Dolazi do fotosinteze. Proces fotosinteze u listovima biljaka. Funkcije dijelova biljnih stanica

fotosinteza je proces sinteze organskih supstanci iz anorganskih pomoću svjetlosne energije. U velikoj većini slučajeva, fotosintezu provode biljke koristeći ćelijske organele kao npr hloroplasti sadrži zeleni pigment hlorofil.

Da biljke nisu sposobne sintetizirati organsku tvar, onda gotovo svi drugi organizmi na Zemlji ne bi imali što jesti, jer životinje, gljive i mnoge bakterije ne mogu sintetizirati organske tvari iz anorganskih. Oni samo upijaju gotove, dijele ih na jednostavnije, od kojih opet sklapaju složene, ali već karakteristične za njihovo tijelo.

To je slučaj ako vrlo kratko govorimo o fotosintezi i njenoj ulozi. Da bismo razumjeli fotosintezu, moramo reći više: koje specifične anorganske tvari se koriste, kako se sinteza odvija?

Za fotosintezu su potrebne dvije neorganske tvari - ugljični dioksid (CO 2) i voda (H 2 O). Prvu apsorbuju iz vazduha nadzemni delovi biljaka uglavnom preko stomata. Voda dolazi iz tla, odakle se provodnim sistemom biljke isporučuje fotosintetičkim ćelijama. Također, fotosinteza zahtijeva energiju fotona (hν), ali se oni ne mogu pripisati materiji.

Ukupno, fotosinteza proizvodi organsku materiju i kiseonik (O2). Tipično, organska materija najčešće označava glukozu (C 6 H 12 O 6).

Organska jedinjenja uglavnom se sastoje od atoma ugljika, vodika i kisika. Nalaze se u ugljičnom dioksidu i vodi. Međutim, tokom fotosinteze oslobađa se kiseonik. Njegovi atomi su uzeti iz vode.

Ukratko i općenito, jednadžba za reakciju fotosinteze obično se piše na sljedeći način:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Ali ova jednadžba ne odražava suštinu fotosinteze i ne čini je razumljivom. Gledajte, iako je jednadžba uravnotežena, u njoj je ukupan broj atoma u slobodnom kisiku 12. Ali rekli smo da potiču iz vode, a ima ih samo 6.

U stvari, fotosinteza se odvija u dvije faze. Prvi se zove svjetlo, sekunda - mračno. Ovakvi nazivi su zbog činjenice da je svjetlost potrebna samo za svjetlosnu fazu, tamna faza je neovisna o njenom prisustvu, ali to ne znači da se javlja u mraku. Svetla faza se javlja na membranama tilakoida hloroplasta, a tamna faza se javlja u stromi hloroplasta.

Tokom svjetlosne faze ne dolazi do vezivanja CO2. Sve što se dešava je hvatanje solarne energije kompleksima hlorofila, njeno skladištenje u ATP i upotreba energije za redukciju NADP u NADP*H 2 . Protok energije iz klorofila pobuđenog svjetlom osiguravaju elektroni koji se prenose duž lanca prijenosa elektrona enzima ugrađenih u tilakoidne membrane.

Vodik za NADP dolazi iz vode, koju sunčeva svjetlost razlaže na atome kisika, protone vodika i elektrone. Ovaj proces se zove fotoliza. Kiseonik iz vode nije potreban za fotosintezu. Atomi kiseonika iz dva molekula vode se kombinuju i formiraju molekularni kiseonik. Jednačina reakcije za svjetlosnu fazu fotosinteze ukratko izgleda ovako:

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

Dakle, oslobađanje kiseonika se dešava tokom svetlosne faze fotosinteze. Broj molekula ATP sintetiziranih iz ADP-a i fosforne kiseline po fotolizi jedne molekule vode može biti različit: jedan ili dva.

Dakle, ATP i NADP*H 2 dolaze iz svijetle faze u tamnu fazu. Ovdje se energija prvog i redukciona snaga drugog troše na vezivanje ugljičnog dioksida. Ova faza fotosinteze se ne može objasniti jednostavno i sažeto jer se ne odvija na način da se šest molekula CO 2 kombinuje sa vodonikom koji se oslobađa iz NADP*H 2 molekula da bi se formirala glukoza:

6CO 2 + 6NADP*H 2 →C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(reakcija nastaje trošenjem energije ATP, koji se razlaže na ADP i fosfornu kiselinu).

Navedena reakcija je samo pojednostavljenje radi lakšeg razumijevanja. Zapravo, molekule ugljičnog dioksida se vežu jedan po jedan, spajajući već pripremljenu organsku supstancu od pet ugljika. Formira se nestabilna organska tvar sa šest ugljika, koja se raspada na molekule ugljikohidrata sa tri ugljika. Neki od ovih molekula se koriste za ponovnu sintetizaciju originalne supstance sa pet ugljika za vezanje CO 2 . Ova resinteza je osigurana Calvinov ciklus. Manji dio molekula ugljikohidrata koji sadrže tri atoma ugljika izlazi iz ciklusa. Sve ostale organske tvari (ugljikohidrati, masti, bjelančevine) sintetiziraju se iz njih i drugih tvari.

To jest, u stvari, šećeri sa tri ugljika, a ne glukoza, izlaze iz tamne faze fotosinteze.

Biljke, kao i svi živi organizmi, zahtijevaju različite tvari za život, rast i razvoj. Dolaze iz okoline van biljke. U biljnim ćelijama odvijaju se različiti hemijski procesi, usled kojih se iz dolaznih supstanci formiraju druge supstance karakteristične za biljku.

Iz tla biljka koristi svoje korijenje da apsorbira vodu s neorganskim (mineralnim) tvarima otopljenim u njoj. A u zelenim dijelovima biljaka, uglavnom u listovima, formiraju se organske tvari. Proces u kojem biljke formiraju organske tvari iz neorganskih naziva se fotosinteza.

Fotosinteza je vrlo složen proces u više faza, koji se sastoji od dvije glavne faze:

• Faza 1(svetlosna faza) Preduslov je učešće solarne energije! Proces počinje sa svjetlom. Aktivira hlorofil (tvar koja se nalazi u hloroplastima). A aktivirani hlorofil razgrađuje molekul vode na vodik i kisik. Kiseonik se oslobađa u vazduh.
• Faza 2(tamna faza) Ova faza fotosinteze naziva se tamna, jer se ovdje svi procesi odvijaju bez sudjelovanja svjetlosti. U ovoj fazi, u toku mnogih hemijskih reakcija koje uključuju ugljen dioksid i aktivne komponente dobijene tokom prve faze fotosinteze, nastaje organska materija (ugljikohidrati) - šećer (glukoza).

Koje neorganske supstance su neophodne za fotosintezu? To su ugljični dioksid i voda. Ugljični dioksid se nalazi u zraku. Tamo ga ima oko 0,03%. Ugljični dioksid se oslobađa u zrak tokom procesa disanja gotovo svih živih organizama. Stoga, unatoč činjenici da ga ima malo u zraku, a biljke ga stalno apsorbiraju odatle, količina ugljičnog dioksida se stalno obnavlja. Osim toga, industrija i automobili, između ostalog, ispuštaju ugljični dioksid u zrak. Voda za fotosintezu dolazi iz tla kroz usisnu zonu korijena.

Koje organske supstance nastaju tokom fotosinteze? Ovo je glukoza. Glukoza je ugljikohidrat. Sladak je i dio je molekula šećera. Kao što znamo, postoje tri glavne grupe organskih supstanci: proteini, masti i ugljikohidrati. Zar biljkama zaista nisu potrebni proteini i masti? Needed. Međutim, ne nastaju tokom procesa fotosinteze, već kasnije, kao rezultat raznih biohemijskih reakcija koje se dešavaju u različitim biljnim ćelijama i organima. Uključujući i korijene. Ove reakcije uključuju glukozu i druga hemijska jedinjenja. Višak glukoze se u biljkama pretvara u škrob i skladišti u posebnim organima (na primjer, gomolji).

Koje neorganske supstance nastaju tokom fotosinteze? Ovo je kiseonik. Pušta se u vazduh. Kiseonik koriste živi organizmi tokom procesa disanja.

Kako se odvija proces fotosinteze? Za proces fotosinteze potrebna je sunčeva svjetlost. svjetlo. On sadrži energije, koju biljke pretvaraju u energiju hemijskih veza u molekulu glukoze. Poseban pigment je uključen u proces fotosinteze hlorofil, koji se nalazi u hloroplastima biljnih ćelija. Klorofil je taj koji biljkama daje zelenu boju. Apsorbuje ceo spektar vidljivog zračenja osim zelenog, koje reflektuje. Predmete vidimo u boji koja se od njih odražava.

dakle, fotosinteza je proces stvaranja organskih tvari iz anorganskih u svrhu pohranjivanja svjetlosne energije u kemijske veze, koji se odvija uz pomoć posebnog pigmenta (u biljkama je to klorofil).

Budući da je sunčeva svjetlost toliko važna za biljke, one se trude da je uhvate što je više moguće. U tu svrhu su se u procesu evolucije razvile posebne adaptacije. Listovi biljaka su obično ravni i široki. Koža im je tanka i providna. Obično su listovi na biljci raspoređeni tako da ne zasjenjuju jedno drugo.

Cijeli složeni, korak po korak proces fotosinteze odvija se neprekidno u hloroplastima dok zeleno lišće prima sunčevu energiju. Glukoza se gotovo odmah pretvara u druge ugljikohidrate, poput škroba. Ove organske tvari teku kroz sitaste cijevi lika od listova do svih dijelova biljke: do pupoljaka, generativnih organa. Od glukoze i minerala u biljnim stanicama, procesom brojnih transformacija, nastaju i druge organske tvari, uključujući proteine ​​i masti. Sve ove organske materije idu ka rastu i razvoju biljke – odnosno izgradnji njenog tela, a takođe se talože u tkivima za skladištenje i koriste tokom disanja.

fotosinteza je sinteza organskih spojeva u listovima zelenih biljaka iz vode i atmosferskog ugljičnog dioksida pomoću sunčeve (svjetlosne) energije adsorbirane hlorofilom u hloroplastima.

Zahvaljujući fotosintezi, energija vidljive svjetlosti se hvata i pretvara u kemijsku energiju, koja se pohranjuje (pohranjuje) u organskim tvarima koje nastaju tokom fotosinteze.

Datumom otkrića procesa fotosinteze može se smatrati 1771. Engleski naučnik J. Priestley skrenuo je pažnju na promjene u sastavu zraka zbog vitalne aktivnosti životinja. U prisustvu zelenih biljaka, vazduh je ponovo postao pogodan i za disanje i za sagorevanje. Naknadno su radovi brojnih naučnika (Y. Ingenhaus, J. Senebier, T. Saussure, J.B. Boussingault) utvrdili da zelene biljke apsorbuju CO 2 iz vazduha, iz kojeg se formira organska materija uz učešće vode u svetlosti. . Upravo je ovaj proces 1877. godine njemački naučnik W. Pfeffer nazvao fotosintezom. Zakon održanja energije koji je formulisao R. Mayer bio je od velike važnosti za otkrivanje suštine fotosinteze. R. Mayer je 1845. godine predložio da je energija koju koriste biljke energija Sunca, koju biljke pretvaraju u hemijsku energiju kroz proces fotosinteze. Ova pozicija je razvijena i eksperimentalno potvrđena u istraživanju izuzetnog ruskog naučnika K.A. Timiryazev.

Glavna uloga fotosintetskih organizama:

1) transformacija energije sunčeve svetlosti u energiju hemijskih veza organskih jedinjenja;

2) zasićenje atmosfere kiseonikom;

Kao rezultat fotosinteze, na Zemlji se formira 150 milijardi tona organske tvari i godišnje se oslobađa oko 200 milijardi tona slobodnog kisika. Sprječava povećanje koncentracije CO2 u atmosferi, sprječavajući pregrijavanje Zemlje (efekat staklenika).

Atmosfera stvorena fotosintezom štiti živa bića od štetnog kratkotalasnog UV zračenja (kiseoničko-ozonski štit atmosfere).

Samo 1-2% sunčeve energije se prenosi u žetvu poljoprivrednih biljaka, gubici su zbog nepotpune apsorpcije svjetlosti. Stoga postoji velika perspektiva povećanja produktivnosti odabirom sorti sa visokom efikasnošću fotosinteze i stvaranjem strukture usjeva pogodne za apsorpciju svjetlosti. U tom smislu, razvoj teorijskih osnova za kontrolu fotosinteze postaje posebno relevantan.

Važnost fotosinteze je ogromna. Napomenimo samo da ona opskrbljuje gorivom (energijom) i atmosferskim kisikom neophodnim za postojanje svih živih bića. Stoga je uloga fotosinteze planetarna.

Planetarnost fotosinteze određena je i činjenicom da se zahvaljujući ciklusu kisika i ugljika (uglavnom) održava trenutni sastav atmosfere, što zauzvrat određuje dalje održavanje života na Zemlji. Dalje možemo reći da je energija koja je pohranjena u proizvodima fotosinteze u suštini glavni izvor energije koji čovječanstvo sada ima.

Totalna reakcija fotosinteze

CO 2 +H 2 O = (CH 2 O) + O 2 .

Hemija fotosinteze je opisana sljedećim jednadžbama:

Fotosinteza – 2 grupe reakcija:

svetlosna pozornica (zavisi od osvjetljenje)

mračna faza (zavisi od temperature).

Obe grupe reakcija se javljaju istovremeno

Fotosinteza se odvija u hloroplastima zelenih biljaka.

Fotosinteza počinje hvatanjem i apsorpcijom svjetlosti pigmentom klorofilom koji se nalazi u hloroplastima zelenih biljnih stanica.

Ispostavilo se da je to dovoljno da se pomakne apsorpcijski spektar molekula.

Molekul klorofila apsorbira fotone u ljubičastom i plavom, a zatim u crvenom dijelu spektra i ne stupa u interakciju s fotonima u zelenom i žutom dijelu spektra.

Zato hlorofil i biljke izgledaju zeleno - jednostavno ne mogu iskoristiti zelene zrake i ostaviti ih da lutaju svijetom (čime ga čine zelenijim).

Fotosintetski pigmenti se nalaze na unutrašnjoj strani tilakoidne membrane.

Pigmenti su organizovani u fotosistemi(antenska polja za hvatanje svjetlosti) - sadrži 250–400 molekula različitih pigmenata.

Fotosistem se sastoji od:

reakcioni centar fotosistemi (molekula hlorofila A),

molekule antene

Svi pigmenti u fotosistemu su sposobni da međusobno prenose energiju pobuđenog stanja. Energija fotona koju apsorbira jedan ili drugi molekul pigmenta prenosi se na susjedni molekul sve dok ne dođe do reakcionog centra. Kada rezonantni sistem reakcionog centra pređe u pobuđeno stanje, on prenosi dva pobuđena elektrona na molekul akceptora i na taj način postaje oksidiran i dobija pozitivan naboj.

U biljkama:

fotosistem 1(maksimalna apsorpcija svjetlosti na talasnoj dužini od 700 nm - P700)

fotosistem 2(maksimalna apsorpcija svjetlosti na talasnoj dužini od 680 nm - P680

Razlike u optimima apsorpcije nastaju zbog malih razlika u strukturi pigmenta.

Dva sistema rade u tandemu, kao dvodelni transporter tzv neciklička fotofosforilacija .

Rezime jednadžbe za neciklička fotofosforilacija:

F - simbol ostatka fosforne kiseline

Ciklus počinje fotosistemom 2.

1) molekuli antene hvataju foton i prenose pobudu do aktivnog centra molekula P680;

2) pobuđena molekula P680 donira dva elektrona kofaktoru Q, a on oksidira i dobija pozitivan naboj;

Kofaktor(kofaktor). Koenzim ili bilo koja druga supstanca neophodna da enzim obavlja svoju funkciju

koenzimi (koenzimi)[od lat. co (cum) - zajedno i enzimi], organska jedinjenja neproteinske prirode koja učestvuju u enzimskoj reakciji kao akceptori pojedinačnih atoma ili atomskih grupa koje enzim odvaja od molekula supstrata, tj. da izvrši katalitičko djelovanje enzima. Ove tvari, za razliku od proteinske komponente enzima (apoenzima), imaju relativno malu molekularnu težinu i u pravilu su termostabilne. Ponekad se pod koenzimima podrazumijevaju bilo koje niskomolekularne tvari, čije je sudjelovanje neophodno za katalitičko djelovanje enzima, uključujući ione, na primjer. K + , Mg 2+ i Mn 2+ . Enzimi su locirani. u aktivnom centru enzima i zajedno sa supstratom i funkcionalnim grupama aktivnog centra formiraju aktivirani kompleks.

Većina enzima zahtijeva prisustvo koenzima da bi pokazali katalitičku aktivnost. Izuzetak su hidrolitički enzimi (na primjer, proteaze, lipaze, ribonukleaza), koji svoju funkciju obavljaju u odsustvu koenzima.

Molekul se redukuje za P680 (pod dejstvom enzima). U ovom slučaju voda se disocira na protone i molekularni kiseonik, one. voda je donor elektrona, koji osigurava dopunu elektrona u P 680.

FOTOLIZA VODA- cijepanje molekula vode, posebno tokom fotosinteze. Zbog fotolize vode nastaje kisik, kojeg zelene biljke oslobađaju na svjetlosti.

DEFINICIJA: Fotosinteza je proces stvaranja organskih tvari iz ugljičnog dioksida i vode, na svjetlosti, uz oslobađanje kisika.

Proces fotosinteze uključuje:

1) hloroplasti,

3) ugljični dioksid,

5) temperatura.

Kod viših biljaka fotosinteza se odvija u hloroplastima - plastidima ovalnog oblika (poluautonomne organele) koji sadrže pigment hlorofil, zahvaljujući čijoj zelenoj boji i dijelovi biljke imaju zelenu boju.

U algama, hlorofil se nalazi u hromatoforima (ćelije koje sadrže pigmente i koje reflektuju svetlost). Smeđe i crvene alge, koje žive na značajnim dubinama gdje sunčeva svjetlost ne dopire dobro, imaju druge pigmente.

Ako pogledate prehrambenu piramidu svih živih bića, fotosintetski organizmi su na samom dnu, među autotrofima (organizmi koji sintetiziraju organske tvari iz anorganskih). Stoga su izvor hrane za sav život na planeti.

Tokom fotosinteze, kiseonik se oslobađa u atmosferu. U gornjim slojevima atmosfere iz njega nastaje ozon. Ozonski štit štiti površinu Zemlje od oštrog ultraljubičastog zračenja, omogućavajući životu da izađe iz mora na kopno.

Kiseonik je neophodan za disanje biljaka i životinja. Kada se glukoza oksidira uz sudjelovanje kisika, mitohondrije pohranjuju gotovo 20 puta više energije nego bez njega. Ovo čini korištenje hrane mnogo efikasnijim, što je dovelo do visoke stope metabolizma kod ptica i sisara.

Detaljniji opis procesa fotosinteze u biljkama

Napredak fotosinteze:

Proces fotosinteze počinje tako što svjetlost udara u hloroplaste - unutarćelijske poluautonomne organele koje sadrže zeleni pigment. Pod utjecajem svjetlosti, hloroplasti počinju da troše vodu iz tla, cijepajući je na vodik i kisik.

Dio kisika se oslobađa u atmosferu, drugi dio ide u oksidativne procese u biljci.

Šećer se kombinuje sa azotom, sumporom i fosforom koji dolaze iz tla, pa na taj način zelene biljke proizvode skrob, masti, proteine, vitamine i druga složena jedinjenja neophodna za njihov život.

Fotosinteza se najbolje odvija pod utjecajem sunčeve svjetlosti, ali neke biljke mogu se zadovoljiti umjetnim osvjetljenjem.

Složen opis mehanizama fotosinteze za naprednog čitaoca

Sve do 60-ih godina 20. vijeka, naučnici su poznavali samo jedan mehanizam za fiksaciju ugljičnog dioksida - putem C3-pentoza fosfatnog puta. Međutim, nedavno je grupa australskih naučnika uspjela dokazati da se u nekim biljkama smanjenje ugljičnog dioksida događa kroz ciklus C4-dikarboksilne kiseline.

Kod biljaka s reakcijom C3 fotosinteza se najaktivnije odvija u uvjetima umjerene temperature i svjetlosti, uglavnom u šumama i tamnim mjestima. Takve biljke uključuju gotovo sve kultivisane biljke i većinu povrća. Oni čine osnovu ljudske ishrane.

Kod biljaka sa C4 reakcijom fotosinteza se najaktivnije odvija u uvjetima visoke temperature i svjetlosti. Ove biljke uključuju, na primjer, kukuruz, sirak i šećernu trsku, koji rastu u toplim i tropskim klimama.

Sam metabolizam biljaka otkriven je sasvim nedavno, kada je otkriveno da se kod nekih biljaka koje imaju posebna tkiva za skladištenje vode ugljični dioksid akumulira u obliku organskih kiselina i fiksira u ugljikohidratima tek nakon jednog dana. Ovaj mehanizam pomaže biljkama da štede vodu.

Kako se odvija proces fotosinteze?

Biljka upija svjetlost koristeći zelenu supstancu zvanu hlorofil. Hlorofil se nalazi u hloroplastima, koji se nalaze u stabljikama ili plodovima. Posebno ih je velika količina u listovima, jer zbog svoje vrlo ravne strukture list može privući mnogo svjetlosti, a samim tim i dobiti mnogo više energije za proces fotosinteze.

Nakon apsorpcije, hlorofil je u pobuđenom stanju i prenosi energiju drugim molekulima biljnog tijela, posebno onima koji su direktno uključeni u fotosintezu. Druga faza procesa fotosinteze odvija se bez obaveznog sudjelovanja svjetlosti i sastoji se od dobivanja kemijske veze uz sudjelovanje ugljičnog dioksida dobivenog iz zraka i vode. U ovoj fazi sintetiziraju se razne vrlo korisne tvari za život, poput škroba i glukoze.

Ove organske tvari biljke koriste za ishranu različitih dijelova, kao i za održavanje normalnih životnih funkcija. Osim toga, ove tvari dobivaju i životinje jedući biljke. Ove supstance ljudi dobijaju i jedući hranu životinjskog i biljnog porekla.

Uslovi za fotosintezu

Fotosinteza se može odvijati i pod utjecajem umjetne svjetlosti i sunčeve svjetlosti. Po pravilu, u prirodi biljke intenzivno "rade" u proljeće i ljeto, kada ima puno potrebne sunčeve svjetlosti. U jesen ima manje svjetla, skraćuju se dani, lišće prvo požuti, a zatim opada. Ali čim se pojavi toplo prolećno sunce, ponovo se pojavljuje zeleno lišće i zelene "fabrike" će ponovo nastaviti sa radom kako bi obezbedile kiseonik tako neophodan za život, kao i mnoge druge hranljive materije.

Alternativna definicija fotosinteze

Fotosinteza (od starogrčkog foto-svjetlo i sinteza - spajanje, savijanje, vezivanje, sinteza) je proces pretvaranja svjetlosne energije u energiju kemijskih veza organskih tvari u svjetlosti pomoću fotoautotrofa uz učešće fotosintetskih pigmenata (klorofila u biljkama). , bakteriohlorofil i bakteriorodopsin u bakterijama). U modernoj fiziologiji biljaka, fotosinteza se češće shvaća kao fotoautotrofna funkcija - skup procesa apsorpcije, transformacije i korištenja energije svjetlosnih kvanta u različitim endergonskim reakcijama, uključujući pretvaranje ugljičnog dioksida u organske tvari.

Faze fotosinteze

Fotosinteza je prilično složen proces i uključuje dvije faze: svjetlost, koja se uvijek javlja isključivo na svjetlu, i tamu. Svi procesi se odvijaju unutar hloroplasta na posebnim malim organima - tilakodijama. Tokom svjetlosne faze, hlorofil apsorbira kvant svjetlosti, što rezultira stvaranjem ATP i NADPH molekula. Voda se tada razgrađuje, stvarajući vodikove ione i oslobađajući molekul kisika. Postavlja se pitanje koje su to neshvatljive misteriozne supstance: ATP i NADH?

ATP je posebna organska molekula koja se nalazi u svim živim organizmima i često se naziva "energetska" valuta. Upravo ovi molekuli sadrže visokoenergetske veze i izvor su energije u bilo kojoj organskoj sintezi i hemijskim procesima u tijelu. Pa, NADPH je zapravo izvor vodika, koristi se direktno u sintezi visokomolekularnih organskih supstanci - ugljikohidrata, što se javlja u drugoj, tamnoj fazi fotosinteze korištenjem ugljičnog dioksida.

Svetlosna faza fotosinteze

Kloroplasti sadrže mnogo molekula hlorofila i svi apsorbiraju sunčevu svjetlost. U isto vrijeme, svjetlost apsorbiraju drugi pigmenti, ali oni ne mogu izvršiti fotosintezu. Sam proces se odvija samo u nekim molekulima hlorofila, kojih je vrlo malo. Drugi molekuli hlorofila, karotenoida i drugih supstanci formiraju posebne komplekse antena i svetlosne žetve (LHC). One, poput antena, apsorbiraju kvante svjetlosti i prenose uzbuđenje do posebnih reakcionih centara ili zamki. Ovi centri se nalaze u fotosistemima, od kojih biljke imaju dva: fotosistem II i fotosistem I. Sadrže posebne molekule hlorofila: u fotosistemu II - P680, au fotosistemu I - P700. Oni apsorbuju svetlost upravo ove talasne dužine (680 i 700 nm).

Na dijagramu je jasnije kako sve izgleda i kako se dešava tokom svjetlosne faze fotosinteze.

Na slici vidimo dva fotosistema sa hlorofilima P680 i P700. Na slici su prikazani i nosači kroz koje se odvija transport elektrona.

Dakle: oba molekula hlorofila dva fotosistema apsorbuju kvant svetlosti i postaju uzbuđeni. Elektron e- (crveni na slici) prelazi na viši energetski nivo.

Pobuđeni elektroni imaju vrlo visoku energiju, odvajaju se i ulaze u poseban lanac transportera, koji se nalazi u membranama tilakoida - unutrašnjim strukturama hloroplasta. Slika pokazuje da iz fotosistema II iz hlorofila P680 elektron ide u plastokinon, a iz fotosistema I iz hlorofila P700 u feredoksin. U samim molekulima klorofila, umjesto elektrona nakon njihovog uklanjanja, nastaju plave rupe s pozitivnim nabojem. sta da radim?

Da bi nadoknadio nedostatak elektrona, molekul hlorofila P680 fotosistema II prihvata elektrone iz vode i formiraju se joni vodonika. Osim toga, zbog razgradnje vode kisik se oslobađa u atmosferu. A molekul hlorofila P700, kao što se vidi sa slike, nadoknađuje nedostatak elektrona kroz sistem nosača iz fotosistema II.

Uopšteno govoreći, koliko god da je to teško, svetlosna faza fotosinteze se odvija upravo na ovaj način, njena glavna suština je prenos elektrona. Na slici se također može vidjeti da se paralelno s transportom elektrona, joni vodonika H+ kreću kroz membranu i akumuliraju se unutar tilakoida. S obzirom da ih ima dosta, pomiču se prema van uz pomoć posebnog faktora konjugacije, koji je na slici narandžast, prikazan desno i izgleda kao gljiva.

Konačno, vidimo završni korak transporta elektrona, koji rezultira formiranjem gore pomenutog jedinjenja NADH. A zbog prijenosa H+ jona sintetiše se energetska valuta - ATP (vidi se desno na slici).

Dakle, svjetlosna faza fotosinteze je završena, kisik se oslobađa u atmosferu, formiraju se ATP i NADH. Šta je sledeće? Gdje je obećana organska materija? A onda dolazi mračna faza, koja se uglavnom sastoji od hemijskih procesa.

Tamna faza fotosinteze

Za tamnu fazu fotosinteze, ugljični dioksid – CO2 – je bitna komponenta. Stoga ga biljka mora stalno apsorbirati iz atmosfere. U tu svrhu postoje posebne strukture na površini lista - stomati. Kada se otvore, CO2 ulazi u list, otapa se u vodi i reagira sa svjetlosnom fazom fotosinteze.

Tokom svjetlosne faze u većini biljaka, CO2 se vezuje za organsko jedinjenje sa pet ugljika (koji je lanac od pet molekula ugljika), što rezultira stvaranjem dva molekula jedinjenja sa tri ugljika (3-fosfoglicerinska kiselina). Jer Primarni rezultat je upravo ova jedinjenja sa tri ugljika sa ovom vrstom fotosinteze, koja se nazivaju C3 biljke.

Dalja sinteza u hloroplastima odvija se prilično složeno. Na kraju stvara spoj sa šest ugljika, iz kojeg se naknadno mogu sintetizirati glukoza, saharoza ili škrob. U obliku ovih organskih materija, biljka akumulira energiju. U tom slučaju samo mali dio njih ostaje u listu, koji se koristi za svoje potrebe, dok ostatak ugljikohidrata putuje kroz biljku, stižući tamo gdje je energija najpotrebnija – na primjer, na tačke rasta.

1. Da li je fotosinteza proces plastičnog ili energetskog metabolizma? Zašto?

Fotosinteza se odnosi na procese plastičnog metabolizma jer u pratnji:

● sintezom složenih organskih jedinjenja iz jednostavnijih supstanci, i to: glukoza (C 6 H 12 O 6) se sintetiše iz neorganskih supstanci (H 2 O i CO 2);

● apsorpcija svetlosne energije.

2. U kojim organelama biljne ćelije dolazi do fotosinteze? Šta je fotosistem? Koju funkciju obavljaju fotosistemi?

Fotosinteza se odvija u zelenim plastidima - hloroplastima.

Fotosistemi su posebni pigmentno-proteinski kompleksi koji se nalaze u membranama tilakoida hloroplasta. Postoje dva tipa fotosistema – fotosistem I i fotosistem II. Svaki od njih uključuje antenu za prikupljanje svjetlosti koju čine molekule pigmenta, reakcioni centar i nosači elektrona.

Antena za prikupljanje svjetlosti funkcionira kao lijevak: molekuli pigmenta apsorbiraju svjetlost i prenose svu prikupljenu energiju u reakcioni centar, gdje se nalazi molekula zamka koju predstavlja hlorofil a. Nakon apsorbiranja energije, molekul zamke prelazi u pobuđeno stanje i jedan od svojih elektrona daje posebnom nosaču, tj. oksidira. Dakle, fotosistemi obavljaju funkciju apsorpcije svjetlosti i pretvaranja svjetlosne energije u kemijsku energiju.

3. Koja je važnost fotosinteze na Zemlji? Zašto bi postojanje biosfere bilo nemoguće bez fototrofnih organizama?

Fotosinteza je jedini proces na planeti tokom kojeg se svjetlosna energija Sunca pretvara u energiju kemijskih veza sintetiziranih organskih tvari. U ovom slučaju, polazni spojevi za sintezu organskih tvari su energetski siromašne anorganske tvari - ugljični dioksid i voda.

Organska jedinjenja nastala tokom fotosinteze prenose se kao deo hrane sa fototrofnih organizama na biljojede, zatim na mesoždere, kao izvor energije i građevni materijal za sintezu drugih supstanci, za stvaranje novih ćelija i struktura. Posljedično, zahvaljujući aktivnosti fototrofa zadovoljavaju se nutritivne potrebe heterotrofnih organizama.

Osim toga, fotosinteza je izvor molekularnog kisika neophodnog za disanje većine živih organizama. Ozonski omotač se formira i održava od kiseonika, štiteći žive organizme na planeti od štetnih efekata kratkotalasnog ultraljubičastog zračenja. Zahvaljujući fotosintezi, održava se relativno konstantan sadržaj CO 2 u atmosferi.

4. Okarakterizirajte svijetlu i tamnu fazu fotosinteze prema planu:

1) mjesto curenja; 2) polazni materijali; 3) tekući procesi; 4) finalni proizvodi.

Koji se proizvodi svjetlosne faze fotosinteze koriste u tamnoj fazi?

Svetlosna faza fotosinteze.

1) Mjesto curenja: tilakoidne membrane.

2) Polazne supstance: H 2 O, oksidovani NADP (NADP +), ADP, H 3 PO 4. Za pojavu svjetlosne faze neophodni su i fotosintetski pigmenti (hlorofili itd.), ali se ne mogu nazvati početnim tvarima svjetlosne faze.

3) Procesi koji se dešavaju: apsorpcija svjetlosti fotosistemima, fotoliza vode, transport elektrona van tilakoida i akumulacija protona unutar tilakoida (tj. pojava elektrohemijskog potencijala na tilakoidnoj membrani), sinteza ATP-a, redukcija NADP+.

4) Krajnji proizvodi: ATP, redukovani NADP (NADP H+H+), nusproizvod - molekularni kiseonik (O 2).

Tamna faza fotosinteze.

1) Mjesto curenja: stroma hloroplasta.

2) Početne supstance: CO 2, ATP, redukovani NADP (NADP H+H+).

3) Tekući procesi: sinteza glukoze (redukcija CO 2 do organskih supstanci), tokom koje dolazi do hidrolize ATP-a i oksidacije NADP H+H+.

4) Krajnji proizvodi: glukoza (C 6 H 12 O 6), oksidovani NADP (NADP +), ADP, H 3 PO 4.

U tamnoj fazi fotosinteze koriste se proizvodi svijetle faze kao što su NADP H+H+ (služi kao izvor atoma vodika za sintezu glukoze) i ATP (služi kao izvor energije za sintezu glukoze).

5. Uporedite fotosintezu i aerobno disanje. Navedite sličnosti i razlike.

Sličnosti:

● Složeni višestepeni procesi koji uključuju enzime.

● Fotosinteza i završni (kiseonički) stadijum aerobnog disanja odvijaju se u dvomembranskim organelama (hloroplastima i mitohondrijama, respektivno).

● Redox procesi, koji su praćeni prenosom elektrona duž elektronskih transportnih lanaca unutrašnjih membrana odgovarajućih organela, pojavom razlike potencijala na ovim membranama, radom ATP sintetaze i sintezom ATP.

Razlike:

● Proces fotosinteze se odnosi na plastični metabolizam jer je praćeno sintezom organskih supstanci iz neorganskih i javlja se uz apsorpciju svjetlosne energije. Proces aerobnog disanja odnosi se na energetski metabolizam, budući da se složene organske tvari razgrađuju i energija sadržana u njima se oslobađa.

● Fotosinteza se dešava samo u ćelijama fototrofnih organizama, a aerobno disanje se dešava u ćelijama većine živih organizama (uključujući fototrofe).

● Razni početni materijali i finalni proizvodi. Ako uzmemo u obzir zbirne jednačine fotosinteze i aerobnog disanja, možemo vidjeti da su proizvodi fotosinteze zapravo polazni materijali za aerobno disanje i obrnuto.

● NAD i FAD služe kao nosioci atoma vodonika u procesu disanja, a NADP u fotosintezi.

I (ili) druge značajne karakteristike.

6. Osoba troši približno 430 g kiseonika dnevno. Drvo prosječne veličine apsorbira oko 30 kg ugljičnog dioksida godišnje. Koliko stabala je potrebno da bi se jedna osoba opskrbila kiseonikom?

● Za godinu dana osoba potroši: 430 g × 365 = 156,950 g kiseonika.

● Hajde da izračunamo hemijsku količinu ugljen-dioksida koju godišnje apsorbuje jedno drvo:

M (CO 2) = 12 + 16 × 2 = 44 g/mol. n (CO 2) = m: M = 30.000 g: 44 g/mol ≈ 681,8 mol.

● Zbirna jednačina fotosinteze:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Apsorpciju 6 molova ugljičnog dioksida prati oslobađanje 6 molova kisika. To znači da, apsorbirajući 681,8 mola ugljičnog dioksida godišnje, drvo oslobađa 681,8 mola kisika.

● Hajde da pronađemo masu kiseonika koju drvo oslobađa godišnje:

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

● Hajde da odredimo koliko je stabala potrebno da bi se jedna osoba snabdela kiseonikom. Broj stabala = 156.950 g: 21.817,6 ≈ 7,2 stabala.

Odgovor: Da bi se jednoj osobi obezbijedio kiseonik, u prosjeku će biti potrebno 7,2 stabla (prihvatljivi odgovori bi bili “8 stabala” ili “7 stabala”).

7. Istraživači su biljke pšenice podijelili u dvije grupe i uzgajali ih u laboratoriji pod istim uslovima, samo što su biljke prve grupe bile osvijetljene crvenim svjetlom, a biljke druge grupe bile su osvijetljene zelenim svjetlom. U kojoj grupi biljaka se fotosinteza odvija intenzivnije? Sa čime je ovo povezano?

Fotosinteza se intenzivnije odvijala u biljkama osvijetljenim crvenim svjetlom. To je zbog činjenice da glavni fotosintetski pigmenti - klorofili - intenzivno apsorbiraju crvenu svjetlost (kao i plavo-ljubičasti dio spektra), a reflektiraju zelenu, koja određuje zelenu boju ovih pigmenata.

8*. Kojim eksperimentom se može dokazati da kisik koji se oslobađa tijekom fotosinteze nastaje upravo od molekula vode, a ne od molekula ugljičnog dioksida ili bilo koje druge tvari?

Ako se voda označena radioaktivnim kisikom koristi za obavljanje fotosinteze (molekuli sadrže kisik radionuklid umjesto stabilnog nuklida 16 O), tada se radioaktivna oznaka može detektirati u oslobođenom molekulskom kisiku. Ako za fotosintezu koristite bilo koju drugu tvar koja sadrži radionuklid kisika, tada oslobođeni O2 neće sadržavati radioaktivnu oznaku. Konkretno, radioaktivni kisik sadržan u molekulima apsorbiranog ugljičnog dioksida naći će se u sintetiziranim organskim tvarima, ali ne i u sastavu O 2.

*Zadaci označeni zvjezdicom zahtijevaju od učenika da iznesu različite hipoteze. Stoga, prilikom ocenjivanja, nastavnik treba da se fokusira ne samo na odgovor koji je ovde dat, već da uzme u obzir svaku hipotezu, procenjujući biološko mišljenje učenika, logiku njihovog rasuđivanja, originalnost ideja, itd. Nakon toga je preporučljivo upoznati učenike sa datim odgovorom.