Провежда се фотосинтеза. Процесът на фотосинтеза в листата на растенията. Функции на части от растителна клетка

фотосинтезае процесът на синтез на органични вещества от неорганични с помощта на светлинна енергия. В по-голямата част от случаите фотосинтезата се извършва от растения с помощта на клетъчни органели като напр хлоропластисъдържащ зелен пигмент хлорофил.

Ако растенията не бяха способни да синтезират органична материя, тогава почти всички други организми на Земята нямаше да имат какво да ядат, тъй като животните, гъбите и много бактерии не могат да синтезират органични вещества от неорганични. Те само усвояват готови, разделят ги на по-прости, от които отново сглобяват сложни, но вече характерни за тялото им.

Такъв е случаят, ако говорим за фотосинтезата и нейната роля съвсем накратко. За да разберем фотосинтезата, трябва да кажем повече: какви специфични неорганични вещества се използват, как протича синтезата?

Фотосинтезата изисква две неорганични вещества - въглероден диоксид (CO 2) и вода (H 2 O). Първият се абсорбира от въздуха от надземните части на растенията главно чрез устицата. Водата идва от почвата, откъдето се доставя до фотосинтезиращите клетки чрез проводящата система на растението. Освен това фотосинтезата изисква енергията на фотоните (hν), но те не могат да бъдат приписани на материята.

Като цяло фотосинтезата произвежда органична материя и кислород (O2). Обикновено органичната материя най-често означава глюкоза (C 6 H 12 O 6).

Органичните съединения са съставени предимно от въглеродни, водородни и кислородни атоми. Те се намират във въглероден диоксид и вода. По време на фотосинтезата обаче се отделя кислород. Атомите му се вземат от вода.

Накратко и общо, уравнението за реакцията на фотосинтезата обикновено се записва, както следва:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Но това уравнение не отразява същността на фотосинтезата и не я прави разбираема. Вижте, въпреки че уравнението е балансирано, в него общият брой на атомите в свободния кислород е 12. Но ние казахме, че те идват от вода, а има само 6 от тях.

Всъщност фотосинтезата протича в две фази. Първият се нарича светлина, второ - тъмно. Такива имена се дължат на факта, че светлината е необходима само за светлата фаза, тъмната фаза е независима от нейното присъствие, но това не означава, че тя се появява на тъмно. Светлата фаза се появява върху мембраните на тилакоидите на хлоропласта, а тъмната фаза се среща в стромата на хлоропласта.

По време на светлинната фаза не се осъществява свързване на CO 2 . Всичко, което се случва, е улавянето на слънчевата енергия от хлорофилните комплекси, нейното съхранение в АТФ и използването на енергия за редуциране на NADP до NADP*H 2 . Потокът на енергия от светлинно възбудения хлорофил се осигурява от електрони, предавани по електронната транспортна верига на ензими, вградени в тилакоидните мембрани.

Водородът за NADP идва от вода, която се разлага от слънчевата светлина на кислородни атоми, водородни протони и електрони. Този процес се нарича фотолиза. Кислородът от водата не е необходим за фотосинтезата. Кислородните атоми от две водни молекули се комбинират, за да образуват молекулярен кислород. Уравнението на реакцията за светлинната фаза на фотосинтезата изглежда накратко така:

H 2 O + (ADP+P) + NADP → ATP + NADP*H 2 + ½O 2

По този начин освобождаването на кислород става по време на светлинната фаза на фотосинтезата. Броят на ATP молекулите, синтезирани от ADP и фосфорна киселина за фотолиза на една водна молекула, може да бъде различен: една или две.

И така, ATP и NADP*H 2 идват от светлата фаза към тъмната фаза. Тук енергията на първия и редукционната сила на втория се изразходват за свързване на въглероден диоксид. Този етап на фотосинтезата не може да бъде обяснен просто и кратко, защото не протича по такъв начин, че шест молекули CO 2 да се комбинират с водород, освободен от молекулите NADP*H 2, за да образуват глюкоза:

6CO 2 + 6NADP*H 2 →C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(реакцията протича с разхода на енергия АТФ, който се разпада на АДФ и фосфорна киселина).

Дадената реакция е просто опростяване за по-лесно разбиране. Всъщност молекулите на въглеродния диоксид се свързват една по една, присъединявайки се към вече готовото органично вещество с пет въглерода. Образува се нестабилно шествъглеродно органично вещество, което се разпада на тривъглеродни въглехидратни молекули. Някои от тези молекули се използват за ресинтезиране на оригиналното вещество с пет въглерода за свързване на CO 2 . Този ресинтез е осигурен Цикъл на Калвин. Малка част от въглехидратните молекули, съдържащи три въглеродни атома, излизат от цикъла. Всички други органични вещества (въглехидрати, мазнини, протеини) се синтезират от тях и други вещества.

Тоест всъщност тривъглеродните захари, а не глюкозата, излизат от тъмната фаза на фотосинтезата.

Растенията, като всички живи организми, се нуждаят от различни вещества, за да живеят, растат и се развиват. Те идват от външната за растението среда. В растителните клетки протичат различни химични процеси, в резултат на които от постъпилите вещества се образуват други характерни за растението вещества.

От почвата растението използва своите корени, за да абсорбира вода с разтворени в нея неорганични (минерални) вещества. А в зелените части на растенията, главно в листата, се образуват органични вещества. Процесът, при който растенията образуват органични вещества от неорганични, се нарича фотосинтеза.

Фотосинтезата е много сложен многоетапен процес, състоящ се от два основни етапа:

• Етап 1(светлинна фаза)Задължително условие е участието на слънчева енергия! Процесът започва със светлина. Той активира хлорофила (вещество, намиращо се в хлоропластите). А активираният хлорофил разгражда водната молекула на водород и кислород. Във въздуха се отделя кислород.
• Етап 2(тъмна фаза)Този етап на фотосинтезата се нарича тъмен, защото тук всички процеси протичат без участието на светлина. На този етап, в хода на много химични реакции, включващи въглероден диоксид и активни компоненти, получени по време на първия етап на фотосинтезата, се образува органична материя (въглехидрати) - захар (глюкоза).

Какви неорганични вещества са необходими за фотосинтезата?Това са въглероден диоксид и вода. Въглеродният диоксид се намира във въздуха. Там има около 0,03% от него. Въглеродният диоксид се отделя във въздуха по време на процеса на дишане на почти всички живи организми. Следователно, въпреки факта, че във въздуха има малко от него и растенията постоянно го абсорбират оттам, количеството въглероден диоксид непрекъснато се попълва. В допълнение, промишлеността и автомобилите, наред с други неща, отделят въглероден диоксид във въздуха. Водата за фотосинтеза идва от почвата през смукателната зона на корените.

Какви органични вещества се образуват по време на фотосинтезата?Това е глюкоза. Глюкозата е въглехидрат. Той е сладък и е част от захарната молекула. Както знаем, има три основни групи органични вещества: протеини, мазнини и въглехидрати. Наистина ли растенията не се нуждаят от протеини и мазнини? Необходими. Те обаче не се образуват по време на процеса на фотосинтеза, а по-късно, в резултат на различни биохимични реакции, протичащи в различни растителни клетки и органи. Включително и в корените. Тези реакции включват глюкоза и други химични съединения. Излишната глюкоза се превръща в нишесте в растенията и се съхранява в специални органи (например грудки).

Какви неорганични вещества се образуват по време на фотосинтезата?Това е кислород. Изпуска се във въздуха. Кислородът се използва от живите организми по време на процеса на дишане.

Как протича процесът на фотосинтеза?Процесът на фотосинтеза изисква слънчева светлина, за да се осъществи. светлина. Той съдържа енергия, която се превръща от растенията в енергията на химичните връзки в молекулата на глюкозата. В процеса на фотосинтеза участва специален пигмент хлорофил, който се намира в хлоропластите на растителните клетки. Именно хлорофилът придава зеления цвят на растенията. Той абсорбира целия спектър на видимата радиация с изключение на зеленото, което отразява. Ние виждаме обектите в цвета, който се отразява от тях.

По този начин, фотосинтезата е процесът на образуване на органични вещества от неорганични с цел съхраняване на светлинна енергия в химични връзки, който се осъществява с помощта на специален пигмент (в растенията това е хлорофил).

Тъй като слънчевата светлина е толкова важна за растенията, те се опитват да уловят колкото се може повече от нея. За тази цел в процеса на еволюцията са се развили специални приспособления. Листата на растенията обикновено са плоски и широки. Кожата им е тънка и прозрачна. Обикновено листата на растението са подредени така, че да не се засенчват един друг.

Целият сложен процес стъпка по стъпка на фотосинтеза протича непрекъснато в хлоропластите, докато зелените листа получават слънчева енергия. Глюкозата почти веднага се превръща в други въглехидрати, като нишесте. Тези органични вещества преминават през ситовидните тръби на лика от листата до всички части на растението: до пъпките, генеративните органи. От глюкоза и минерали в растителните клетки чрез процес на множество трансформации се образуват други органични вещества, включително протеини и мазнини. Всички тези органични вещества отиват за растежа и развитието на растението - тоест за изграждане на тялото му, а също така се отлагат в тъканите за съхранение и се използват при дишане.

фотосинтезае синтез на органични съединения в листата на зелени растения от вода и атмосферен въглероден диоксид, използвайки слънчева (светлинна) енергия, адсорбирана от хлорофила в хлоропластите.

Благодарение на фотосинтезата видимата светлинна енергия се улавя и преобразува в химическа енергия, която се съхранява (съхранява) в органични вещества, образувани по време на фотосинтезата.

Датата на откриване на процеса на фотосинтеза може да се счита за 1771 г. Английският учен Дж. Пристли обърна внимание на промените в състава на въздуха, дължащи се на жизнената дейност на животните. При наличието на зелени растения въздухът отново ставаше годен както за дишане, така и за горене. Впоследствие работата на редица учени (Y. Ingenhaus, J. Senebier, T. Saussure, J.B. Boussingault) установи, че зелените растения абсорбират CO 2 от въздуха, от който се образува органична материя с участието на вода в светлината . Именно този процес през 1877 г. немският учен В. Пфефер нарича фотосинтеза. Законът за запазване на енергията, формулиран от Р. Майер, беше от голямо значение за разкриване на същността на фотосинтезата. През 1845 г. Р. Майер предлага енергията, използвана от растенията, да е енергията на Слънцето, която растенията превръщат в химическа енергия чрез процеса на фотосинтеза. Тази позиция е развита и експериментално потвърдена в изследванията на забележителния руски учен К.А. Тимирязев.

Основната роля на фотосинтезиращите организми:

1) превръщане на енергията на слънчевата светлина в енергията на химичните връзки на органичните съединения;

2) насищане на атмосферата с кислород;

В резултат на фотосинтезата на Земята се образуват 150 милиарда тона органична материя и се отделят около 200 милиарда тона свободен кислород годишно. Предотвратява увеличаването на концентрацията на CO2 в атмосферата, предотвратявайки прегряването на Земята (парников ефект).

Атмосферата, създадена от фотосинтезата, предпазва живите същества от вредното късовълново UV лъчение (кислородно-озоновия щит на атмосферата).

Само 1-2% от слънчевата енергия се прехвърля в реколтата от селскостопански растения; загубите се дължат на непълно усвояване на светлината. Следователно има огромна перспектива за увеличаване на производителността чрез подбор на сортове с висока ефективност на фотосинтезата и създаване на структура на културата, благоприятна за поглъщане на светлина. В тази връзка разработването на теоретични основи за управление на фотосинтезата става особено актуално.

Значението на фотосинтезата е огромно. Нека само да отбележим, че той доставя гориво (енергия) и атмосферен кислород, необходими за съществуването на всички живи същества. Следователно ролята на фотосинтезата е планетарна.

Планетарността на фотосинтезата се определя и от факта, че благодарение на цикъла на кислорода и въглерода (главно) се поддържа настоящият състав на атмосферата, което от своя страна определя по-нататъшното поддържане на живота на Земята. Освен това можем да кажем, че енергията, която се съхранява в продуктите на фотосинтезата, е по същество основният източник на енергия, с който човечеството разполага сега.

Обща реакция на фотосинтеза

CO 2 +З 2 O = (CH 2 О) + О 2 .

Химията на фотосинтезата се описва със следните уравнения:

Фотосинтеза – 2 групи реакции:

лека сцена (зависи от осветление)

тъмен етап (зависи от температурата).

И двете групи реакции протичат едновременно

Фотосинтезата протича в хлоропластите на зелените растения.

Фотосинтезата започва с улавянето и поглъщането на светлина от пигмента хлорофил, открит в хлоропластите на зелените растителни клетки.

Това се оказва достатъчно, за да се измести спектърът на поглъщане на молекулата.

Молекулата на хлорофила поглъща фотони във виолетовата и синята, а след това и в червената част на спектъра и не взаимодейства с фотони в зелената и жълтата част на спектъра.

Ето защо хлорофилът и растенията изглеждат зелени - те просто не могат да се възползват от зелените лъчи и ги оставят да се скитат из света (по този начин го правят по-зелен).

Фотосинтетичните пигменти са разположени от вътрешната страна на тилакоидната мембрана.

Пигментите са организирани в фотосистеми(антенни полета за улавяне на светлина) - съдържащи 250–400 молекули различни пигменти.

Фотосистемата се състои от:

реакционен центърфотосистеми (хлорофилна молекула А),

молекули на антената

Всички пигменти във фотосистемата са способни да прехвърлят енергия на възбудено състояние един към друг. Енергията на фотона, погълната от една или друга пигментна молекула, се прехвърля към съседна молекула, докато достигне реакционния център. Когато резонансната система на реакционния център премине във възбудено състояние, тя прехвърля два възбудени електрона към акцепторната молекула и по този начин се окислява и придобива положителен заряд.

В растенията:

фотосистема 1(максимално поглъщане на светлина при дължина на вълната 700 nm - P700)

фотосистема 2(максимално поглъщане на светлина при дължина на вълната 680 nm - P680

Разликите в оптимумите на абсорбция се дължат на леки разлики в структурата на пигмента.

Двете системи работят в тандем, като конвейер от две части, т.е нециклично фотофосфорилиране .

Обобщено уравнение за нециклично фотофосфорилиране:

Ф - символ на остатък от фосфорна киселина

Цикълът започва с фотосистема 2.

1) молекулите на антената улавят фотона и предават възбуждане към молекулата на активния център P680;

2) възбудената молекула P680 отдава два електрона на кофактора Q, докато той се окислява и придобива положителен заряд;

Кофактор(кофактор). Коензим или друго вещество, необходимо на ензима, за да изпълнява своята функция

Коензими (коензими)[от лат. co (cum) - заедно и ензими], органични съединения с непротеинова природа, участващи в ензимната реакция като акцептори на отделни атоми или атомни групи, отцепени от ензима от молекулата на субстрата, т.е. за осъществяване на каталитичното действие на ензимите. Тези вещества, за разлика от протеиновия компонент на ензима (апоензим), имат относително малко молекулно тегло и като правило са термостабилни. Понякога под коензими се разбират всякакви нискомолекулни вещества, участието на които е необходимо за осъществяване на каталитичното действие на ензима, включително йони, например. К+, Mg2+ и Mn2+. Ензимите са разположени. в активния център на ензима и заедно със субстрата и функционалните групи на активния център образуват активиран комплекс.

Повечето ензими изискват наличието на коензим, за да проявят каталитична активност. Изключение правят хидролитичните ензими (например протеази, липази, рибонуклеаза), които изпълняват своята функция в отсъствието на коензим.

Молекулата се редуцира от P680 (под действието на ензими). В този случай водата се дисоциира на протони и молекулярен кислород,тези. водата е донор на електрони, което осигурява попълването на електрони в P 680.

ФОТОЛИЗА ВОДА- разделяне на водна молекула, по-специално по време на фотосинтеза. Благодарение на фотолизата на водата се произвежда кислород, който се отделя от зелените растения на светлина.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Фотосинтезата е процес на образуване на органични вещества от въглероден диоксид и вода, на светлина, с отделяне на кислород.

Процесът на фотосинтеза включва:

1) хлоропласти,

3) въглероден диоксид,

5) температура.

При висшите растения фотосинтезата се извършва в хлоропласти - пластиди с овална форма (полуавтономни органели), съдържащи пигмента хлорофил, благодарение на зеления цвят на който части от растението също имат зелен цвят.

При водораслите хлорофилът се съдържа в хроматофорите (клетки, съдържащи пигмент и отразяващи светлината). Кафявите и червените водорасли, които живеят на значителни дълбочини, където слънчевата светлина не достига добре, имат други пигменти.

Ако погледнете хранителната пирамида на всички живи същества, фотосинтезиращите организми са най-отдолу, сред автотрофите (организми, които синтезират органични вещества от неорганични). Следователно те са източник на храна за целия живот на планетата.

По време на фотосинтезата в атмосферата се отделя кислород. В горните слоеве на атмосферата от него се образува озон. Озоновият щит защитава повърхността на Земята от силното ултравиолетово лъчение, благодарение на което животът успя да излезе от морето на сушата.

Кислородът е необходим за дишането на растенията и животните. Когато глюкозата се окислява с участието на кислород, митохондриите съхраняват почти 20 пъти повече енергия, отколкото без него. Това прави използването на храната много по-ефективно, което е довело до високи нива на метаболизма при птици и бозайници.

По-подробно описание на процеса на фотосинтеза в растенията

Напредък на фотосинтезата:

Процесът на фотосинтеза започва със светлинен удар върху хлоропластите - вътреклетъчни полуавтономни органели, съдържащи зелен пигмент. Когато са изложени на светлина, хлоропластите започват да консумират вода от почвата, разделяйки я на водород и кислород.

Част от кислорода се освобождава в атмосферата, другата част отива за окислителни процеси в растението.

Захарта се свързва с азота, сярата и фосфора, идващи от почвата, по този начин зелените растения произвеждат нишесте, мазнини, протеини, витамини и други сложни съединения, необходими за живота им.

Фотосинтезата протича най-добре под въздействието на слънчева светлина, но някои растения могат да се задоволят с изкуствено осветление.

Комплексно описание на механизмите на фотосинтезата за напреднал читател

До 60-те години на 20-ти век учените познават само един механизъм за фиксиране на въглеродния диоксид - чрез C3-пентозния фосфатен път. Въпреки това, наскоро група австралийски учени успяха да докажат, че в някои растения намаляването на въглеродния диоксид става чрез цикъла на C4-дикарбоксилната киселина.

При растенията с реакция С3 фотосинтезата протича най-активно при условия на умерена температура и светлина, главно в гори и тъмни места. Такива растения включват почти всички култивирани растения и повечето зеленчуци. Те са в основата на човешката диета.

В растенията с реакция С4 фотосинтезата протича най-активно при условия на висока температура и светлина. Такива растения включват например царевица, сорго и захарна тръстика, които растат в топъл и тропически климат.

Самият растителен метаболизъм беше открит съвсем наскоро, когато беше открито, че в някои растения, които имат специални тъкани за съхранение на вода, въглеродният диоксид се натрупва под формата на органични киселини и се фиксира във въглехидрати само след един ден. Този механизъм помага на растенията да пестят вода.

Как протича процесът на фотосинтеза?

Растението абсорбира светлина с помощта на зелено вещество, наречено хлорофил. Хлорофилът се намира в хлоропластите, които се намират в стъблата или плодовете. Има особено голямо количество от тях в листата, тъй като поради много плоската си структура, листът може да привлече много светлина и следователно да получи много повече енергия за процеса на фотосинтеза.

След абсорбцията хлорофилът е във възбудено състояние и предава енергия на други молекули на растителното тяло, особено на тези, които са пряко включени във фотосинтезата. Вторият етап от процеса на фотосинтеза протича без задължителното участие на светлина и се състои в получаване на химическа връзка с участието на въглероден диоксид, получен от въздух и вода. На този етап се синтезират различни много полезни за живота вещества, като нишесте и глюкоза.

Тези органични вещества се използват от самите растения за подхранване на различните му части, както и за поддържане на нормални жизнени функции. Освен това тези вещества се набавят и от животните чрез ядене на растения. Хората си набавят тези вещества и чрез консумацията на храни от животински и растителен произход.

Условия за фотосинтеза

Фотосинтезата може да се осъществи както под въздействието на изкуствена светлина, така и на слънчева светлина. По правило растенията „работят“ интензивно в природата през пролетта и лятото, когато има много необходима слънчева светлина. През есента има по-малко светлина, дните са скъсени, листата първо пожълтяват и след това падат. Но веднага щом се появи топлото пролетно слънце, зелената зеленина се появява отново и зелените „фабрики“ ще възобновят работата си, за да осигурят така необходимия за живота кислород, както и много други хранителни вещества.

Алтернативно определение на фотосинтезата

Фотосинтезата (от старогръцки photo-светлина и synthesis - свързване, нагъване, свързване, синтез) е процесът на преобразуване на светлинната енергия в енергията на химичните връзки на органичните вещества в светлината от фотоавтотрофи с участието на фотосинтетични пигменти (хлорофил в растенията , бактериохлорофил и бактериородопсин в бактерии). В съвременната физиология на растенията фотосинтезата по-често се разбира като фотоавтотрофна функция - набор от процеси на абсорбция, трансформация и използване на енергията на светлинните кванти в различни ендергонични реакции, включително превръщането на въглеродния диоксид в органични вещества.

Фази на фотосинтезата

Фотосинтезата е доста сложен процес и включва две фази: светлина, която винаги протича изключително на светлина, и тъмнина. Всички процеси протичат вътре в хлоропластите на специални малки органи - тилакодии. По време на светлинната фаза, квант светлина се абсорбира от хлорофила, което води до образуването на ATP и NADPH молекули. След това водата се разпада, образувайки водородни йони и освобождавайки кислородна молекула. Възниква въпросът какви са тези неразбираеми мистериозни вещества: ATP и NADH?

АТФ е специална органична молекула, намираща се във всички живи организми и често се нарича "енергийна" валута. Именно тези молекули съдържат високоенергийни връзки и са източник на енергия при всеки органичен синтез и химични процеси в тялото. Е, NADPH всъщност е източник на водород, той се използва директно в синтеза на високомолекулни органични вещества - въглехидрати, което се случва във втората, тъмна фаза на фотосинтезата с помощта на въглероден диоксид.

Светлинна фаза на фотосинтезата

Хлоропластите съдържат много хлорофилни молекули и всички те абсорбират слънчевата светлина. В същото време светлината се абсорбира от други пигменти, но те не могат да извършват фотосинтеза. Самият процес протича само в някои хлорофилни молекули, които са много малко. Други молекули на хлорофил, каротеноиди и други вещества образуват специални антени и комплекси за събиране на светлина (LHC). Те, подобно на антените, абсорбират светлинни кванти и предават възбуждане на специални реакционни центрове или капани. Тези центрове са разположени във фотосистеми, от които растенията имат две: фотосистема II и фотосистема I. Те съдържат специални хлорофилни молекули: съответно във фотосистема II - P680 и във фотосистема I - P700. Те абсорбират светлина с точно тази дължина на вълната (680 и 700 nm).

Диаграмата прави по-ясно как всичко изглежда и се случва по време на светлинната фаза на фотосинтезата.

На фигурата виждаме две фотосистеми с хлорофили P680 и P700. Фигурата също така показва носителите, през които се осъществява транспортирането на електрони.

И така: двете молекули на хлорофила на две фотосистеми поглъщат светлинен квант и се възбуждат. Електронът e- (червен на фигурата) преминава на по-високо енергийно ниво.

Възбудените електрони имат много висока енергия, те се откъсват и влизат в специална верига от транспортери, която се намира в мембраните на тилакоидите - вътрешните структури на хлоропластите. Фигурата показва, че от фотосистема II от хлорофил P680 един електрон отива към пластохинон, а от фотосистема I от хлорофил P700 към фередоксин. В самите молекули на хлорофила на мястото на електроните след отстраняването им се образуват сини дупки с положителен заряд. Какво да правя?

За да компенсира липсата на електрон, молекулата на хлорофила P680 на фотосистема II приема електрони от водата и се образуват водородни йони. Освен това кислородът се отделя в атмосферата поради разграждането на водата. А молекулата на хлорофил P700, както се вижда от фигурата, компенсира липсата на електрони чрез система от носители от фотосистема II.

Като цяло, колкото и да е трудно, точно така протича светлинната фаза на фотосинтезата, основната й същност е преносът на електрони. Можете също така да видите от фигурата, че успоредно с транспорта на електрони, водородните йони Н+ се движат през мембраната и се натрупват вътре в тилакоида. Тъй като там има много, те се движат навън с помощта на специален свързващ фактор, който е оранжев на снимката, показана вдясно и прилича на гъба.

И накрая, виждаме последната стъпка на електронен транспорт, която води до образуването на гореспоменатото NADH съединение. И поради преноса на H+ йони се синтезира енергийна валута - АТФ (вижда се вдясно на фигурата).

И така, светлинната фаза на фотосинтезата е завършена, кислородът се отделя в атмосферата, образуват се ATP и NADH. Какво следва? Къде е обещаната органична материя? И тогава идва тъмният етап, който се състои главно от химически процеси.

Тъмна фаза на фотосинтезата

За тъмната фаза на фотосинтезата въглеродният диоксид – CO2 – е основен компонент. Следователно растението трябва постоянно да го абсорбира от атмосферата. За тази цел на повърхността на листа има специални структури - устицата. Когато се отворят, CO2 навлиза в листата, разтваря се във вода и реагира със светлинната фаза на фотосинтезата.

По време на светлинната фаза в повечето растения CO2 се свързва с органично съединение с пет въглерода (което е верига от пет въглеродни молекули), което води до образуването на две молекули на съединение с три въглерода (3-фосфоглицеринова киселина). защото Първичният резултат са именно тези тривъглеродни съединения; растенията с този тип фотосинтеза се наричат ​​С3 растения.

По-нататъшният синтез в хлоропластите се извършва доста сложно. В крайна сметка той образува съединение с шест въглерода, от което впоследствие могат да се синтезират глюкоза, захароза или нишесте. Под формата на тези органични вещества растението натрупва енергия. В този случай само малка част от тях остава в листата, която се използва за неговите нужди, докато останалите въглехидрати пътуват из цялото растение, пристигайки там, където енергията е най-необходима - например в точките на растеж.

1. Фотосинтезата процес на пластичен или енергиен метаболизъм е? Защо?

Фотосинтезата се отнася до процесите на пластичен метаболизъм, тъй като придружено от:

● чрез синтеза на сложни органични съединения от по-прости вещества, а именно: глюкозата (C 6 H 12 O 6) се синтезира от неорганични вещества (H 2 O и CO 2);

● абсорбция на светлинна енергия.

2. В кои органели на растителна клетка протича фотосинтезата? Какво е фотосистема? Каква функция изпълняват фотосистемите?

Фотосинтезата се извършва в зелени пластиди - хлоропласти.

Фотосистемите са специални пигментно-протеинови комплекси, разположени в мембраните на хлоропластните тилакоиди. Има два вида фотосистеми – фотосистема I и фотосистема II. Всеки от тях включва антена за събиране на светлина, образувана от пигментни молекули, реакционен център и носители на електрони.

Антената за събиране на светлина функционира като фуния: пигментните молекули абсорбират светлина и пренасят цялата събрана енергия към реакционния център, където се намира молекулата на капана, представена от хлорофил а. Поглъщайки енергия, молекулата на капана преминава във възбудено състояние и отдава един от своите електрони на специален носител, т.е. окислява се. По този начин фотосистемите изпълняват функцията на абсорбиране на светлина и преобразуване на светлинната енергия в химическа енергия.

3. Какво е значението на фотосинтезата на Земята? Защо съществуването на биосферата би било невъзможно без фототрофни организми?

Фотосинтезата е единственият процес на планетата, при който светлинната енергия на Слънцето се преобразува в енергията на химичните връзки на синтезираните органични вещества. В този случай изходните съединения за синтеза на органични вещества са енергийно бедни неорганични вещества - въглероден диоксид и вода.

Органичните съединения, образувани по време на фотосинтезата, се прехвърлят като част от храната от фототрофни организми към тревопасни, след това към месоядни, като източник на енергия и строителен материал за синтеза на други вещества, за образуването на нови клетки и структури. Следователно, благодарение на активността на фототрофите, хранителните нужди на хетеротрофните организми се задоволяват.

Освен това фотосинтезата е източник на молекулярен кислород, необходим за дишането на повечето живи организми. Озоновият слой се образува и поддържа от кислород, предпазвайки живите организми на планетата от вредното въздействие на късовълновата ултравиолетова радиация. Благодарение на фотосинтезата се поддържа относително постоянно съдържание на CO 2 в атмосферата.

4. Характеризирайте светлите и тъмните фази на фотосинтезата според плана:

1) местоположение на теча; 2) изходни материали; 3) протичащи процеси; 4) крайни продукти.

Какви продукти от светлата фаза на фотосинтезата се използват в тъмната фаза?

Светлинна фаза на фотосинтезата.

1) Място на изтичане: тилакоидни мембрани.

2) Изходни вещества: H 2 O, окислен NADP (NADP +), ADP, H 3 PO 4. За възникването на светлинната фаза са необходими и фотосинтезиращи пигменти (хлорофили и др.), но те не могат да се нарекат изходни вещества на светлинната фаза.

3) Възникващи процеси: абсорбция на светлина от фотосистеми, фотолиза на вода, транспорт на електрони към външната страна на тилакоида и натрупване на протони вътре в тилакоида (т.е. появата на електрохимичен потенциал върху тилакоидната мембрана), синтез на АТФ, редукция на NADP +.

4) Крайни продукти: ATP, редуциран NADP (NADP H+H +), страничен продукт - молекулярен кислород (O 2).

Тъмна фаза на фотосинтезата.

1) Място на изтичане: строма на хлоропласт.

2) Изходни вещества: CO 2, ATP, редуциран NADP (NADP H+H +).

3) Текущи процеси: синтез на глюкоза (редукция на CO 2 до органични вещества), по време на който се извършва хидролиза на АТФ и окисление на NADP H + H +.

4) Крайни продукти: глюкоза (C 6 H 12 O 6), окислен NADP (NADP +), ADP, H 3 PO 4.

В тъмната фаза на фотосинтезата се използват продукти от светлата фаза като NADP H+H + (служи като източник на водородни атоми за синтеза на глюкоза) и ATP (служи като източник на енергия за синтеза на глюкоза).

5. Сравнете фотосинтезата и аеробното дишане. Посочете приликите и разликите.

Прилики:

● Сложни многоетапни процеси, протичащи с участието на ензими.

● Фотосинтезата и крайният (кислороден) етап на аеробното дишане протичат в органели с двойна мембрана (съответно хлоропласти и митохондрии).

● Редокс процеси, които са придружени от прехвърляне на електрони по електротранспортните вериги на вътрешните мембрани на съответните органели, появата на потенциална разлика върху тези мембрани, работата на АТФ синтетазата и синтеза на АТФ.

Разлики:

● Процесът на фотосинтеза се отнася до пластичния метаболизъм, т.к се придружава от синтеза на органични вещества от неорганични и протича с абсорбцията на светлинна енергия. Процесът на аеробно дишане се отнася до енергийния метаболизъм, тъй като сложните органични вещества се разграждат и съдържащата се в тях енергия се освобождава.

● Фотосинтезата се извършва само в клетките на фототрофните организми, а аеробното дишане се извършва в клетките на повечето живи организми (включително фототрофите).

● Различни изходни материали и крайни продукти. Ако разгледаме обобщените уравнения на фотосинтезата и аеробното дишане, можем да видим, че продуктите на фотосинтезата всъщност са изходните материали за аеробното дишане и обратно.

● NAD и FAD служат като преносители на водородни атоми в процеса на дишане, а NADP във фотосинтезата.

И (или) други значими характеристики.

6. Човек консумира приблизително 430 g кислород на ден. Едно средно голямо дърво абсорбира около 30 кг въглероден диоксид годишно. Колко дървета са необходими, за да се осигури кислород на един човек?

● За една година човек консумира: 430 g × 365 = 156 950 g кислород.

● Нека изчислим химическото количество въглероден двуокис, погълнато годишно от едно дърво:

M (CO 2 ) = 12 + 16 × 2 = 44 g/mol. n (CO 2) = m: M = 30 000 g: 44 g/mol ≈ 681,8 mol.

● Обобщено уравнение на фотосинтезата:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Абсорбцията на 6 мола въглероден диоксид е придружена от освобождаването на 6 мола кислород. Това означава, че абсорбирайки 681,8 мола въглероден диоксид годишно, дървото освобождава 681,8 мола кислород.

● Нека намерим масата на кислорода, отделен от дървото на година:

M (O 2) = 16 × 2 = 32 g/mol. m (O 2) = n × M = 681,8 mol × 32 g/mol = 21 817,6 g

● Нека определим колко дървета са необходими, за да се осигури кислород на един човек. Брой дървета = 156 950 g: 21 817,6 ≈ 7,2 дървета.

Отговор: За да се осигури кислород на един човек, ще са необходими средно 7,2 дървета (приемливи отговори са „8 дървета“ или „7 дървета“).

7. Изследователите разделиха пшеничните растения на две групи и ги отгледаха в лабораторията при същите условия, с изключение на това, че растенията от първата група бяха осветени с червена светлина, а растенията от втората група бяха осветени със зелена светлина. В коя група растения фотосинтезата протича по-интензивно? С какво е свързано това?

Фотосинтезата протича по-интензивно в растенията, осветени с червена светлина. Това се дължи на факта, че основните фотосинтетични пигменти - хлорофилите - интензивно абсорбират червената светлина (както и синьо-виолетовата част от спектъра) и отразяват зелената, което определя зеления цвят на тези пигменти.

8*. Какъв експеримент може да се използва, за да се докаже, че кислородът, отделен по време на фотосинтезата, се образува именно от водни молекули, а не от молекули на въглероден диоксид или друго вещество?

Ако водата, белязана с радиоактивен кислород, се използва за извършване на фотосинтеза (молекулите съдържат кислороден радионуклид вместо стабилния нуклид 16 O), тогава радиоактивният етикет може да бъде открит в освободения молекулярен кислород. Ако използвате друго вещество, съдържащо кислороден радионуклид за фотосинтеза, тогава освободеният O2 няма да съдържа радиоактивен етикет. По-специално, радиоактивният кислород, съдържащ се в молекулите на абсорбирания въглероден диоксид, ще бъде открит в синтезираните органични вещества, но не и в състава на O 2.

*Задачите, отбелязани със звездичка, изискват от учениците да излагат различни хипотези. Следователно, когато оценява, учителят трябва да се съсредоточи не само върху дадения тук отговор, но да вземе предвид всяка хипотеза, оценявайки биологичното мислене на учениците, логиката на техните разсъждения, оригиналността на идеите и т.н. След това е препоръчително да запознае учениците с дадения отговор.