Фотосинтез

|

Биология

Мы знаем, что растение потребляет воду и солнечный свет, а в результате производит кислород. Но как это происходит? Чтобы понять, нужно рассмотреть процесс с точки зрения не только биологии, но и химии и физики. Каждая наука раскрывает свою сторону процесса, но, только объединившись, они дают целостную картину фотосинтеза.
Процесс фотосинтеза включает 2 фазы: световую, которая проходит на мембранах тилакоидов в присутствии света и темновую, которая не зависит от света и протекает в строме хлоропласта. В фотосинтезе участвуют многочисленные пигменты (особенно хлорофилл). В результате перемещения электронов по цепочке переносчиков запасается энергия в макроэргических связях АТФ, которая в последствии затрачивается на синтез углеводов в цикле Кальвина.

В виде побочного продукта фотосинтеза выделяется кислород, который используется многими организмами для дыхания. Благодаря ему, наша планета защищена от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей. В противном случае, УФ- излучение способно вызвать у человека ожоги кожи и роговицы, генетические мутации. Фотосинтез обеспечивает питанием огромное количество живых организмов.
Содержание
Александр Белобородов
Курирую урок, все предложения пишите в комментариях под уроком или личным сообщением
Хотите делать уроки с нами?
Вводное тестирование
Проверь готовность к уроку
Начать тест
Из каких элементов состоит побег растения?
Далее
Проверить
Показать результаты
Из чего состоит лист и какую функцию выполняет?
Далее
Проверить
Показать результаты
Что такое питание?
Далее
Проверить
Показать результаты
Что такое хлоропласт?
Полуавтономный органоид, осуществляющий процесс дыхания
Далее
Проверить
Показать результаты
Каково строение хлоропласта?

Далее
Проверить
Показать результаты
Хм...
Ты еще не готов к этому уроку
Заново
Молодец
Начинай изучать урок
Заново
Отлично
Полный вперёд!
Заново

Пигменты, участвующие в фотосинтезе

Фотосинтез может осуществляться только с помощью определенных веществ — пигментов. Фотосинтетические пигменты высших растений делятся на две группы: хлорофиллы и каротиноиды.

Локализация

Пигменты локализованы в мембранах хлоропластов. В хлоропласте содержится около 400 молекул хлорофилла. Хлоропласты обычно располагаются в клетке так, чтобы их мембраны находились под прямым углом к источнику света, что гарантирует максимальное поглощение света (они могут перемещаться в клетке, в зависимости от того, как падает свет).
Хлоропласт
Зерно крахмала
Тилакоид
Рибосомы
Строма
ДНК
Наружная мембрана
Внутренняя мембрана
Пластоглобула

Хлорофилл

У растений в фотосинтезе участвует пигмент хлорофилл, который содержится в хлоропластах на мембранах тилакоидов. Хлорофилл придает хлоропластам и всему растению зеленую окраску. Хлорофилл обладает уникальным свойством: он умеет поглощать энергию солнечного света, переходя в возбужденное состояние.

Хлорофиллы поглощают главным образом красную и сине-фиолетовую часть спектра. Зеленую часть спектра они отражают и потому придают растениям характерную зеленую окраску, если только ее не маскируют другие пигменты.

Пигменты содержатся не только в клетках высших растений, но и в клетках водорослей. В клетках водорослей отдела Зеленых преобладает пигмент хлорофилл. Именно поэтому данный тип водорослей окрашен в различные оттенки зеленого.

В красных водорослях очень много пигмента фикоэритрина, характеризующегося красным цветом. Этот пигмент и придает данному отделу этих растений соответствующий цвет.

В бурых водорослях присутствует пигмент фукоксантин – бурого цвета.
То же самое можно сказать о водорослях других цветов – желто-зеленых, сине-зеленых. В каждом случае цвет определяется каким-то пигментом или их сочетанием.
Каротиноиды
Каротиноиды поглощают солнечный свет (особенно в коротковолновой — сине-фиолетовой — части спектра) и поглощенную энергию передают хлорофиллу, а также защищают хлорофилл от избытка света и от окисления кислородом, выделяющимся при фотосинтезе.

Каротиноиды постоянно присутствуют в листьях, но незаметны из-за присутствия хлорофилла. Зато осенью, когда хлорофилл разрушается, каротиноиды становятся хорошо видны. Именно они придают листьям желтую и красную окраску.
Проверь себя
Надо еще позаниматься
Заново
Молодец, двигайся дальше
Заново

Универсальность молекулярного состава организмов

Биологические молекулы часто бывают универсальны и встречаются у совершенно разных организмов. Такая структура как молекула хлорофилла встречается у растений, а также у некоторых бактерий, но близкая ей по химическому составу молекула есть и у нас с вами. Это гемоглобин - железосодержащий белок крови животных. Различаются эти молекулы только центральными атомами железа, от которых, главным образом, и зависят основные функции этих веществ.
CH2
CH2
Формула хлорофилла
CH3
CH3
H3C
H3C
OH
O
O
OH
Mg
CH2
CH2
Формула гемоглобина
CH3
CH3
H3C
H3C
OH
O
O
OH
FeII
Поглощение солнечных лучей живыми организмами в мировом океане
В зависимости от пигментного состава, водоросли могут поглощать солнечную энергию на разной глубине. Таким образом, увидев водоросль на картинке или в магазине, вы сможете сказать примерную глубину, на которой эта водоросль могла расти. Например, зеленые водоросли распространены на глубине до 30 м, поскольку более активно поглощают красный свет.

Красные водоросли, живущие на глубине от 50 до 200 м, осуществляют фотосинтез, используя слабый голубоватый зеленый свет, который проникает через толщу воды.
Зеленые водоросли
Бурые водоросли
Красные водоросли

Световая фаза

Хлорофиллы объединяются в фотосистемы. Каждая фотосистема состоит из светособирающего комплекса, реакционного центра и переносчиков электронов. В них происходит возбуждение электрона, переход его по цепочке переносчиков, синтез АТФ и выделение О2 как побочного продукта . Световая фаза протекает на мембранах тилакоидов в хлоропластах исключительно при участии света.

Возбуждение хлорофиллов и перемещение электрона

Есть два типа фотосистем. Различаются они тем, что принимают разную длину волны света. Фотосистема II поглощает волны 680 нм за счет хлорофилла P680, а фотосистема I - свет длиной 700 нм за счет хлорофилла P700.

Молекулы хлорофилла фотосистем поглощают квант света. Один электрон каждой из них переходит на более высокий энергетический уровень (возбуждается) и перемещается далее по цепи переносчиков.

Молекулы хлорофилла, потерявшие электроны, становятся нестабильными и стремятся заполнить образовавшуюся «дыру». Фотосистема I восполняет потерю электронов через систему переносчиков электронов от фотосистемы II. Фотосистема II забирает электрон у воды в процессе фотолиза.

Фотолиз воды и образование кислорода

Одновременно с работой фотосистем происходит процесс распада воды под действием солнечного света. Этот процесс называется фотолиз.

В результате фотолиза образуются свободные электроны, кислород, ионы водорода. Электроны восполняют фотосистему II. Кислород выделяется в атмосферу. Ионы водорода накапливается в полости тилакоидов.

В полости тилакоида накапливается большой избыток ионов водорода, что приводит к созданию на мембране тилакоида градиента концентрации этих ионов.

Синтез молекул АТФ и образование НАДФ*2Н

Электрон проходит по цепи переносчиков (белков мембраны хлоропласта). В процессе этого перехода от одного переносчика к другому, электрон выделяет энергию, которая впоследствии тратится на синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата (Фн).

Градиент используется ферментом АТФ-синтетазой для синтеза АТФ из АДФ и фосфата. Происходит перенос ионов водорода через мембрану восстановленным переносчиком НАДФ (никотинамидадениндинуклеотид-фосфатом) с образованием НАДФ*Н.

Далее этот водород, который присоединил к себе НАДФ, тратится на синтез углеводов в цикле Кальвина в темновой фазе фотосинтеза.

Таким образом, энергия света запасается в световой фазе фотосинтеза в виде двух типов молекул: восстановленного переносчика НАДФ*Н и макроэргического соединения АТФ.
Проверь себя
Надо еще позаниматься
Заново
Молодец, двигайся дальше
Заново

Открытие фотосистем

Роберт Эмерсон путем опытов с 1942 по 1957 год анализировал влияние длины световой волны на квантовый выход фотосинтеза у одноклеточной водоросли хлореллы, то есть количество кислорода, выделившегося в процессе фотосинтеза в расчете на 1 квант поглощенной энергии.

Эмерсон установил, что у хлореллы наиболее эффективным для фотосинтеза был красный свет с длиной волны от 650 до 680 нм и синий свет с длиной волны от 400 до - 460 нм. Именно этот свет поглощается хлорофиллом. Он также вычислил, что фотосинтетическая эффективность красного света была на 36% выше, чем синего.

В следующих опытах было показано, что если клетки освещать красным светом с длиной волны от 650 до 680 нм, то квантовый выход достаточно высок.

Однако при дальнейшем увеличении длины волны света свыше 685 нм, квантовый выход фотосинтеза резко падает.

Если же хлореллу освещать и коротковолновым (650 нм) и длинноволновым (700 нм) красным светом, суммарный эффект будет больше, чем при действии каждого луча в отдельности. Это явление получило название эффекта усиления Эмерсона и дало возможность Эмерсону предположить, что в растениях существуют две фотосинтезирующие системы, которые должны работать согласованно.

Предположение Эмерсона легло в основу современной модели Z-фотосинтеза и дало толчок к исследованию физических, химических и функциональных свойств фотосистемы I и фотосистемы II.
Structure of Photosystem I created with Pymol from PDB 2o01

Темновая фаза

Синтез глюкозы и других сахаров происходит в темновую фазу фотосинтеза. Для темновой фазы фотосинтеза обязательными компонентами являются АТФ и НАДФ*Н (из световой фазы), углекислый газ (из атмосферы) и вода. Происходит в строме хлоропласта. Темновая фаза не нуждается в свете, поэтому протекает как на свету, так и в темноте.

Обеспечение растения углекислым газом

Растение постоянно поглощает углекислый газ из атмосферы. Для этой цели на поверхности листа имеются специальные структуры — устьица. Когда они открываются, CO2 поступает внутрь листа, растворяется в воде и восстанавливается до глюкозы с помощью НАДФ и АТФ.

Цикл Кальвина

За счёт энергии АТФ, полученной в световой фазе, в строме активируются молекулы рибулозофосфата. Он превращается в высокореакционное соединение рибулозодифосфат (РДФ), имеющее 5 атомов углерода.

Образуются две молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК), имеющей три углеродных атома. На следующем этапе ФГК реагирует с АТФ и образует дифосфоглицериновую кислоту. ДФГК взаимодействует с НАДФН₂ и восстанавливается до фосфоглицеринового альдегида (ФГА).

Все реакции происходят под действием специфических ферментов.

На следующем этапе путём конденсации ФГА и фосфодиоксиацетона образуется фруктозодифосфат, который содержит 6 атомов углерода и является исходным материалом для образования сахарозы и полисахаридов.

Фруктозодифосфат может взаимодействовать с ФГА и другими продуктами темновой фазы, давая начало цепям 4-, 5-, 6-, 7-углеродных сахаров. Одним из устойчивых продуктов фотосинтеза является рибулозофосфат, который снова включается в цикл реакций, взаимодействуя с АТФ. Чтобы получить молекулу глюкозы, необходимо прохождение 6 циклов реакций темновой фазы.

Углеводы (в том числе и глюкоза) являются основным продуктом фотосинтеза, но также из промежуточных продуктов цикла Кальвина образуются аминокислоты, жирные кислоты, гликолипиды.

Уравнение фотосинтеза

Суммарное общее уравнение фотосинтеза выглядит следующим образом:
6CO2 + 6H20 + hv (энергия квантов света) = C6H12O6 + 6O2
Проверь себя
Надо еще позаниматься
Заново
Молодец, двигайся дальше
Заново
СВЕТОВАЯ ФАЗА
ТЕМНОВАЯ ФАЗА
ТИЛАКОИДЫ
ГРАНА
СТРОМА
ВНУТРЕННЯЯ МЕМБРАНА
НАРУЖНАЯ МЕМБРАНА
1. Активизация света в фотосистеме
2. Фотолиз воды
3. Перемещение электрона
4. Выталкивание H+ в полость тилакоида
5. Синтез АТФ
6. Восстановление НАДФ
Цикл Кальвина
1. Фиксация углерода
2. Восстановление
3. Регенерация РДФ
Атом углерода
Движение H+
ХЛОРОПЛАСТ
Движение электрона

Что влияет на скорость фотосинтеза?

Скорость фотосинтеза неодинакова и меняется в зависимости от условий окружающей среды

Длина волны

Наиболее интенсивно процесс протекает под действием волн сине- фиолетовой и красной частей спектра. Также зависит от степени освещенности. До определённого значения изменения прямо пропорциональны, далее зависимость от интенсивности света теряется.

Вода

Важнейший фактор, переоценить значение которого трудно из-за участия воды во многих других процессах.

Температура

Все реакции фотосинтеза катализируются ферментами, для которых оптимальная температура составляет 25-30 градусов по Цельсию.

Углекислый газ

Чем выше концентрация углекислого газа, тем интенсивнее идёт процесс фотосинтеза. Обычно недостаток CO2 - главный ограничивающий фактор.

Значение фотосинтеза для окружающего мира

Рост растений

Избыток глюкозы запасается в виде крахмала. Именно в виде этих органических веществ растение накапливает энергию. Только небольшая их часть остается в листе и используется для его нужд. Остальные же углеводы путешествуют по ситовидным трубкам флоэмы по всему растению и поступают именно туда, где больше всего нужна энергия, например, в точки роста.

Источник органики

Фотосинтез является основным источником органического вещества на Земле, то есть обеспечивает живые организмы питанием и, как следствие, энергией.
Часть органики, накопленная с помощью фотосинтеза, будет участвовать в процессе нефтеобразования.

Источник кислорода и озона

Фотосинтез служит источником кислорода, составляющего 20 % атмосферы Земли. Весь атмосферный кислород образовался в результате фотосинтеза. Из кислорода в верхних слоях атмосферы образуется озон, который защищает всё живое на Земле от губительного действия УФ-лучей.
Лекция Михаила Никитина: "История фотосинтеза, или кто сделал небо голубым"

Резюме

Таким образом, стоит помнить, что фотосинтез, без преувеличений, важнейший, являющийся одним из самых сложных, до сих пор изучаемых биологических процессов.

Кратко о фотосинтезе

1
Фотосинтез протекает в хлопорластах
2
Основные процессы световой фазы:
  • Возбуждение электрона и его передача по цепи переносчиков
  • Синтез АТФ и восстановление НАДФ*H
  • Выделение О2 как продукта реакции
3
Основные процессы темновой фазы:
  • Использование CO2 для синтеза глюкозы и других сахаров в цикле Кальвина, которые в дальнейшем идут на питание растения
4
Скорость фотосинтеза зависит от температуры, воды, длины волны света, углекислого газа
5
Фотосинтез является основным источником кислорода
Выходное тестирование
Проверь как изучил урок
Начать тест
Основные процессы фотоситнеза?
Далее
Проверить
Показать результаты
Какая органелла растительных клеток принимает непосредственное участие в фотосинтезе?
Далее
Проверить
Показать результаты
Как вы думаете, представители каких царств живых организмов пользуются продуктами фотосинтеза для питания?
Далее
Проверить
Показать результаты
Хм...
Ты еще не готов к этому уроку
Заново
Молодец
Начинай изучать урок
Заново

Урок разработали

Можно копировать, распространять, улучшать, при условии указания авторства, ссылки на урок и сохранения данной лицензии у производного материала
Под свободной лицензией
CC-BY-SA-4.0
АВТОР
РЕДАКТУРА
ОФОРМЛЕНИЕ
ИСПОЛЬЗОВАЛИ

Помогите улучшить

Мы рады любой помощи по улучшению урока. Пишите комментарии с предложениями, отмечайте понятные или непонятные элементы урока.
Made on
Tilda