозу. В них используются энергии НАДФ.Н 2 и АТФ, которые были преобразованы, когда шла световая фаза фотосинтеза. Цикл указанных реакций именуется "циклом Кальвина". Его можно представить следующим образом:

6СО 2 + 24Н+ + АТФ → С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О

Помимо глюкозы, в ходе фотосинтеза образуются прочие мономеры органических (сложных) соединений. К ним, в частности, относят жирные кислоты, глицерин, аминокислоты нуклеотиды.

С3-реакции

Они представляют собой тип фотосинтеза, при котором в качестве первого продукта образуются трехуглеродные соединения. Именно он описан выше как цикл Кальвина. В качестве характерных особенностей С3-фотосинтеза выступают:

  1. РиБФ является акцептором для углекислого газа.
  2. Реакция карбоксилирования катализирует РиБФ-карбоксилаза.
  3. Образуется шестиуглеродное вещество, которое впоследствии распадается на 2 ФГК.

Фосфоглицериновая кислота восстанавливается до ТФ (триозофосфатов). Часть из них направляется на регенерацию рибулозобифосфата, а остальная - превращается в глюкозу.

С4-реакции

Для этого типа фотосинтеза характерно появление четырехуглеродных соединений в качестве первого продукта. В 1965 году было выявлено, что С4-вещества появляются первыми у некоторых растений. Например, это было установлено для проса, сорго, сахарного тростника, кукурузы. Эти культуры стали именовать С4-растениями. В следующем, 1966-м, Слэк и Хэтч (австралийские ученые) выявили, что у них почти полностью отсутствует фотодыхание. Также было установлено, что такие С4 растения намного эффективнее осуществляют поглощение углекислого газа. В результате путь трансформации углерода в таких культурах стали именовать путем Хэтча-Слэка.

Заключение

Значение фотосинтеза очень велико. Благодаря ему из атмосферы ежегодно поглощается углекислый газ в огромных объемах (миллиардами тонн). Вместо него выделяется не меньшее количество кислорода. Фотосинтез выступает в качестве основного источника формирования органических соединений. Кислород участвует в образовании озонового слоя, обеспечивающего защиту живых организмов от воздействия коротковолновой УФ-радиации. В процессе фотосинтеза лист поглощает только 1% всей энергии света, падающего на него. Его продуктивность находится в пределах 1 г органического соединения на 1 кв. м поверхности за час.

Как понятно из названия, фотосинтез по своей сути являет собой природный синтез органических веществ, превращая СО2 из атмосферы и воду в глюкозу и свободный кислород.

При этом необходимо наличие энергии солнечного света.

Химическое уравнение процесса фотосинтеза в общем можно представить в следующем виде:

Фотосинтез имеет две фазы: темную и световую. Химические реакции темной фазы фотосинтеза существенно отличаются от реакций световой фазы, однако темная и световая фаза фотосинтеза зависят друг от друга.

Световая фаза может происходить в листьях растений исключительно при солнечном свете. Для темной же необходимо наличие углекислого газа, именно поэтому растение все время должно поглощать его из атмосферы. Все сравнительные характеристики темной и световой фаз фотосинтеза будут предоставлены ниже. Для этого была создана сравнительная таблица «Фазы фотосинтеза».

Световая фаза фотосинтеза

Основные процессы в световой фазе фотосинтеза происходят в мембранах тилакоидов. В ней участвуют хлорофилл, белки-переносчики электронов, АТФ-синтетаза (фермент, ускоряющий реацию) и солнечный свет.

Далее механизм реакции можно описать так: когда солнечный свет попадает на зеленые листья растений, в их структуре возбуждаются электроны хлорофилла (заряд отрицательный), которые перейдя в активное состояние, покидают молекулу пигмента и оказываются на внешней стороне тилакоида, мембрана которого заряжена также отрицательно. В то же время молекулы хлорофилла окисляются и уже окисленные они восстанавливаются, отбирая таким образом электроны у воды, которая находится в структуре листа.

Этот процесс приводит к тому, что молекулы воды распадаются, а созданные в результате фотолиза воды ионы, отдают свои электроны и превращаются в такие радикалы ОН, которые способны проводить дальнейшие реакции. Далее эти реакционноспособные радикалы ОН объединяются, создавая полноценные молекулы воды и кислород. При этом свободный кислород выходит во внешнюю среду.

В результате всех этих реакций и превращений, мембрана тилакоида листа с одной стороны заряжается положительно (за счет иона Н+), а с другой — отрицательно (за счет электронов). Когда разность между этими зарядами в двух сторонах мембраны достигает больше 200 мВ, протоны проходят через специальные каналы фермента АТФ-синтетазы и за счет этого происходит превращение АДФ до АТФ (в результате процесса фосфорилизации). А атомный водород, который освобождается из воды, восстанавливает специфический переносчик НАДФ+ до НАДФ·Н2. Как видим, в результате световой фазы фотосинтеза происходит три основных процесса:

  1. синтез АТФ;
  2. создание НАДФ·Н2;
  3. образование свободного кислорода.

Последний освобождается в атмосферу, а НАДФ·Н2 и АТФ берут участие в темной фазе фотосинтеза.

Темная фаза фотосинтеза

Темная и световая фазы фотосинтеза характеризуются большими затратами энергии со стороны растения, однако темная фаза протекает быстрее и требует меньше энергии. Для реакций темной фазы не нужен солнечный свет, поэтому они могут происходить и днем и ночью.

Все основные процессы этой фазы протекают в строме хлоропласта растения и являют собой своеобразную цепочку последовательных превращений углекислого газа из атмосферы. Первая реакция в такой цепи – фиксация углекислого газа. Чтобы она проходила более плавно и быстрее, природой был предусмотрен фермент РиБФ-карбоксилаза, который катализирует фиксацию СО2.

Далее происходит целый цикл реакций, завершением которого является преобразование фосфоглицериновой кислоты в глюкозу (природный сахар). Все эти реакции используют энергию АТФ и НАДФ Н2, которые были созданы в световой фазе фотосинтеза. Помимо глюкозы в результате фотосинтеза образуются также и другие вещества. Среди них разные аминокислоты, жирные кислоты, глицерин, а также нуклеотиды.

Фазы фотосинтеза: таблица сравнений

Критерии сравнения Световая фаза Темная фаза
Солнечный свет Обязателен Необязателен
Место протекание реакций Граны хлоропласта Строма хлоропласта
Зависимость от источника энергии Зависит от солнечного света Зависит от АТФ и НАДФ Н2, образованных в световой фазе и от количества СО2 из атмосферы
Исходные вещества Хлорофилл, белки-переносчики электронов, АТФ-синтетаза Углекислый газ
Суть фазы и что образуется Выделяется свободный О2, образуется АТФ и НАДФ Н2 Образование природного сахара (глюкозы) и поглощение СО2 из атмосферы

Фотосинтез — видео

Более точно: в темновую фазу происходит связывание углекислого газа (CO 2).

Процесс этот многоступенчатый, в природе существуют два основных пути: C 3 -фотосинтез и C 4 -фотосинтез. Латинская буква C обозначает атом углерода, цифра после нее - количество атомов углерода в первичном органическом продукте темновой фазы фотосинтеза. Так в случае C 3 -пути первичным продуктом считается трехуглеродная фосфоглицериновая кислота, обозначаемая как ФГК. В случае C 4 -пути первым органическим веществом при связывание углекислого газа является четырехуглеродная щавелевоуксусная кислота (оксалоацетат).

C 3 -фотосинтез также называется циклом Кальвина в честь изучившего его ученого. C 4 -фотосинтез включает в себя цикл Кальвина, однако состоит не только из него и называется циклом Хэтча-Слэка. В умеренных широтах обычны C 3 -растения, в тропических - C 4 .

Темновые реакции фотосинтеза протекают в строме хлоропласта .

Цикл Кальвина

Первой реакцией цикла Кальвина является карбоксилирование рибулозо-1,5-бифосфата (РиБФ). Карбоксилирование - это присоединение молекулы CO 2 , в результате чего образуется карбоксильная группа -COOH. РиБФ - это рибоза (пятиуглеродный сахар), у которой к концевым атомам углерода присоединены фосфатные группы (образуемые фосфорной кислотой):

Химическая формула РиБФ

Реакция катализируется ферментом рибулозо-1,5-бифосфат-карбоксилаза-оксигеназа (РуБисКО ). Он может катализировать не только связывание углекислого газа, но и кислорода, о чем говорит слово «оксигеназа» в его названии. Если РуБисКО катализирует реакцию присоединения кислорода к субстрату, то темновая фаза фотосинтеза идет уже не по пути цикла Кальвина, а по пути фотодыхания , что в принципе является вредным для растения.

Катализ реакции присоединения CO 2 к РиБФ происходит в несколько шагов. В результате образуется неустойчивое шестиуглеродное органическое соединение, которое тут же распадается на две трехуглеродные молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК).

Химическая формула фосфоглицериновой кислоты

Далее ФГК за несколько ферментативных реакций, протекающих с затратой энергии АТФ и восстановительной силы НАДФ·H 2 , превращается в фосфоглицериновый альдегид (ФГА), также называемый триозофосфатом .

Меньшая часть ФГА выходит из цикла Кальвина и используется для синтеза более сложных органических веществ, например глюкозы. Она, в свою очередь, может полимеризоваться до крахмала. Другие вещества (аминокислоты, жирные кислоты) образуются при участии различных исходных веществ. Такие реакции наблюдаются не только в растительных клетках. Поэтому, если рассматривать фотосинтез как уникальное явление содержащих хлорофилл клеток, то он заканчивается синтезом ФГА, а не глюкозы.

Большая часть молекул ФГА остается в цикле Кальвина. С ним происходит ряд превращений, в результате которых ФГА превращается в РиБФ. При этом также используется энергия АТФ. Таким образом, РиБФ регенерируется для связывания новых молекул углекислого газа.

Цикл Хэтча-Слэка

У многих растений жарких мест обитания темновая фаза фотосинтеза несколько сложнее. В процессе эволюции C 4 -фотосинтез возник как более эффективный способ связывания углекислого газа, когда в атмосфере возросло количество кислорода, и РуБисКО стал тратиться на неэффективное фотодыхание.

У C 4 -растений существует два типа фотосинтезирующих клеток. В хлоропластах мезофилла листьев происходит световая фаза фотосинтеза и часть темновой, а именно связывание CO 2 с фосфоенолпируватом (ФЕП). В результате образуется четырехуглеродная органическая кислота. Далее эта кислота транспортируется в хлоропласты клеток обкладки проводящего пучка. Здесь от нее ферментативно отщепляется молекула CO 2 , которая далее поступает в цикл Кальвина. Оставшаяся после декарбоксилирования трехуглеродная кислота - пировиноградная - возвращается в клетки мезофилла, где снова превращается в ФЕП.

Хотя цикл Хэтча-Слэка более энергозатратный вариант темновой фазы фотосинтеза, но фермент связывающий CO 2 и ФЕП более эффективный катализатор, чем РуБисКО. Кроме того, он не вступает в реакцию с кислородом. Транспорт CO 2 с помощью органической кислоты в более глубоколежащие клетки, к которым затруднен приток кислорода, приводит к тому, что концентрация углекислого газа здесь увеличивается, и РуБисКО почти не расходуется на связывание молекулярного кислорода.

Фотосинтез — синтез органических соединений из неорганических за счет энергии света (hv). Суммарное уравнение фотосинтеза:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Фотосинтез протекает при участии фотосинтезирующих пигментов, обладающих уникальным свойством преобразования энергии солнечного света в энергию химической связи в виде АТФ. Фотосинтезирующие пигменты представляют собой белковоподобные вещества. Наиболее важный из них — пигмент хлорофилл. У эукариот фотосинтезирующие пигменты встроены во внутреннюю мембрану пластид, у прокариот — во впячивания цитоплазматической мембраны.

Строение хлоропласта очень похоже на строение митохондрии. Во внутренней мембране тилакоидов граны содержатся фотосинтетические пигменты, а также белки цепи переноса электронов и молекулы фермента АТФ-синтетазы.

Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой.

Световая фаза фотосинтеза протекает только на свету в мембране тилакоидов граны. В этой фазе происходит поглощение хлорофиллом квантов света, образование молекулы АТФ и фотолиз воды.

Под действием кванта света (hv) хлорофилл теряет электроны, переходя в возбужденное состояние:

Хл → Хл + e —

Эти электроны передаются переносчиками на наружную, т.е. обращенную к матриксу поверхность мембраны тилакоидов, где накапливаются.

Одновременно внутри тилакоидов происходит фотолиз воды, т.е. ее разложение под действием света

2H 2 O → O 2 +4H + + 4e —

Образующиеся электроны передаются переносчиками к молекулам хлорофилла и восстанавливают их: молекулы хлорофилла возвращаются в стабильное состояние.

Протоны водорода, образовавшиеся при фотолизе воды, накапливаются внутри тилакоида, создавая Н + -резервуар. В результате внутренняя поверхность мембраны тилакоида заряжается положительно (за счет Н +), а наружная — отрицательно (за счет e —). По мере накопления по обе стороны мембраны противоположно заряженных частиц нарастает разность потенциалов. При достижении критической величины разности потенциалов сила электрического поля начинает проталкивать протоны через канал АТФ-синтетазы. Выделяющаяся при этом энергия используется для фосфорилирования молекул АДФ:

АДФ + Ф → АТФ

Образование АТФ в процессе фотосинтеза под действием энергии света называются фотофосфорилированием .

Ионы водорода, оказавшись на наружной поверхности мембраны тилакоида, встречаются там с электронами и образуют атомарный водород, который связывается с молекулой-переносчиком водорода НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат):

2H + + 4e — + НАДФ + → НАДФ H 2

Таким образом, во время световой фазы фотосинтеза происходят три процесса: образование кислорода вследствие разложения воды, синтез АТФ, образование атомов водорода в форме НАДФ H 2 . Кислород диффундирует в атмосферу, АТФ и НАДФ H 2 участвуют в процессах темновой фазы.

Темновая фаза фотосинтеза протекает в матриксе хлоропласта как на свету, так и в темноте и представляет собой ряд последовательных преобразований CO 2 , поступающего из воздуха, в цикле Кальвина. Осуществляются реакции темновой фазы за счет энергии АТФ. В цикле Кальвина CO 2 связывается с водородом из НАДФ H 2 с образованием глюкозы.

В процессе фотосинтеза кроме моносахаридов (глюкоза и др.) синтезируются мономеры других органических соединений — аминокислоты, глицерин и жирные кислоты. Таким образом, благодаря фотосинтезу растения обеспечивают себя и все живое на Земле необходимыми органическими веществами и кислородом.

Сравнительная характеристика фотосинтеза и дыхания эукариот приведена в таблице:

Сравнительная характеристика фотосинтеза и дыхания эукариот
Признак Фотосинтез Дыхание
Уравнение реакции 6CO 2 + 6H 2 O + Энергия света → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6H 2 O + Энергия (АТФ)
Исходные вещества Углекислый газ, вода
Продукты реакции Органические вещества, кислород Углекислый газ, вода
Значение в круговороте веществ Синтез органических веществ из неорганических Разложение органических веществ до неорганических
Превращение энергии Превращение энергии света в энергию химических связей органических веществ Превращение энергии химических связей органических веществ в энергию макроэргических связей АТФ
Важнейшие этапы Световая и темновая фаза (включая цикл Кальвина) Неполное окисление (гликолиз) и полное окисление (включая цикл Кребса)
Место протекания процесса Хлоропласта Гиалоплазма (неполное окисление) и митохондрии (полное окисление)

Каждое живое существо на планете нуждается в пище или энергии, чтобы выжить. Некоторые организмы питаются другими существами, тогда как другие могут производить свои собственные питательные элементы. сами производят продукты питания, глюкозу, в процессе, который называется фотосинтезом.

Фотосинтез и дыхание взаимосвязаны. Результатом фотосинтеза является глюкоза, которая хранится как химическая энергия в . Эта накопленная химическая энергия получается в результате превращения неорганического углерода (углекислого газа) в органический углерод. Процесс дыхания высвобождает накопленную химическую энергию.

Помимо продуктов, которые они производят, растениям также необходим углерод, водород и кислород, чтобы выжить. Вода, поглощенная из почвы, обеспечивает водород и кислород. Во время фотосинтеза, углерод и вода используются для синтеза пищи. Растения также нуждаются в нитратах, чтобы производить аминокислоты (аминокислота - ингредиент для выработки белка). В дополнение к этому, они нуждаются в магнии для производства хлорофилла.

Заметка: Живые существа, которые зависят от других продуктов питания называются . Травоядные, такие как коровы, а также растения, питающиеся насекомыми, являются примерами гетеротрофов. Живые существа, производящие собственную пищу, называются . Зеленые растения и водоросли - примеры автотрофов.

В этой статье вы узнаете больше о том, как происходит фотосинтез у растений и об необходимы для этого процесса условиях.

Определение фотосинтеза

Фотосинтез - это химический процесс, посредством которого растения, некоторые и водоросли производят глюкозу и кислород из углекислого газа и воды, используя только свет в качестве источника энергии.

Этот процесс чрезвычайно важен для жизни на Земле, поскольку благодаря ему выделяется кислород, от которого зависит вся жизнь.

Зачем растениям нужна глюкоза (пища)?

Подобно людям и другим живым существам, растения также нуждаются в питании для поддержания жизнедеятельности. Значение глюкозы для растений заключается в следующем:

  • Глюкоза, полученная в результате фотосинтеза, используется во время дыхания для высвобождения энергии, необходимой растению для других жизненно важных процессов.
  • Растительные клетки также превращают часть глюкозы в крахмал, который используют по мере необходимости. По этой причине мертвые растения используются в качестве биомассы, ведь в них хранится химическая энергия.
  • Глюкоза также необходима, чтобы производить другие химические вещества, такие как белки, жиры и растительные сахара, необходимые для обеспечения роста и других важных процессов.

Фазы фотосинтеза

Процесс фотосинтеза разделен на две фазы: световую и темновую.


Световая фаза фотосинтеза

Как следует из названия, световые фазы нуждаются в солнечном свете. В светозависимых реакциях энергия солнечного света поглощается хлорофиллом и преобразуется в запасенную химическую энергию в виде молекулы электронного носителя НАДФН (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) и молекулы энергии АТФ (аденозинтрифосфат). Световые фазы протекают в тилакоидных мембранах в пределах хлоропласта.

Темновая фаза фотосинтеза или цикл Кальвина

В темновой фазе или цикле Кальвина возбужденные электроны из световой фазы обеспечивают энергию для образования углеводов из молекул углекислого газа. Не зависящие от света фазы иногда называют циклом Кальвина из-за цикличности процесса.

Хотя темновые фазы не используют свет в качестве реагента (и, как результат, могут происходить днем или ночью), им необходимо, чтобы продукты светозависимых реакций функционировали. Независимые от света молекулы зависят от молекул энергоносителей - АТФ и НАДФН - для создания новых молекул углеводов. После передачи энергии молекулы энергоносители возвращаются к световым фазам для получения более энергичных электронов. Кроме того, несколько ферментов темновой фазы активируются с помощью света.

Схема фаз фотосинтеза

Заметка: Это означает, что темновые фазы не будут продолжаться, если растения будут лишены света слишком долго, так как они используют продукты световых фаз.

Строение листьев растений

Мы не можем полностью изучить фотосинтез, не зная больше о строении листа. Лист адаптирован для того, чтобы играть жизненно важную роль в процессе фотосинтеза.

Внешнее строение листьев

Одной из самых главных особенностей растений является большая площадь поверхности листьев. Большинство зеленых растений имеют широкие, плоские и открытые листья, которые способны захватывать столько солнечной энергии (солнечного света), сколько необходимо для фотосинтеза.

  • Центральная жилка и черешок

Центральная жилка и черешок соединяются вместе и являются основанием листа. Черешок располагает лист таким образом, чтобы он получал как можно больше света.

  • Листовая пластинка

Простые листья имеют одну листовую пластину, а сложные - несколько. Листовая пластинка - одна из самых главных составляющих листа, которая непосредственно участвует в процессе фотосинтеза.

Сеть жилок в листьях переносит воду от стеблей к листьям. Выделяемая глюкоза также направляется в другие части растения из листьев через жилки. Кроме того, эти части листа поддерживают и удерживают листовую пластину плоской для большего захвата солнечного света. Расположение жилок (жилкование) зависит от вида растения.

  • Основание листа

Основанием листа выступает самая нижняя его часть, которая сочленена со стеблем. Зачастую, у основания листа располагается парное количество прилистников.

В зависимости от вида растения, край листа может иметь различную форму, включая: цельнокрайнюю, зубчатую, пильчатую, выемчатую, городчатую и т.п.

  • Верхушка листа

Как и край листа, верхушка бывает различной формы, включая: острую, округлую, туповатую, вытянутую, оттянутою и т.д.

Внутреннее строение листьев

Ниже представлена ​​близкая схема внутреннего строения тканей листьев:

Кутикула выступает главным, защитным слоем на поверхности растения. Как правило, она толще на верхней части листа. Кутикула покрыта веществом, похожим на воск, благодаря которому защищает растение от воды.

Эпидермис - слой клеток, который является покровной тканью листа. Его главная функция - защита внутренних тканей листа от обезвоживания, механических повреждений и инфекций. Он также регулирует процесс газообмена и транспирации.

Мезофилл - это основная ткань растения. Здесь происходит процесс фотосинтеза. У большинства растений мезофилл разделен на два слоя: верхний - палисадный и нижний - губчатый.

  • Защитные клетки

Защитные клетки - специализированные клетки в эпидермисе листьев, которые используются для контроля газообмена. Они выполняют защитную функцию для устьица. Устьичные поры становятся большими, когда вода есть в свободном доступе, в противном случае, защитные клетки становятся вялыми.

Фотосинтез зависит от проникновения углекислого газа (CO2) из воздуха через устьица в ткани мезофилла. Кислород (O2), полученный как побочный продукт фотосинтеза, выходит из растения через устьица. Когда устьица открытые, вода теряется в результате испарения и должна быть восполнена через поток транспирации, водой, поглощенной корнями. Растения вынуждены уравновешивать количество поглощенного СО2 из воздуха и потерю воды через устьичные поры.

Условия, необходимые для фотосинтеза

Ниже приведены условия, которые необходимы растениям для осуществления процесса фотосинтеза:

  • Углекислый газ. Бесцветный природный газ без запаха, обнаруженный в воздухе и имеет научное обозначение CO2. Он образуется при горении углерода и органических соединений, а также возникает в процессе дыхания.
  • Вода . Прозрачное жидкое химическое вещество без запаха и вкуса (в нормальных условиях).
  • Свет. Хотя искусственный свет также подходит для растений, естественный солнечный свет, как правило, создает лучшие условия для фотосинтеза, потому что в нем присутствует природное ультрафиолетовое излучение, которое оказывает положительное влияние на растения.
  • Хлорофилл. Это зеленый пигмент, найденный в листьях растений.
  • Питательные вещества и минералы. Химические вещества и органические соединения, которые корни растений поглощают из почвы.

Что образуется в результате фотосинтеза?

  • Глюкоза;
  • Кислород.

(Световая энергия показана в скобках, поскольку она не является веществом)

Заметка: Растения получают CO2 из воздуха через их листья, и воду из почвы через корни. Световая энергия исходит от Солнца. Полученный кислород выделяется в воздух из листьев. Получаемую глюкозу можно превратить в другие вещества, такие как крахмал, который используется как запас энергии.

Если факторы, способствующие фотосинтезу, отсутствуют или присутствуют в недостаточном количестве, это может негативно повлиять на растение. Например, меньшее количество света создает благоприятные условия для насекомых, которые едят листья растения, а недостаток воды замедляет.

Где происходит фотосинтез?

Фотосинтез происходит внутри растительных клеток, в мелких пластидах, называемых хлоропластами. Хлоропласты (в основном встречающиеся в слое мезофилла) содержат зеленое вещество, называемое хлорофиллом. Ниже приведены другие части клетки, которые работают с хлоропластом, чтобы осуществить фотосинтез.

Строение растительной клетки

Функции частей растительной клетки

  • : обеспечивает структурную и механическую поддержку, защищает клетки от , фиксирует и определяет форму клетки, контролирует скорость и направление роста, а также придает форму растениям.
  • : обеспечивает платформу для большинства химических процессов, контролируемых ферментами.
  • : действует как барьер, контролируя движение веществ в клетку и из нее.
  • : как было описано выше, они содержат хлорофилл, зеленое вещество, которое поглощает световую энергию в процессе фотосинтеза.
  • : полость внутри клеточной цитоплазмы, которая накапливает воду.
  • : содержит генетическую марку (ДНК), которая контролирует деятельность клетки.

Хлорофилл поглощает световую энергию, необходимую для фотосинтеза. Важно отметить, что поглощаются не все цветовые длины волны света. Растения в основном поглощают красную и синюю волны - они не поглощают свет в зеленом диапазоне.

Углекислый газ в процессе фотосинтеза

Растения получают углекислый газ из воздуха через их листья. Углекислый газ просачивается через маленькое отверстие в нижней части листа - устьицу.

Нижняя часть листа имеет свободно расположенные клетки, чтобы углекислый газ достиг других клеток в листьях. Это также позволяет кислороду, образующемуся при фотосинтезе, легко покидать лист.

Углекислый газ присутствует в воздухе, которым мы дышим, в очень низких концентрациях и служит необходимым фактором темновой фазы фотосинтеза.

Свет в процессе фотосинтеза

Лист обычно имеет большую площадь поверхности, поэтому он может поглощать много света. Его верхняя поверхность защищена от потери воды, болезней и воздействия погоды восковым слоем (кутикулой). Верх листа находится там, где падает свет. Этот слой мезофилла называется палисадным. Он приспособлен для поглощения большого количества света, ведь в нем находится много хлоропластов.

В световых фазах, процесс фотосинтеза увеличивается с большим количеством света. Больше молекул хлорофилла ионизируется, и больше генерируется АТФ и НАДФН, если световые фотоны сосредоточены на зеленом листе. Хотя свет чрезвычайно важен в световых фазах, необходимо отметить, что чрезмерное его количество может повредить хлорофилл, и уменьшить процесс фотосинтеза.

Световые фазы не слишком сильно зависят от температуры, воды или углекислого газа, хотя все они нужны для завершения процесса фотосинтеза.

Вода в процессе фотосинтеза

Растения получают воду, необходимую для фотосинтеза через свои корни. Они имеют корневые волоски, которые разрастаются в почве. Корни характеризуются большой площадью поверхности и тонкими стенками, что позволяет воде легко проходить сквозь них.

На изображении представлены растения и их клетки с достаточным количеством воды (слева) и ее нехваткой (справа).

Заметка: Корневые клетки не содержат хлоропластов, поскольку они, как правило, находятся в темноте и не могут фотосинтезировать.

Если растение не впитывает достаточное количество воды, оно увядает. Без воды, растение будет не способно фотосинтезировать достаточно быстро, и может даже погибнуть.

Какое значение имеет вода для растений?

  • Обеспечивает растворенными минералами, которые поддерживают здоровье растений;
  • Является средой для транспортировки ;
  • Поддерживает устойчивость и прямостояние;
  • Охлаждает и насыщает влагой;
  • Дает возможность проводить различные химические реакции в растительных клетках.

Значение фотосинтеза в природе

Биохимический процесс фотосинтеза использует энергию солнечного света для преобразования воды и углекислого газа в кислород и глюкозу. Глюкоза используется в качестве строительных блоков в растениях для роста тканей. Таким образом, фотосинтез - это способ, благодаря которому формируются корни, стебли, листья, цветы и плоды. Без процесса фотосинтеза растения не смогут расти или размножаться.

Из-за фотосинтетической способности, растения известны как продуценты и служат основой почти каждой пищевой цепи на Земле. (Водоросли являются эквивалентом растений в ). Вся пища, которую мы едим, происходит от организмов, являющихся фотосинтетиками. Мы питаемся этими растениями напрямую или едим животных, таких как коровы или свиньи, которые потребляют растительную пищу.

  • Основа пищевой цепи

Внутри водных систем, растения и водоросли также составляют основу пищевой цепи. Водоросли служат пищей для , которые, в свою очередь, выступают источником питания для более крупных организмов. Без фотосинтеза в водной среде жизнь была бы невозможна.

  • Удаление углекислого газа

Фотосинтез превращает углекислый газ в кислород. Во время фотосинтеза углекислый газ из атмосферы поступает в растение, а затем выделяется в виде кислорода. В сегодняшнем мире, где уровни двуокиси углерода растут ужасающими темпами, любой процесс, который устраняет углекислый газ из атмосферы, является экологически важным.

  • Круговорот питательных веществ

Растения и другие фотосинтезирующие организмы играют жизненно важную роль в круговороте питательных веществ. Азот в воздухе фиксируется в растительных тканях и становится доступным для создания белков. Микроэлементы, находящиеся в почве, также могут быть включены в растительную ткань и стать доступными для травоядных животных, дальше по пищевой цепи.

  • Фотосинтетическая зависимость

Фотосинтез зависит от интенсивности и качества света. На экваторе, где солнечный свет обилен весь год и вода не является ограничивающим фактором, растения имеют высокие темпы роста, и могут стать довольно большими. И наоборот, фотосинтез в более глубоких частях океана встречается реже, поскольку свет не проникает в эти слои, и в результате эта экосистема оказывается более бесплодной.

5.11C: Две части фотосинтеза

Светозависимые и светонезависимые реакции - это две последовательные реакции, которые происходят во время фотосинтеза.

Цели обучения

  • Различать две части фотосинтеза

Ключевые моменты

  • В светозависимых реакциях энергия солнечного света поглощается хлорофиллом и преобразуется в химическую энергию в виде молекул-переносчиков электронов, таких как АТФ и НАДФН.
  • Световая энергия используется в фотосистемах I и II, которые присутствуют в тилакоидных мембранах хлоропластов.
  • В светонезависимых реакциях (цикл Кальвина) молекулы углеводов собираются из углекислого газа с использованием химической энергии, собираемой во время светозависимых реакций.

Ключевые термины

  • фотосистема : Любая из двух биохимических систем, действующих в хлоропластах, участвующих в фотосинтезе.

Фотосинтез проходит в два последовательных этапа:

  1. Светозависимые реакции;
  2. Светонезависимые реакции, или цикл Кальвина.

Светозависимые реакции

Как следует из названия, светозависимые реакции требуют солнечного света. В светозависимых реакциях энергия солнечного света поглощается хлорофиллом и преобразуется в запасенную химическую энергию в форме молекулы-носителя электронов НАДФН (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) и молекулы обмена энергии АТФ (аденозинтрифосфата).Светозависимые реакции происходят в мембранах тилакоидов в грануле (стопке тилакоидов) внутри хлоропласта.

Рисунок: Две стадии фотосинтеза : Фотосинтез проходит в две стадии: светозависимые реакции и цикл Кальвина (светонезависимые реакции). Светозависимые реакции, которые происходят в тилакоидной мембране, используют световую энергию для образования АТФ и НАДФН. Цикл Кальвина, протекающий в строме, использует энергию, полученную из этих соединений, для производства GA3P из CO2.

Фотосистемы

Процесс преобразования световой энергии в химическую энергию происходит в мультибелковом комплексе, называемом фотосистемой. В тилакоидную мембрану встроены два типа фотосистем: фотосистема II (ФСII) и фотосистема I (ФСI). Каждая фотосистема играет ключевую роль в захвате энергии солнечного света путем возбуждения электронов. Эти заряженные электроны переносятся молекулами «энергоносителя», которые приводят в действие светонезависимые реакции.

Фотосистемы состоят из светособирающего комплекса и реакционного центра.Пигменты светособирающего комплекса передают световую энергию двум особым молекулам хлорофилла и в реакционном центре. Свет возбуждает электрон от хлорофилла пары , который переходит к первичному акцептору электронов. Затем необходимо заменить возбужденный электрон. В фотосистеме II электрон возникает в результате расщепления воды, которая выделяет кислород в качестве побочного продукта. В фотосистеме I электрон поступает из цепи переноса электронов хлоропласта.

Две фотосистемы окисляют разные источники питания низкоэнергетических электронов, доставляют заряженные ими электроны в разные места и реагируют на световые волны разной длины.

Рисунок: Фотосистемы I и II : Как объяснялось выше, фотосистемы манипулируют электронами с помощью энергии, полученной из света.

Светонезависимые реакции

В светонезависимых реакциях или цикле Кальвина возбужденные электроны из светозависимых реакций обеспечивают энергию для образования углеводов из молекул углекислого газа. Независимые от света реакции иногда называют циклом Кальвина из-за цикличности процесса.

Хотя светонезависимые реакции не используют свет в качестве реагента (и, как результат, могут происходить днем ​​или ночью), они требуют, чтобы продукты светозависимых реакций функционировали.Светонезависимые молекулы зависят от молекул энергоносителя, АТФ и НАДФН, для создания новых молекул углеводов. После передачи энергии молекулы энергоносителя возвращаются в светозависимые реакции для получения более заряженных электронов. Кроме того, светом активируются некоторые ферменты светонезависимых реакций.

Обзор фотосинтеза | Безграничная биология

Цель и процесс фотосинтеза

Процесс фотосинтеза преобразует световую энергию в химическую энергию, которая может использоваться организмами для различных метаболических процессов.

Цели обучения

Опишите процесс фотосинтеза

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Фотосинтез эволюционировал как способ хранения энергии солнечного излучения в виде высокоэнергетических электронов в молекулах углеводов.
  • Растения, водоросли и цианобактерии, известные как фотоавтотрофы, являются единственными организмами, способными к фотосинтезу.
  • Гетеротрофы, неспособные производить себе пищу, полагаются на углеводы, производимые фотосинтезирующими организмами, для удовлетворения своих энергетических потребностей.
Ключевые термины
  • фотосинтез : процесс, с помощью которого растения и другие фотоавтотрофы производят углеводы и кислород из углекислого газа, воды и световой энергии в хлоропластах
  • фотоавтотроф : организм, который может синтезировать собственную пищу, используя свет в качестве источника энергии
  • хемоавтотроф : простой организм, такой как простейшие, который получает свою энергию от химических процессов, а не от фотосинтеза

Важность фотосинтеза

Процессы всех организмов - от бактерий до людей - требуют энергии.Чтобы получить эту энергию, многие организмы получают доступ к накопленной энергии, поедая пищу. Плотоядные животные едят других животных, а травоядные - растения. Но откуда берется энергия, накопленная в пище? Всю эту энергию можно проследить до процесса фотосинтеза и световой энергии солнца.

Фотосинтез необходим для всей жизни на Земле. Это единственный биологический процесс, который захватывает энергию из космоса (солнечный свет) и преобразует ее в химическую энергию в форме G3P (
глицеральдегид-3-фосфат), который, в свою очередь, может быть преобразован в сахара и другие молекулярные соединения.Растения используют эти соединения во всех своих метаболических процессах; растениям не нужно потреблять другие организмы в пищу, потому что они строят все необходимые им молекулы. В отличие от растений, животным необходимо потреблять другие организмы, чтобы потреблять молекулы, необходимые для их метаболических процессов.

Процесс фотосинтеза

Во время фотосинтеза молекулы в листьях захватывают солнечный свет и заряжают электроны, которые затем сохраняются в ковалентных связях молекул углеводов.Эта энергия в этих ковалентных связях высвобождается, когда они разрываются во время клеточного дыхания. Насколько долговечны и стабильны эти ковалентные связи? Энергия, извлекаемая сегодня при сжигании угля и нефтепродуктов, представляет собой энергию солнечного света, захваченную и сохраненную в процессе фотосинтеза почти 200 миллионов лет назад.

Растения, водоросли и группа бактерий, называемых цианобактериями, - единственные организмы, способные к фотосинтезу. Поскольку они используют свет для производства собственной пищи, их называют фотоавтотрофами («самокормящимися с помощью света»).Другие организмы, такие как животные, грибы и большинство других бактерий, называются гетеротрофами («другие кормушки»), потому что они должны полагаться на сахара, производимые фотосинтезирующими организмами, для удовлетворения своих энергетических потребностей. Третья очень интересная группа бактерий синтезирует сахара, не используя энергию солнечного света, а извлекая энергию из неорганических химических соединений; следовательно, их называют хемоавтотрофами.

Фотосинтетические и хемосинтетические организмы : Фотоавтотрофы, включая (а) растения, (б) водоросли и (в) цианобактерии, синтезируют свои органические соединения посредством фотосинтеза, используя солнечный свет в качестве источника энергии.Цианобактерии и планктонные водоросли могут расти на огромных участках воды, иногда полностью покрывая поверхность. В (d) глубоководном источнике хемоавтотрофы, такие как эти (e) термофильные бактерии, улавливают энергию неорганических соединений для производства органических соединений. В экосистеме, окружающей вентиляционные отверстия, обитает множество разнообразных животных, таких как трубчатые черви, ракообразные и осьминоги, которые получают энергию от бактерий.

Важность фотосинтеза заключается не только в том, что он может улавливать энергию солнечного света.Ящерица, загорающая в холодный день, может использовать солнечную энергию, чтобы согреться. Фотосинтез жизненно важен, потому что он развился как способ хранения энергии солнечного излучения («фото-») в виде высокоэнергетических электронов в углерод-углеродных связях углеводных молекул («-синтез»). Эти углеводы являются источником энергии, который гетеротрофы используют для синтеза АТФ посредством дыхания. Таким образом, фотосинтез обеспечивает работу 99 процентов экосистем Земли. Когда высший хищник, такой как волк, охотится на оленя, волк находится в конце энергетического пути, который перешел от ядерных реакций на поверхности Солнца к свету, фотосинтезу, растительности, оленям и т. Д. наконец-то волку.

Основные структуры и краткое описание фотосинтеза

У многоклеточных автотрофов к основным клеточным структурам, обеспечивающим фотосинтез, относятся хлоропласты, тилакоиды и хлорофилл.

Цели обучения

Опишите основные структуры, участвующие в фотосинтезе, и вспомните химическое уравнение, которое резюмирует процесс фотосинтеза

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Химическое уравнение фотосинтеза [латекс] 6CO_2 + 6H_2O \ rightarrow C_6H_ {12} O_6 + 6O_2.[/ латекс]
  • У растений процесс фотосинтеза происходит в мезофилле листьев внутри хлоропластов.
  • Хлоропласты содержат дискообразные структуры, называемые тилакоидами, которые содержат пигментный хлорофилл.
  • Хлорофилл поглощает определенные участки видимого спектра и улавливает энергию солнечного света.
Ключевые термины
  • хлоропласт : Органелла, обнаруженная в клетках зеленых растений и фотосинтезирующих водорослей, где происходит фотосинтез.
  • мезофилл : слой клеток, который составляет большую часть внутренней части листа между верхним и нижним слоями эпидермиса.
  • устьица : Пора в эпидермисе листа и стебля, которая используется для газообмена.

Обзор фотосинтеза

Фотосинтез - это многоступенчатый процесс, для которого необходимы солнечный свет, углекислый газ и вода в качестве субстратов. Он производит кислород и глицеральдегид-3-фосфат (G3P или GA3P), простые углеводные молекулы с высоким содержанием энергии, которые впоследствии могут быть преобразованы в глюкозу, сахарозу или другие молекулы сахара.Эти молекулы сахара содержат ковалентные связи, которые хранят энергию. Организмы расщепляют эти молекулы, чтобы высвободить энергию для использования в клеточной работе.

Фотосинтез : Фотосинтез использует солнечную энергию, углекислый газ и воду для производства энергоемких углеводов. Кислород образуется как побочный продукт фотосинтеза.

Энергия солнечного света запускает реакцию молекул углекислого газа и воды с образованием сахара и кислорода, как видно из химического уравнения фотосинтеза.Хотя уравнение выглядит простым, оно состоит из множества сложных шагов. Прежде чем изучать детали того, как фотоавтотрофы преобразуют энергию света в химическую энергию, важно ознакомиться с соответствующими структурами.

Химическое уравнение фотосинтеза : Основное уравнение фотосинтеза обманчиво просто. На самом деле процесс включает в себя множество этапов с участием промежуточных реагентов и продуктов. Глюкоза, основной источник энергии в клетках, состоит из двух трехуглеродных молекул GA3P.

Фотосинтез и лист

У растений фотосинтез обычно происходит в листьях, которые состоят из нескольких слоев клеток. Процесс фотосинтеза происходит в среднем слое, называемом мезофиллом. Газообмен углекислого газа и кислорода происходит через небольшие регулируемые отверстия, называемые устьицами (единственное число: стома), которые также играют роль в регулировании водного баланса растений. Устьица обычно расположены на нижней стороне листа, что сводит к минимуму потерю воды.Каждая стома окружена замыкающими клетками, которые регулируют открытие и закрытие устьиц, набухая или сжимаясь в ответ на осмотические изменения.

Структура листа (поперечный разрез) : Фотосинтез происходит в мезофилле. Слой палисада содержит большую часть хлоропласта и основной области, в которой осуществляется фотосинтез. Воздушный губчатый слой - это область хранения и газообмена. Устьица регулируют углекислый газ и водный баланс.

Фотосинтез в хлоропласте

У всех автотрофных эукариот фотосинтез происходит внутри органеллы, называемой хлоропластом.У растений хлоропластсодержащие клетки существуют в мезофилле. Хлоропласты имеют двойную мембранную оболочку, состоящую из внешней и внутренней мембран. Внутри двойной мембраны расположены многослойные дискообразные структуры, называемые тилакоидами.

В тилакоидную мембрану встроен хлорофилл - пигмент, который поглощает определенные участки видимого спектра и улавливает энергию солнечного света. Хлорофилл придает растениям зеленый цвет и отвечает за первоначальное взаимодействие между светом и растительным материалом, а также за многочисленные белки, составляющие цепь переноса электронов.Тилакоидная мембрана охватывает внутреннее пространство, называемое просветом тилакоида. Стопка тилакоидов называется гранумом, а заполненное жидкостью пространство, окружающее гранум, - стромой или «слоем».

Структура хлоропласта : Фотосинтез происходит в хлоропластах, которые имеют внешнюю и внутреннюю мембраны. Стеки тилакоидов, называемые грана, образуют третий мембранный слой.

Две части фотосинтеза

Светозависимые и светонезависимые реакции - это две последовательные реакции, которые происходят во время фотосинтеза.

Цели обучения

Различать две части фотосинтеза

Основные выводы

Ключевые моменты
  • В светозависимых реакциях энергия солнечного света поглощается хлорофиллом и преобразуется в химическую энергию в виде молекул-переносчиков электронов, таких как АТФ и НАДФН.
  • Световая энергия используется в фотосистемах I и II, которые присутствуют в тилакоидных мембранах хлоропластов.
  • В светонезависимых реакциях (цикл Кальвина) молекулы углеводов собираются из углекислого газа с использованием химической энергии, собираемой во время светозависимых реакций.
Ключевые термины
  • фотосистема : Любая из двух биохимических систем, действующих в хлоропластах, участвующих в фотосинтезе.

Фотосинтез проходит в два последовательных этапа:

  1. Светозависимые реакции;
  2. Светонезависимые реакции, или цикл Кальвина.

Светозависимые реакции

Как следует из названия, светозависимые реакции требуют солнечного света. В светозависимых реакциях энергия солнечного света поглощается хлорофиллом и преобразуется в запасенную химическую энергию в форме молекулы-носителя электронов НАДФН (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) и молекулы обмена энергии АТФ (аденозинтрифосфата).Светозависимые реакции происходят в мембранах тилакоидов в грануле (стопке тилакоидов) внутри хлоропласта.

Две стадии фотосинтеза : Фотосинтез проходит в две стадии: светозависимые реакции и цикл Кальвина (светонезависимые реакции). Светозависимые реакции, которые происходят в тилакоидной мембране, используют световую энергию для образования АТФ и НАДФН. Цикл Кальвина, протекающий в строме, использует энергию, полученную из этих соединений, для производства GA3P из CO2.

Фотосистемы

Фотосистемы I и II : Как объяснялось выше, фотосистемы манипулируют электронами с помощью энергии, получаемой от света.

Процесс преобразования световой энергии в химическую энергию происходит в мультибелковом комплексе, называемом фотосистемой. В тилакоидную мембрану встроены два типа фотосистем: фотосистема II (ФСII) и фотосистема I (ФСI). Каждая фотосистема играет ключевую роль в захвате энергии солнечного света путем возбуждения электронов.Эти заряженные электроны переносятся молекулами «энергоносителя», которые приводят в действие светонезависимые реакции.

Фотосистемы состоят из светособирающего комплекса и реакционного центра. Пигменты светособирающего комплекса передают световую энергию двум особым молекулам хлорофилла и в реакционном центре. Свет возбуждает электрон от хлорофилла пары , который переходит к первичному акцептору электронов. Затем необходимо заменить возбужденный электрон.В фотосистеме II электрон возникает в результате расщепления воды, которая выделяет кислород в качестве побочного продукта. В фотосистеме I электрон поступает из цепи переноса электронов хлоропласта.

Две фотосистемы окисляют разные источники питания низкоэнергетических электронов, доставляют заряженные ими электроны в разные места и реагируют на световые волны разной длины.

Светонезависимые реакции

В светонезависимых реакциях или цикле Кальвина возбужденные электроны из светозависимых реакций обеспечивают энергию для образования углеводов из молекул углекислого газа.Независимые от света реакции иногда называют циклом Кальвина из-за цикличности процесса.

Хотя светонезависимые реакции не используют свет в качестве реагента (и, как результат, могут происходить днем ​​или ночью), они требуют, чтобы продукты светозависимых реакций функционировали. Светонезависимые молекулы зависят от молекул энергоносителя, АТФ и НАДФН, для создания новых молекул углеводов. После передачи энергии молекулы энергоносителя возвращаются в светозависимые реакции для получения более заряженных электронов.Кроме того, светом активируются некоторые ферменты светонезависимых реакций.

Две стадии фотосинтеза | Sciencing

Фотосинтез представляет собой биологический процесс, с помощью которого растения преобразуют световую энергию в сахар для топливных клеток растений. Состоит из двух стадий, одна стадия превращает световую энергию в сахар, а затем клеточное дыхание превращает сахар в аденозинтрифосфат, известный как АТФ, топливо для всей клеточной жизни. Преобразование неиспользуемого солнечного света делает растения зелеными.

Хотя механизмы фотосинтеза сложны, общая реакция протекает следующим образом: углекислый газ + солнечный свет + вода ---> глюкоза (сахар) + молекулярный кислород. Фотосинтез проходит в несколько этапов, которые происходят на двух этапах: светлая фаза и темная фаза.

Этап первый: световые реакции

В светозависимом процессе, который происходит в гранах, многослойной мембранной структуре внутри хлоропластов, прямая энергия света помогает растению производить молекулы, которые несут энергию для использования в темной фазе. фотосинтеза.Растение использует световую энергию для выработки кофермента никотинамидадениндинуклеотидфосфата, или НАДФН и АТФ, молекул, переносящих энергию. Химические связи в этих соединениях хранят энергию и используются во время темной фазы.

Вторая стадия: темновые реакции

Темная фаза, которая имеет место в строме и в темноте, когда присутствуют молекулы, несущие энергию, также известна как цикл Кальвина или цикл C 3 . Темная фаза использует АТФ и НАДФН, образующиеся в светлой фазе, для образования ковалентных связей С-С углеводов из диоксида углерода и воды с химическим бифосфатом рибулозы или RuBP, химическим веществом 5-C, улавливающим диоксид углерода.В цикл вступают шесть молекул углекислого газа, который, в свою очередь, производит одну молекулу глюкозы или сахара.

Как работает фотосинтез

Ключевым компонентом, который управляет фотосинтезом, является молекула хлорофилла. Хлорофилл - это большая молекула со специальной структурой, которая позволяет ему захватывать световую энергию и преобразовывать ее в электроны с высокой энергией, которые используются во время реакций двух фаз для получения сахара или глюкозы.

У фотосинтезирующих бактерий реакция происходит в клеточной мембране и внутри клетки, но вне ядра.У растений и фотосинтезирующих простейших - простейшие - это одноклеточные организмы, принадлежащие к области эукариот, той же области жизни, которая включает растения, животных и грибы - фотосинтез происходит в хлоропластах. Хлоропласты представляют собой тип органелл или мембраносвязанных компартментов, адаптированных для определенных функций, таких как создание энергии для растений.

Хлоропласты - история эволюции

Хотя сегодня хлоропласты существуют в других клетках, таких как клетки растений, у них есть собственная ДНК и гены.Анализ последовательности этих генов показал, что хлоропласты произошли от независимо живущих фотосинтезирующих организмов, связанных с группой бактерий, называемых цианобактериями.

Подобный процесс произошел, когда предки митохондрий, органелл внутри клеток, где происходит окислительное дыхание, химическая противоположность фотосинтеза. Согласно теории эндосимбиоза, теории, получившей развитие недавно благодаря новому исследованию, опубликованному в журнале Nature, и хлоропласты, и митохондрии когда-то жили как независимые бактерии, но были поглощены предками эукариот, что в конечном итоге привело к появление растений и животных.

5.1 Обзор фотосинтеза - Концепции биологии

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:
  • Обобщить процесс фотосинтеза
  • Объясните важность фотосинтеза для других живых существ
  • Определить реагенты и продукты фотосинтеза
  • Опишите основные структуры, участвующие в фотосинтезе

Все живые организмы на Земле состоят из одной или нескольких клеток.Каждая клетка работает на химической энергии, содержащейся в основном в молекулах углеводов (пища), и большинство этих молекул производятся одним процессом: фотосинтезом. Посредством фотосинтеза определенные организмы преобразуют солнечную энергию (солнечный свет) в химическую энергию, которая затем используется для создания молекул углеводов. Энергия, используемая для удержания этих молекул вместе, высвобождается, когда организм расщепляет пищу. Затем клетки используют эту энергию для выполнения работы, такой как клеточное дыхание.

Энергия фотосинтеза непрерывно поступает в экосистемы нашей планеты и передается от одного организма к другому.Следовательно, прямо или косвенно процесс фотосинтеза обеспечивает большую часть энергии, необходимой живым существам на Земле.

Фотосинтез также приводит к выбросу кислорода в атмосферу. Короче говоря, в том, чтобы есть и дышать, люди почти полностью зависят от организмов, осуществляющих фотосинтез.

Концепции в действии

Щелкните следующую ссылку, чтобы узнать больше о фотосинтезе.

Солнечная зависимость и производство продуктов питания

Некоторые организмы могут осуществлять фотосинтез, а другие - нет.Автотроф - это организм, который может производить себе пищу. Греческие корни слова autotroph означают «сам» ( auto ) «кормушка» ( troph ). Растения - самые известные автотрофы, но существуют и другие, в том числе определенные типы бактерий и водорослей (рис. 5.2). Океанические водоросли вносят огромное количество пищи и кислорода в глобальные пищевые цепи. Растения также являются фотоавтотрофами, типом автотрофов, которые используют солнечный свет и углерод углекислого газа для синтеза химической энергии в форме углеводов.Все организмы, осуществляющие фотосинтез, нуждаются в солнечном свете.

Рис. 5.2. (А) Растения, (б) водоросли и (в) некоторые бактерии, называемые цианобактериями, являются фотоавтотрофами, которые могут осуществлять фотосинтез. Водоросли могут расти на огромных участках воды, иногда полностью покрывая поверхность. (Фото a: Стив Хиллебранд, Служба охраны рыбных ресурсов и диких животных США; кредит b: «эвтрофикация и гипоксия» / Flickr; кредит c: НАСА; данные по шкале Мэтта Рассела)

Гетеротрофы - это организмы, неспособные к фотосинтезу, которые поэтому должны получать энергию и углерод из пищи, потребляя другие организмы.Греческие корни слова гетеротроф означают «другой» ( гетеро ) «кормушка» ( troph ), что означает, что их пища поступает от других организмов. Даже если пищевым организмом является другое животное, происхождение этой пищи восходит к автотрофам и процессу фотосинтеза. Люди - гетеротрофы, как и все животные. Гетеротрофы прямо или косвенно зависят от автотрофов. Олени и волки - гетеротрофы. Олень получает энергию, поедая растения. Волк, поедающий оленя, получает энергию, которая изначально поступала от растений, съеденных этим оленем.Энергия в растении поступала от фотосинтеза, и поэтому в данном примере это единственный автотроф (рис. 5.3). Используя это рассуждение, вся пища, потребляемая людьми, также связана с автотрофами, которые осуществляют фотосинтез.

Рис. 5.3. Энергия, запасенная в молекулах углеводов в результате фотосинтеза, проходит через пищевую цепь. Хищник, который ест этих оленей, получает энергию, происходящую от фотосинтезирующей растительности, которую потребляли олени. (Источник: Стив Ван Рипер, U.S. Fish and Wildlife Service)

Повседневная связь

Фотосинтез в продуктовом магазине

Рис. 5.4 Фотосинтез - это происхождение продуктов, составляющих основные элементы питания человека. (кредит: Associação Brasileira de Supermercados)

Основные продуктовые магазины в Соединенных Штатах разделены на отделы, такие как молочные продукты, мясные продукты, продукты, хлеб, крупы и т. д. В каждом проходе находятся сотни, если не тысячи, различных продуктов, которые покупатели могут покупать и потреблять (рисунок 5.4).

Хотя существует большое разнообразие, каждый элемент связан с фотосинтезом. Мясо и молочные продукты связаны с фотосинтезом, потому что животных кормили растительной пищей. Хлеб, крупы и макаронные изделия в основном получают из злаков, которые являются семенами фотосинтезирующих растений. А как насчет десертов и напитков? Все эти продукты содержат сахар - основную молекулу углеводов, образующуюся непосредственно в процессе фотосинтеза. Связь с фотосинтезом применима к каждому приему пищи и к каждой еде, которую потребляет человек.

Основные структуры и краткое описание фотосинтеза

Фотосинтез требует солнечного света, двуокиси углерода и воды в качестве исходных реагентов (рис. 5.5). После завершения процесса фотосинтез высвобождает кислород и производит молекулы углеводов, чаще всего глюкозу. Эти молекулы сахара содержат энергию, необходимую живым существам для выживания.

Рис. 5.5. Фотосинтез использует солнечную энергию, углекислый газ и воду для выделения кислорода и производства энергосберегающих молекул сахара.

Сложные реакции фотосинтеза можно описать химическим уравнением, показанным на рисунке 5.6.

Рис. 5.6. Процесс фотосинтеза можно представить уравнением, в котором углекислый газ и вода производят сахар и кислород, используя энергию солнечного света.

Хотя уравнение выглядит простым, многие шаги, которые происходят во время фотосинтеза, на самом деле довольно сложны, как в том, как реакция, суммирующая клеточное дыхание, представляет собой множество индивидуальных реакций.Прежде чем изучать детали того, как фотоавтотрофы превращают солнечный свет в пищу, важно ознакомиться с задействованными физическими структурами.

У растений фотосинтез происходит в основном в листьях, которые состоят из многих слоев клеток и имеют дифференцированную верхнюю и нижнюю стороны. Процесс фотосинтеза происходит не на поверхностных слоях листа, а в среднем слое, называемом мезофиллом (рис. 5.7). Газообмен углекислого газа и кислорода происходит через небольшие регулируемые отверстия, называемые устьицами.

У всех автотрофных эукариот фотосинтез происходит внутри органеллы, называемой хлоропластом. У растений хлоропластсодержащие клетки существуют в мезофилле. Хлоропласты имеют двойную (внутреннюю и внешнюю) мембрану. Внутри хлоропласта находится третья мембрана, которая образует многослойные дискообразные структуры, называемые тилакоидами. В тилакоидную мембрану встроены молекулы хлорофилла, пигмента (молекула, поглощающая свет), через которую начинается весь процесс фотосинтеза.Хлорофилл отвечает за зеленый цвет растений. Тилакоидная мембрана охватывает внутреннее пространство, называемое тилакоидным пространством. В фотосинтезе участвуют и другие типы пигментов, но хлорофилл, безусловно, является наиболее важным. Как показано на рис. 5.7, стопка тилакоидов называется гранумом, а пространство, окружающее гранум, называется стромой (не путать с устьицами, отверстиями на листьях).

Визуальное соединение

Рисунок 5.7 Не все клетки листа осуществляют фотосинтез.Клетки в среднем слое листа содержат хлоропласты, которые содержат фотосинтетический аппарат. (кредит «лист»: модификация работы Кори Занкера)

В жаркий и сухой день растения закрывают устьица для экономии воды. Какое влияние это окажет на фотосинтез?

Две части фотосинтеза

Фотосинтез проходит в два этапа: светозависимые реакции и цикл Кальвина. В светозависимых реакциях, которые происходят на тилакоидной мембране, хлорофилл поглощает энергию солнечного света, а затем преобразует ее в химическую энергию с использованием воды.Светозависимые реакции высвобождают кислород в результате гидролиза воды в качестве побочного продукта. В цикле Кальвина, который происходит в строме, химическая энергия, полученная в результате светозависимых реакций, управляет как захватом углерода в молекулах углекислого газа, так и последующей сборкой молекул сахара. Две реакции используют молекулы-носители для передачи энергии от одной к другой. Носители, которые перемещают энергию из светозависимых реакций в реакции цикла Кальвина, можно рассматривать как «полные», потому что они несут энергию.После высвобождения энергии «пустые» энергоносители возвращаются к светозависимым реакциям, чтобы получить больше энергии.

Блок-схема фотосинтеза - исследуйте тайну природы

> Пример Edraw> Схема фотосинтеза - исследуйте тайну природы

Что такое фотосинтез? Как это работает? Познакомьтесь с самым великолепным искусством природы с помощью блок-схемы!

В этой статье будет представлен процесс фотосинтеза, как он работает и как нарисовать блок-схему, чтобы представить рабочий процесс внутри растения, когда происходит фотосинтез.

Что такое фотосинтез

Фотосинтез - это процесс, который происходит у всех автотрофных организмов, таких как зеленые растения, они используют солнечную энергию для производства сахара и кислорода из CO и воды. На изображении ниже показана основная концепция фотосинтеза:

Другими словами, фотосинтез - это процесс, когда растения сами добывают себе пищу.

Процесс фотосинтеза

Фотосинтез имеет две фазы, они обычно известны как «световая реакция фотосинтеза» и «темная реакция фотосинтеза».Мы проанализируем эти две фазы по очереди.

1. Световая реакция фотосинтеза: АДФ + НАДФ + h3O → АТФ + НАДФН + ион H + O2

Эта реакция фотосинтеза происходит только при наличии света. В этой реакции свет попадает в реакционные центры хлорофилла в хлоропластах. Хлорофилл будет вибрировать, заставляя молекулу воды (h3O) и кислород (O) выделяться в воздух, а оставшиеся молекулы водорода (H) из воды (h3O) остаются в хлоропласте и присоединяются к NADP .В этой фазе фотосинтеза энергия теряется вдоль цепи переноса электронов, чтобы перезарядить АТФ от АДФ . Во время этого процесса световая энергия преобразуется в химическую энергию и, наконец, производится молекул АТФ и молекул. Эта реакция также известна как светозависимая реакция .

2. Реакция фотосинтеза в темноте: АТФ + НАДФН + СО2 → АДФ + НАДФ + глюкоза

Эта фаза фотосинтеза не требует света и происходит в строме.В этой реакции углекислый газ (CO2) в атмосфере соединяется с водородом (H) из молекул воды и образует глюкозу . Во время этого процесса молекул АТФ и будут преобразованы в простые сахара. Эта реакция также известна как светонезависимая реакция .

Схема фотосинтеза

Блок-схема - это способ показать этапы процесса. Ниже приведена блок-схема процесса фотосинтеза, которая показывает этапы световой реакции и темновой реакции фотосинтеза, созданной в EdrawMax, мощном программном обеспечении для блок-схем, которое может помочь нарисовать блок-схемы за несколько шагов .

Примечания:

  • Углекислый газ и кислород попадают в листья растений и выходят из них через устьица.
  • Хлорофилл в хлоропластах клеток листа поглощает энергию солнечного света.
  • Хлорофилл и другие каротиноиды переносят световую энергию
  • Легкая реакция производит углеводы с использованием АТФ и НАДФН.
  • Темная реакция производит сахар из углекислого газа с помощью АТФ и НАДФН.

Загрузите бесплатно это мощное и простое в использовании программное обеспечение для построения блок-схем и диаграмм.

Больше информации

Определение блок-схемы

Три типа блок-схем

Что такое блок-схема алгоритма

Программное обеспечение Edraw Flowchart: лучший инструмент для создания блок-схем для работы

Обзор фотосинтеза - биология 2e

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

  • Объясните значение фотосинтеза для других живых организмов
  • Опишите основные структуры, участвующие в фотосинтезе
  • Определить субстраты и продукты фотосинтеза

Фотосинтез необходим для всей жизни на Земле; от него зависят и растения, и животные.Это единственный биологический процесс, который может улавливать энергию, исходящую от солнечного света, и преобразовывать ее в химические соединения (углеводы), которые каждый организм использует для поддержания своего метаболизма. Это также источник кислорода, необходимого для многих живых организмов. Короче говоря, энергия солнечного света «улавливается» для возбуждения электронов, энергия которых затем сохраняется в ковалентных связях молекул сахара. Насколько долговечны и стабильны эти ковалентные связи? Энергия, извлекаемая сегодня при сжигании угля и нефтепродуктов, представляет собой энергию солнечного света, захваченную и сохраненную в процессе фотосинтеза 350–200 миллионов лет назад в каменноугольный период.

Растения, водоросли и группа бактерий, называемых цианобактериями, являются единственными организмами, способными к фотосинтезу ((Рисунок)). Поскольку они используют свет для производства собственной пищи, их называют фотоавтотрофами (буквально «самокормящимися с помощью света»). Другие организмы, такие как животные, грибы и большинство других бактерий, называются гетеротрофами («другие кормушки»), потому что они должны полагаться на сахара, производимые фотосинтезирующими организмами, для удовлетворения своих энергетических потребностей. Третья очень интересная группа бактерий синтезирует сахар не за счет энергии солнечного света, а за счет извлечения энергии из неорганических химических соединений.По этой причине их называют хемоавтотрофами.

Фотоавтотрофы, включая (а) растения, (б) водоросли и (в) цианобактерии, синтезируют свои органические соединения посредством фотосинтеза, используя солнечный свет в качестве источника энергии. Цианобактерии и планктонные водоросли могут расти на огромных участках воды, иногда полностью покрывая поверхность. В (d) глубоководном источнике хемоавтотрофы, такие как эти (e) термофильные бактерии, улавливают энергию неорганических соединений для производства органических соединений.В экосистеме, окружающей вентиляционные отверстия, обитает множество разнообразных животных, таких как трубчатые черви, ракообразные и осьминоги, которые получают энергию от бактерий. (кредит a: модификация работы Стива Хиллебранда, Служба охраны рыбных ресурсов и дикой природы США; кредит b: модификация работы с помощью «эвтрофикации и гипоксии» / Flickr; кредит c: модификация работы НАСА; кредит d: Вашингтонский университет, NOAA; кредит e : модификация работы Марка Аменда, Центр подводных исследований западного побережья и полярных регионов, UAF, NOAA)


Важность фотосинтеза заключается не только в том, что он может улавливать энергию солнечного света.В конце концов, ящерица, загорающая в холодный день, может использовать солнечную энергию для разогрева в процессе, называемом поведенческой терморегуляцией . Напротив, фотосинтез жизненно важен, потому что он эволюционировал как способ хранения энергии от солнечного излучения («фото-») до энергии углерод-углеродных связей углеводных молекул («-синтез»). Эти углеводы являются источником энергии, которую гетеротрофы используют для синтеза АТФ посредством дыхания. Таким образом, фотосинтез обеспечивает работу 99 процентов экосистем Земли.Когда высший хищник, такой как волк, охотится на оленя ((Рисунок)), волк находится в конце энергетического пути, который прошел от ядерных реакций на поверхности Солнца до видимого света, фотосинтеза и т. Д. растительность, олени и, наконец, волк.

Энергия, запасенная в молекулах углеводов в результате фотосинтеза, проходит по пищевой цепи. Хищник, поедающий этих оленей, получает часть энергии, происходящей от фотосинтезирующей растительности, которую олени потребляли.(кредит: модификация работы Стива Ван Рипера, Служба охраны рыболовства и дикой природы США)


Основные структуры и краткое описание фотосинтеза

Фотосинтез - это многоступенчатый процесс, который требует определенных длин волн видимого солнечного света, двуокиси углерода (с низким содержанием энергии) и воды в качестве субстратов ((Рисунок)). После завершения процесса он выделяет кислород и производит глицеральдегид-3-фосфат (GA3P), а также простые молекулы углеводов (с высоким содержанием энергии), которые затем могут быть преобразованы в глюкозу, сахарозу или любую из десятков других молекул сахара.Эти молекулы сахара содержат энергию и активированный углерод, которые необходимы всем живым существам для выживания.

Фотосинтез использует солнечную энергию, углекислый газ и воду для производства энергоемких углеводов. Кислород образуется как побочный продукт фотосинтеза.


Ниже приводится химическое уравнение фотосинтеза ((Рисунок)):

Основное уравнение фотосинтеза обманчиво просто. В действительности процесс проходит в несколько этапов с участием промежуточных реагентов и продуктов.Глюкоза, основной источник энергии в клетках, состоит из двух трехуглеродных GA3P.


Хотя уравнение выглядит простым, многие этапы фотосинтеза на самом деле довольно сложны. Прежде чем изучать детали того, как фотоавтотрофы превращают солнечный свет в пищу, важно ознакомиться с соответствующими структурами.

Базовые фотосинтетические структуры

У растений фотосинтез обычно происходит в листьях, которые состоят из нескольких слоев клеток.Процесс фотосинтеза происходит в среднем слое, называемом мезофиллом. Газообмен углекислого газа и кислорода происходит через небольшие регулируемые отверстия, называемые устьицами (единственное число: стома), которые также играют роль в регулировании газообмена и водного баланса. Устьица обычно расположены на нижней стороне листа, что помогает свести к минимуму потерю воды из-за высоких температур на верхней поверхности листа. Каждая стома окружена замыкающими клетками, которые регулируют открытие и закрытие устьиц, набухая или сжимаясь в ответ на осмотические изменения.

У всех автотрофных эукариот фотосинтез происходит внутри органеллы, называемой хлоропластом. У растений хлоропластсодержащие клетки существуют в основном в мезофилле. Хлоропласты имеют двойную мембранную оболочку (состоящую из внешней и внутренней мембран) и происходят от древних свободноживущих цианобактерий. Внутри хлоропласта расположены многослойные дискообразные структуры, называемые тилакоидами. В тилакоидную мембрану встроен хлорофилл, пигмент (молекула, поглощающая свет), ответственный за начальное взаимодействие между светом и растительным материалом, а также многочисленные белки, составляющие цепь переноса электронов.Тилакоидная мембрана охватывает внутреннее пространство, называемое просветом тилакоида. Как показано на (Рисунок), стопка тилакоидов называется гранумом, а заполненное жидкостью пространство, окружающее гранум, называется стромой или «ложем» (не путать со стомой или «ртом», отверстием в эпидермисе листа. ).

Визуальное соединение

Фотосинтез происходит в хлоропластах, которые имеют внешнюю и внутреннюю мембраны. Стеки тилакоидов, называемые грана, образуют третий мембранный слой.


В жаркий и сухой день замыкающие клетки растений закрывают устьица для экономии воды. Какое влияние это окажет на фотосинтез?

Упадет уровень углекислого газа (необходимого фотосинтетического субстрата). В результате скорость фотосинтеза снизится .–>

Две части фотосинтеза

Фотосинтез проходит в две последовательные стадии: светозависимые реакции и светонезависимые реакции.В светозависимых реакциях энергия солнечного света поглощается хлорофиллом, и эта энергия преобразуется в запасенную химическую энергию. В светонезависимых реакциях химическая энергия, собранная во время светозависимых реакций, управляет сборкой молекул сахара из углекислого газа. Следовательно, хотя светонезависимые реакции не используют свет в качестве реагента, они требуют, чтобы продукты светозависимых реакций функционировали. Кроме того, однако, некоторые ферменты светонезависимых реакций активируются светом.В светозависимых реакциях используются определенные молекулы для временного хранения энергии: они называются энергоносителями , . Носители энергии, которые перемещают энергию из светозависимых реакций в светонезависимые, можно рассматривать как «полные», потому что они богаты энергией. После высвобождения энергии «пустые» энергоносители возвращаются к светозависимой реакции, чтобы получить больше энергии. (Рисунок) иллюстрирует компоненты внутри хлоропласта, где происходят светозависимые и светонезависимые реакции.

Фотосинтез проходит в два этапа: светозависимые реакции и цикл Кальвина. Светозависимые реакции, которые происходят в тилакоидной мембране, используют световую энергию для образования АТФ и НАДФН. Цикл Кальвина, который имеет место в строме, использует энергию, полученную из этих соединений, для производства GA3P из CO 2 .


Ссылка на обучение

Щелкните ссылку, чтобы узнать больше о фотосинтезе.

Ежедневное подключение

Фотосинтез в продуктовом магазине

Пища, потребляемая людьми, возникает в результате фотосинтеза.(кредит: Associação Brasileira de Supermercados)


Основные продуктовые магазины в Соединенных Штатах разделены на отделы, например, молочные продукты, мясо, продукты, хлеб, крупы и т. Д. Каждый проход ((Рисунок)) содержит сотни, если не тысячи, различных продуктов, которые покупатели могут покупать и потреблять.

Хотя существует большое разнообразие, каждый элемент в конечном итоге может быть связан с фотосинтезом. Мясо-молочные продукты связаны, потому что животных кормили растительной пищей.Хлеб, крупы и макаронные изделия в основном получают из крахмалистых зерен, которые являются семенами растений, зависимых от фотосинтеза. А как насчет десертов и напитков? Все эти продукты содержат сахар - сахароза - это растительный продукт, дисахарид, молекула углеводов, которая строится непосредственно в результате фотосинтеза. Более того, многие предметы в меньшей степени получены из растений: например, бумажные изделия, как правило, являются растительными продуктами, а многие пластмассы (в большом количестве используются в качестве продуктов и упаковки) получены из «водорослей» (одноклеточных растительных организмов и цианобактерий).Практически все специи и ароматизаторы в ряду специй были произведены растением в виде листа, корня, коры, цветка, фрукта или стебля. В конечном итоге фотосинтез связан с каждым приемом пищи и каждой пищей, которую человек потребляет.

Сводка раздела

Процесс фотосинтеза изменил жизнь на Земле. Используя энергию солнца, эволюция фотосинтеза позволила живым существам получить доступ к огромному количеству энергии. Благодаря фотосинтезу живые существа получили доступ к достаточному количеству энергии, что позволило им строить новые структуры и достигать очевидного сегодня биоразнообразия.

Только некоторые организмы (фотоавтотрофы) могут осуществлять фотосинтез; они требуют наличия хлорофилла, специального пигмента, который поглощает определенные длины волн видимого спектра и может улавливать энергию солнечного света. Фотосинтез использует углекислый газ и воду для сборки молекул углеводов и выделения кислорода в качестве побочного продукта в атмосферу. У эукариотических автотрофов, таких как растения и водоросли, есть органеллы, называемые хлоропластами, в которых происходит фотосинтез и накапливается крахмал.У прокариот, таких как цианобактерии, этот процесс менее локализован и происходит внутри складчатых мембран, выступов плазматической мембраны и в цитоплазме.

Вопросы о визуальном подключении

(Рисунок) В жаркий и сухой день замыкающие клетки растений закрывают устьица для экономии воды. Какое влияние это окажет на фотосинтез?

(Рисунок) Уровень углекислого газа (необходимого фотосинтетического субстрата) немедленно упадет. В результате скорость фотосинтеза будет подавлена.

Обзорные вопросы

Какой из следующих компонентов не используется растениями и цианобактериями для фотосинтеза?

  1. хлоропластов
  2. хлорофилл
  3. двуокись углерода
  4. вода

Какие два основных продукта возникают в результате фотосинтеза?

  1. кислород и углекислый газ
  2. хлорофилл и кислород
  3. сахаров / углеводов и кислорода
  4. сахара / углеводы и диоксид углерода

В каком отделе растительной клетки происходят светонезависимые реакции фотосинтеза?

  1. тилакоид
  2. строма
  3. внешняя мембрана
  4. мезофилл

Какое утверждение о тилакоидах у эукариот неверно?

  1. Тилакоиды собраны в стопки.
  2. Тилакоиды существуют как лабиринт складчатых мембран.
  3. Пространство, окружающее тилакоиды, называется стромой.
  4. Тилакоиды содержат хлорофилл.

Предскажите конечный результат, если у светонезависимых ферментов хлоропласта возникнет мутация, которая предотвратит их активацию в ответ на свет.

  1. Накопление GA3P
  2. Накопление АТФ и НАДФН
  3. Накопление воды
  4. Истощение углекислого газа

Чем похожи молекулы НАДФН и GA3P во время фотосинтеза?

  1. Оба они являются конечными продуктами фотосинтеза.
  2. Они оба являются субстратами для фотосинтеза.
  3. Оба они производятся из углекислого газа.
  4. Они оба хранят энергию в химических связях.

Вопросы о критическом мышлении

Каков общий результат световых реакций при фотосинтезе?

Результат световых реакций при фотосинтезе - преобразование солнечной энергии в химическую энергию, которую хлоропласты могут использовать для работы (в основном, для анаболического производства углеводов из углекислого газа).

Почему плотоядные животные, такие как львы, зависят от фотосинтеза, чтобы выжить?

Потому что львы едят животных, которые едят растения.

Почему энергоносители считаются «полными» или «пустыми»?

Энергоносители, которые переходят от светозависимой реакции к светонезависимой, «полны», потому что несут энергию. После высвобождения энергии «пустые» энергоносители возвращаются к светозависимой реакции, чтобы получить больше энергии.Здесь не так много реального движения. И АТФ, и НАДФН продуцируются в строме, где они также используются и повторно превращаются в АДФ, Pi и НАДФ + .

Опишите, как на популяцию серых волков повлияет извержение вулкана, извергшее плотное облако пепла, блокировавшее солнечный свет в части Йеллоустонского национального парка.

Серые волки - высшие хищники в своей пищевой сети, что означает, что они потребляют более мелких животных-жертв и не являются добычей других животных.Блокировка солнечного света помешает растениям в нижней части пищевой сети выполнять фотосинтез. Это убило бы многие растения, уменьшив источники пищи, доступные для более мелких животных в Йеллоустоне. Меньшая популяция хищных животных означает, что в этом районе может выжить меньше волков, а популяция серых волков уменьшится.

Как закрытие устьиц ограничивает фотосинтез?

Устьица регулируют обмен газов и водяного пара между листом и окружающей его средой.Когда устьица закрыты, молекулы воды не могут покинуть лист, но лист также не может получать новые молекулы углекислого газа из окружающей среды. Это ограничивает светонезависимые реакции продолжением только до тех пор, пока запасы углекислого газа в листе не будут исчерпаны.

Глоссарий

хемоавтотроф
Организм, который может строить органические молекулы, используя энергию, полученную из неорганических химикатов, вместо солнечного света
хлоропласт
Органелла, в которой происходит фотосинтез
гранум
стопка тилакоидов, расположенных внутри хлоропласта
гетеротроф
Организм, потребляющий органические вещества или другие организмы в пищу
светозависимая реакция
первая стадия фотосинтеза, на которой определенные длины волн видимого света поглощаются с образованием двух энергоносителей (АТФ и НАДФН)
светонезависимая реакция
вторая стадия фотосинтеза, на которой углекислый газ используется для создания молекул углеводов с использованием энергии АТФ и НАДФН
мезофилл
средний слой богатых хлорофиллом клеток в листе
фотоавтотроф
Организм, способный производить собственные органические соединения из солнечного света
пигмент
Молекула, способная поглощать свет определенных длин волн и отражать другие (что и определяет ее цвет)
стома
Отверстие, регулирующее газообмен и испарение воды между листьями и окружающей средой, обычно расположено на нижней стороне листьев
строма
Заполненное жидкостью пространство, окружающее грану внутри хлоропласта, где происходят светонезависимые реакции фотосинтеза
тилакоид
дискообразная мембраносвязанная структура внутри хлоропласта, где происходят светозависимые реакции фотосинтеза; стеки тилакоидов называются грана
просвет тилакоида
водное пространство, ограниченное тилакоидной мембраной, где накапливаются протоны во время транспорта электронов под действием света

Фотосинтез I | Биология | Visionlearning

Прежде чем ученые поняли процесс фотосинтеза, они были не в состоянии объяснить, как растения могут расти и увеличивать свою массу так резко за счет того, что, казалось, было постоянным рационом воды.Фламандский химик 17 века по имени Жан Баптиста ван Гельмонт считал, что растения «извлекают» большую часть своей пищи из почвы (Van Helmont, 1841). Другие ученые предполагали, что растения приобретают свой вес и размер из-за углекислого газа, в то время как другие полагали, что только вода дает растениям их вес.

Однако ни одно из этих объяснений не подтвердилось при экспериментальной проверке. Тест за тестом, масса, потерянная почвой, водой и даже углекислым газом, не соответствовала массе, набранной растущим растением.Только спустя столетие после экспериментов Джозефа Пристли ученые начали подозревать, что солнечный свет является основным фактором роста растений.

Ранние эксперименты по открытию фотосинтеза

Пристли, которому частично приписывают открытие элементарного кислорода, обнаружил, что когда он помещал свежие веточки листьев мяты в запечатанный стеклянный контейнер, свеча горела дольше, чем если бы листьев там не было ( Фигура 1).Он также обнаружил, что ранее погасшая свеча могла снова загореться внутри запечатанной банки - иногда через несколько дней после того, как она перестала гореть, - если присутствовали листья мяты. Это заставило его подозревать, что листья каким-то образом «освежают» воздух внутри контейнера.

Рисунок 1: Эксперименты Пристли показали, что листья «освежают» воздух внутри закрытого контейнера.

Несколько лет спустя голландский ученый Ян Ингенхауз, услышав об экспериментах Пристли, начал проводить собственные эксперименты.Он погрузил растения ивы в воду и увидел, что на поверхности листьев образуются пузыри. Однако пузыри образовывались только тогда, когда эксперимент проводился при наличии солнечного света. Позже Ингенхауз определил, что пузырьки газа были кислородом, но так и не понял до конца значение того, что он наблюдал в отношении солнечного света.

Собираем все вместе: Реагенты и продукты фотосинтеза

Вместе эти химики установили продукты и реагенты фотосинтеза - воду, кислород, углекислый газ и свет.Но чтобы собрать все воедино, потребовались размышления немецкого физика по имени Юлиус фон Майер. Фон Майер первым предположил, что «энергия не создается и не разрушается», а также первым предположил, что растения получают энергию для роста из солнечного света.

Понимание фон Майером фотосинтеза подразумевало, что Солнце было основой всей жизни на Земле. По его словам, химическая энергия Солнца питает растения, которые, в свою очередь, питают почти все живое на планете.Он объяснил фотосинтез как процесс, который создает органические молекулы - сахара - из неорганических молекул углекислого газа и воды (Liebig, 1841). Он впервые сформулировал уравнение следующим образом:

CO 2 + H 2 O + световая энергия → O 2 + органическое вещество + химическая энергия

Работа других ученых помогла установить химическую формулу органических продуктов фотосинтез, который обычно упрощают до молекулы глюкозы: C 6 H 12 O 6 .Таким образом, правильно сбалансированная общая формула фотосинтеза принимает следующий вид:

6CO 2 + 6H 2 O + световая энергия → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Контрольная точка понимания

Растения берут энергию в форме _____ и скрывают ее в форме _____.

Энергия фотосинтеза исходит от света

Основным продуктом фотосинтеза (сахар) является молекула с высокой энергией, но реагенты (углекислый газ и вода) являются молекулами с низкой энергией, поэтому процесс фотосинтеза требует источника энергии. водить его.Молекулы, называемые пигментами , поглощают энергию света. Основным пигментом фотосинтеза является хлорофилл . Хлорофилл существует в нескольких различных формах в разных организмах. Хлорофилл a - основной фотосинтетический пигмент, содержащийся в наземных растениях и водорослях. Он поглощает свет в синем / фиолетовом диапазоне светового спектра (длины волн 400-450 нм), как вы можете видеть на рисунке 2. Он также в меньшей степени поглощает свет в красном диапазоне спектра (длины волн 650-700 нм). .Зеленый свет почти полностью отражается хлорофиллом, придавая растениям зеленоватый оттенок.

Рисунок 2: Спектр поглощения хлорофилла а и b.

Растения не используют в равной степени все длины волн, присутствующие в полном диапазоне видимого света - факт, впервые продемонстрированный немецким физиологом растений Т.В. Энгельманном в 1882 году. Он провел простой эксперимент, чтобы продемонстрировать, что синие и красные длины волн света имеют в частности, были самыми большими движущими силами фотосинтеза.

Контрольная точка понимания

молекул ______ стимулируют фотосинтез, поглощая энергию света.

Спектр действия фотосинтеза

Энгельманн разделил белый свет на его спектральные составляющие с помощью призмы и направил его на чашку с жидким раствором, содержащим фотосинтезирующие зеленые водоросли под названием Chladophora .Затем он выпустил в раствор бактерии. Бактерии, которым для выживания нужен кислород, мигрировали в те области чашки, где светился синий и красный свет. Почему? Потому что там, где светился красный и синий свет, фотосинтезирующие водоросли производили больше кислорода из-за повышенной фотосинтетической активности. Этой демонстрацией Энгельманн установил первый спектр действия фотосинтеза.

Хлорофилл a не полностью перекрывается спектром действия фотосинтеза, определенным Энгельманном (см. Таблицу 1).Это заставило ученых подозревать, что в растениях есть дополнительные пигменты, которые поглощают свет с разными длинами волн. Наземные растения содержат пигменты, такие как хлорофилл b и каротин, в то время как другие фотосинтезирующие организмы, такие как простейшие, имеют хлорофилл c и хлорофилл a .

Пигмент Пиковая абсорбция Отражает
Хлорофилл Хлорофилл а 400-450 нм зеленый
Хлорофилл b 450-500 нм желтый
Каротиноиды (α- и β-формы) 425-475 нм
Фикобилины красных водорослей и цианобактерий Длины волн, не поглощаемые хлорофиллом а Красный, оранжево-синий
Таблица 1 : Три основных класса фотосинтетических пигментов придают цвет растениям и другим фотосинтетическим организмам.

Растительные пигменты подразделяются на хлорофиллы и каротиноиды. Хлорофиллы отражают зеленый свет, а каротиноиды - красный, оранжевый и желтый свет. Каротиноиды придают моркови свой цвет. Их считают дополнительным пигментом, потому что они не могут передавать энергию солнечного света непосредственно в путь фотосинтеза. Каротиноиды передают поглощенную энергию хлорофиллу, который, в свою очередь, передает энергию фотосинтетическому пути.

Фотосинтетические пигменты - это большие гидрофобные молекулы, встроенные в белковые пигментные комплексы, называемые фотосистемами, которые работают как антенны для сбора солнечной энергии. У растений фотосистемы встроены в мембраны тилакоидов внутри хлоропластов (рис. 3).

Рисунок 3: Пигменты хлорофилла находятся в тилакоидных мембранах внутри органелл растительных клеток, называемых хлоропластами.

Контрольная точка понимания

Сельдерей и морковь имеют разные цвета, потому что их пигменты поглощают свет с разной длиной волны.

Фаза первая: светозависимые реакции

Фотосинтез происходит в две фазы: светозависимые реакции и цикл Кальвина-Бенсона (см. Видео «Фотосинтез I» ниже). Светозависимая реакция - это первая фаза, когда пигменты, такие как хлорофилл, собирают световую энергию.Цикл Кальвина-Бенсона использует эту энергию для синтеза высокоэнергетических молекул сахара из углекислого газа. У растений и водорослей световые реакции происходят внутри тилакоидных мембран хлоропластов. На анимации ниже представлен обзор фотосинтеза.

Когда фотон света (см. Модуль «Свет I: частица или волна?») Ударяет по молекуле пигмента, его энергия передается пигменту, и один из электронов пигмента становится «возбужденным».Когда происходит возбуждение электрона, он «перескакивает» в более высокое энергетическое состояние. Таким образом, энергия света «захватывается» пигментом в виде возбужденного электрона. Однако возбужденный электрон может удерживать эту энергию лишь на короткое время. Если он не может быстро передать энергию, электрон вернется в низкоэнергетическое состояние, и энергия будет выделяться в виде тепла.

Однако внутри хлоропласта листа есть много молекул пигмента, очень плотно упакованных в структуры, называемые светособирающими комплексами, которые представляют собой комбинации белков, кофакторов и молекул пигмента.Молекулы пигмента постоянно движутся случайным, броуновским движением, сталкиваясь друг с другом. Возбужденные пигменты передают энергию соседним пигментам, пока не достигнут реакционного центра, как показано на Рисунке 4.

Рисунок 4: Возбуждение электронов и передача энергии внутри светособирающего комплекса.

Подобно светособирающим комплексам, реакционные центры также состоят из белков, кофакторов и пигментов, но есть два типа реакционных центров: фотосистема I и фотосистема II.Фотосистема I, названная так потому, что она была открыта первой, также называется P700, потому что образующие ее молекулы пигмента особого хлорофилла и лучше всего поглощают свет с длиной волны 700 нм. Фотосистему II также называют P680, потому что образующие ее молекулы хлорофилла лучше всего поглощают свет с длиной волны 680 нм. В обоих случаях после возбуждения P700 или P680 фотоном или другой возбужденной молекулой пигмента один из его электронов переходит в более высокое энергетическое состояние.Разница между этими двумя фотосистемами заключается в том, что происходит дальше с этой собранной энергией. Посмотрите видео о фотосистемах I и II ниже.

Фотосистема II

Несмотря на то, что она была открыта и названа второй, на самом деле история фотосистемы II начинается. Когда фотон света попадает в реакционный центр фотосистемы II, он возбуждает электрон, который покидает его, и начинает свой путь через ряд высокоэнергетических акцепторов и доноров электронов, вместе известных как электронная транспортная цепь (ETC), как показано на рисунке 5.(Этот конкретный ETC называется цитохромом ETC по имени одного из членов цепи, который был обнаружен первым.)

Рисунок 5: Фотосистема II инициирует цепь переноса электронов и запускает протонный насос для синтеза АТФ.

В то же время две молекулы воды связываются с ферментом расщепления воды в реакционном центре фотосистемы II, как показано на рисунке 6. Когда молекулы воды расщепляются, ионизированные атомы водорода (H + ) попадают в тилакоидное пространство.Фермент цитохром b6f, следующая остановка в цепи после фотосистемы II, генерирует больше ионов для протонной помпы и отправляет возбужденные электроны к фотосистеме I. По мере того, как ионы водорода накапливаются в тилакоидном пространстве, они создают H + . градиент, который управляет синтезом АТФ. АТФ будет использоваться для синтеза сахара позже, в цикле Кальвина-Бенсона.

Рисунок 6: Образование O 2 фотосистемой II.

Атомы кислорода из расщепленных молекул воды также накапливаются в тилакоидном пространстве. Одиночные атомы кислорода очень реактивны и быстро объединяются с образованием молекулярного кислорода (O 2 ), который выделяется как побочный продукт фотосинтеза. Да, каждая молекула кислорода, которым мы дышим, образовалась где-то в хлоропласте как случайный побочный продукт расщепления воды. Электроны находятся в гораздо более низком энергетическом состоянии в конце ETC, чем в начале процесса.Они получают крайне необходимый импульс в реакционных центрах фотосистемы I.

Фотосистема I

Фотосистема I также состоит из светособирающих комплексов с большим количеством молекул пигмента для улавливания световой энергии. Световая энергия, полученная от фотонов и электронов промежуточной энергии из фотосистемы II, течет к особому хлорофиллу - структуре молекулы , называемой P700 в фотосистеме I.Электроны перескакивают в высокоэнергетическое состояние, когда фотон достигает P700, либо непосредственно от солнечного света, либо в результате столкновения с уже возбужденным пигментом.

После повторного возбуждения до высокого энергетического уровня электроны не задерживаются надолго. Возбужденные электроны покидают фотосистему I и проходят через другой ETC, но этот, называемый Ferredoxin ETC, намного короче и не управляет синтезом АТФ. Ферредоксин ETC передает возбужденные электроны акцептору электронов высокой энергии NADP + , который затем соединяется с протоном (H + ) из окружающего раствора и образует NADPH.Затем НАДФН доставляет высокоэнергетические электроны в цикл Кальвина для длительного хранения энергии в виде сахара (рис. 7).

Рисунок 7: Белки фотосинтеза, встроенные в тилакоидную мембрану, доставляют электроны высокой энергии в цикл Кальвина и отправляют ионы водорода в просвет для создания протонного градиента.

Контрольная точка понимания

В первой фазе фотосинтеза,

Фаза 2: цикл Кальвина-Бенсона

После того, как энергия света собрана в виде высокоэнергетических электронов, удерживаемых НАДФН, эти электроны затем используются для синтеза высокоэнергетических молекул сахара из низкоэнергетического исходного материала - диоксида углерода.Цикл Кальвина-Бенсона раньше назывался «реакцией темноты», потому что свет не участвует напрямую. Однако это название вводит в заблуждение, потому что продукты световых реакций необходимы для запуска цикла Кальвина. Таким образом, свет необходим , но не напрямую.

До сих пор мы видели, как поток электронов в световых реакциях протекает следующим образом (примечание: PSI и PSII обозначают фотосистему I и II):

Этот линейный путь называется нециклическим переносом электронов.Однако не все электроны движутся по этому линейному пути. Некоторые электроны возвращаются обратно и возвращаются в ФСII после ФСИ. Это называется циклическим потоком электронов .

Почему некоторые электроны пошли по избыточному пути, дважды получая энергию от PSII и дважды проходя через цитохром ETC? Ответ можно найти, если подумать о том, что производит ETC - АТФ. Простой нециклический поток электронов производит примерно равные количества АТФ и НАДФН.Однако цикл Кальвина требует больше АТФ, чем НАДФН. Таким образом, дополнительный переход через ETC, который происходит в циклическом потоке электронов, обеспечивает небольшой «импульс» АТФ, так что цикл Кальвина имеет все необходимое для синтеза сахаров.

Примерно за 300 лет наше понимание фотосинтеза перешло от простого определения всех основных продуктов и реагентов фотосинтеза к детальной картине вовлеченных молекулярных процессов.В этом модуле мы кратко описали, как электроны собираются, заряжаются и хранятся в ковалентных связях НАДФН. Этот процесс называется световыми реакциями и . В следующем модуле мы исследуем цикл Кальвина-Бенсона, в котором высокоэнергетические электроны НАДФН управляют синтезом углеводов - сахаров, которые обеспечивают пропитание почти всем живым существам на Земле.

Сводка

Посредством фотосинтеза растения собирают энергию солнца для производства кислорода и сахара, основного источника энергии для всех живых существ.Этот модуль знакомит с фотосинтезом, начиная с экспериментов, ведущих к его открытию. Объясняются этапы фотосинтеза. Темы включают роль хлорофилла, спектр действия фотосинтеза, длины волн света, которые управляют фотосинтезом, светособирающие комплексы и цепь переноса электронов.

Ключевые понятия

  • Фотосинтез - это процесс, с помощью которого организм преобразует световую энергию солнца в химическую энергию для своего существования.

  • Фотосинтез происходит у растений, водорослей и некоторых видов бактерий.

  • У растений хлоропласты содержат хлорофилл, поглощающий свет в красной и сине-фиолетовой областях спектра.

  • Фотосинтез происходит в две стадии: светозависимая стадия, которая происходит в тилакоидной мембране хлоропласта и собирает солнечную энергию, и светонезависимая стадия, которая забирает эту энергию и производит сахар из углекислого газа.

  • NGSS
  • HS-C5.2, HS-C5.4, HS-LS1.C1
  • Ссылки
  • Van Helmont, J.B. Ortus medicinae: id est initia phisicae inaudita: progressus medicinae novus in morborum vltionem ad vitam longam , (sumptibus Joan. Ant. Huguetan [et] Guillielmi Barbier, 1952).

  • Либих, Дж. Annalen der Chemie und Pharmacie , (CF Winter'sche, 1841).

Натан Х. Ленц, доктор философии, Джон Нишан «Фотосинтез I» Visionlearning Vol. БИО-3 (6), 2014.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

2015-2019 © Игровая комната «Волшебный лес», Челябинск
тел.:+7 351 724-05-51, +7 351 777-22-55 игровая комната челябинск, праздник детям челябинск