Toimub fotosüntees. Fotosünteesi protsess taimede lehtedes. Taimeraku osade funktsioonid

Fotosüntees on orgaaniliste ainete sünteesimine anorgaanilistest, kasutades valgusenergiat. Enamikul juhtudel viivad fotosünteesi läbi taimed, kasutades rakulisi organelle nagu kloroplastid sisaldab rohelist pigmenti klorofüll.

Kui taimed ei oleks võimelised orgaanilist ainet sünteesima, poleks peaaegu kõigil teistel Maa organismidel midagi süüa, kuna loomad, seened ja paljud bakterid ei suuda anorgaanilistest orgaanilisi aineid sünteesida. Nad imavad endasse ainult valmis, jagavad need lihtsamateks, millest jälle kokku panevad keerulised, kuid juba oma kehale omased.

Seda juhul, kui rääkida fotosünteesist ja selle rollist väga lühidalt. Fotosünteesi mõistmiseks peame rohkem rääkima: milliseid konkreetseid anorgaanilisi aineid kasutatakse, kuidas süntees toimub?

Fotosünteesiks on vaja kahte anorgaanilist ainet – süsinikdioksiidi (CO 2) ja vett (H 2 O). Esimene imendub õhust taimede maapealsetesse osadesse peamiselt stoomide kaudu. Vesi tuleb pinnasest, kust see taime juhtiva süsteemi kaudu fotosünteesirakkudesse toimetatakse. Samuti vajab fotosüntees footonite energiat (hν), kuid neid ei saa seostada ainega.

Kokku tekib fotosünteesi käigus orgaaniline aine ja hapnik (O2). Tavaliselt tähendab orgaaniline aine kõige sagedamini glükoosi (C 6 H 12 O 6).

Orgaanilised ühendid koosnevad enamasti süsiniku, vesiniku ja hapniku aatomitest. Neid leidub süsinikdioksiidis ja vees. Fotosünteesi käigus eraldub aga hapnik. Selle aatomid on võetud veest.

Lühidalt ja üldiselt kirjutatakse fotosünteesi reaktsiooni võrrand tavaliselt järgmiselt:

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

Kuid see võrrand ei peegelda fotosünteesi olemust ega muuda seda arusaadavaks. Vaata, kuigi võrrand on tasakaalus, on selles aatomite koguarv vabas hapnikus 12. Aga me ütlesime, et need pärinevad veest ja neid on ainult 6.

Tegelikult toimub fotosüntees kahes faasis. Esimest nimetatakse valgus, teine ​​- tume. Sellised nimetused on tingitud sellest, et valgust on vaja ainult heleda faasi jaoks, tume faas on selle olemasolust sõltumatu, kuid see ei tähenda, et see tekiks pimedas. Hele faas esineb kloroplasti tülakoidide membraanidel ja tume faas kloroplasti stroomas.

Valgusfaasis CO 2 sidumist ei toimu. Kõik, mis toimub, on päikeseenergia püüdmine klorofüllikomplekside abil, selle salvestamine ATP-s ja energia kasutamine NADP redutseerimiseks NADP*H 2 -ks. Valgusergastatud klorofülli energiavoogu tagavad elektronid, mis edastatakse mööda tülakoidmembraanidesse ehitatud ensüümide elektronide transpordiahelat.

NADP jaoks mõeldud vesinik pärineb veest, mis päikesevalguse toimel laguneb hapnikuaatomiteks, vesiniku prootoniteks ja elektronideks. Seda protsessi nimetatakse fotolüüs. Fotosünteesiks pole veest saadavat hapnikku vaja. Kahe veemolekuli hapnikuaatomid ühinevad, moodustades molekulaarse hapniku. Fotosünteesi valgusfaasi reaktsioonivõrrand näeb lühidalt välja järgmine:

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

Seega toimub hapniku vabanemine fotosünteesi valgusfaasis. ADP-st ja fosforhappest sünteesitavate ATP molekulide arv ühe veemolekuli fotolüüsi kohta võib olla erinev: üks või kaks.

Niisiis tulevad ATP ja NADP*H2 heledast faasist tumedasse faasi. Siin kulub esimese energia ja teise redutseeriv jõud süsihappegaasi sidumisele. Seda fotosünteesi etappi ei saa lihtsalt ja lühidalt seletada, sest see ei kulge nii, et kuus CO 2 molekuli ühinevad NADP*H 2 molekulidest vabaneva vesinikuga, moodustades glükoosi:

6CO2 + 6NADP*H2 →C6H12O6 + 6NADP
(reaktsioon toimub energia kulutamisel ATP-ks, mis laguneb ADP-ks ja fosforhappeks).

Antud reaktsioon on lihtsalt lihtsustus, et seda oleks lihtsam mõista. Tegelikult seovad süsinikdioksiidi molekulid ükshaaval, liitudes juba ettevalmistatud viiesüsinikuga orgaanilise ainega. Tekib ebastabiilne kuue süsinikuga orgaaniline aine, mis laguneb kolme süsinikusisaldusega süsivesikute molekulideks. Mõnda neist molekulidest kasutatakse algse viiest süsinikust koosneva aine taassünteesimiseks, et siduda CO 2 . See taassüntees on tagatud Calvini tsükkel. Tsüklist väljub väike osa kolme süsinikuaatomit sisaldavatest süsivesikute molekulidest. Kõik muud orgaanilised ained (süsivesikud, rasvad, valgud) sünteesitakse neist ja teistest ainetest.

See tähendab, et fotosünteesi pimedas faasis tulevad välja kolme süsinikusisaldusega suhkrud, mitte glükoos.

Taimed, nagu kõik elusorganismid, vajavad eluks, kasvamiseks ja arenemiseks erinevaid aineid. Need pärinevad taime välisest keskkonnast. Taimerakkudes toimuvad mitmesugused keemilised protsessid, mille tulemusena tekivad sissetulevatest ainetest teised taimele iseloomulikud ained.

Mullast kasutab taim oma juurte abil vett, milles on lahustunud anorgaanilisi (mineraalseid) aineid. Ja taimede rohelistes osades, peamiselt lehtedes, moodustuvad orgaanilised ained. Nimetatakse protsessi, kus taimed moodustavad anorgaanilistest orgaanilistest ainetest fotosüntees.

Fotosüntees on väga keeruline mitmeetapiline protsess, mis koosneb kahest peamisest etapist:

• 1. etapp(valgusfaas) Eelduseks on päikeseenergia osalus! Protsess algab valgusega. See aktiveerib klorofülli (kloroplastides leiduv aine). Ja aktiveeritud klorofüll lagundab veemolekuli vesinikuks ja hapnikuks. Hapnik eraldub õhku.
• 2. etapp(tume faas) Seda fotosünteesi etappi nimetatakse pimedaks, kuna siin toimuvad kõik protsessid ilma valguse osaluseta. Selles etapis moodustub paljude keemiliste reaktsioonide käigus, mis hõlmavad süsinikdioksiidi ja fotosünteesi esimeses etapis saadud aktiivseid komponente, orgaanilist ainet (süsivesikuid) - suhkur (glükoos).

Milliseid anorgaanilisi aineid on vaja fotosünteesiks? Need on süsinikdioksiid ja vesi. Süsinikdioksiidi leidub õhus. Seal on seda umbes 0,03%. Süsinikdioksiid satub õhku peaaegu kõigi elusorganismide hingamisprotsessi käigus. Seetõttu, hoolimata asjaolust, et seda on õhus vähe ja taimed omastavad seda sealt pidevalt, täieneb süsihappegaasi kogus pidevalt. Lisaks paiskavad õhku süsihappegaasi muu hulgas tööstus ja autod. Fotosünteesiks vajalik vesi tuleb mullast läbi juurte imemistsooni.

Millised orgaanilised ained tekivad fotosünteesi käigus? See on glükoos. Glükoos on süsivesik. See on magus ja on osa suhkrumolekulist. Nagu me teame, on kolm peamist orgaaniliste ainete rühma: valgud, rasvad ja süsivesikud. Kas taimed tõesti ei vaja valke ja rasvu? Vajalik. Need ei teki aga mitte fotosünteesi käigus, vaid hiljem, erinevates taimerakkudes ja elundites toimuvate erinevate biokeemiliste reaktsioonide tulemusena. Kaasa arvatud juurtes. Need reaktsioonid hõlmavad glükoosi ja muid keemilisi ühendeid. Liigne glükoos muudetakse taimedes tärkliseks ja säilitatakse spetsiaalsetes organites (näiteks mugulates).

Millised anorgaanilised ained tekivad fotosünteesi käigus? See on hapnik. See lastakse õhku. Elusorganismid kasutavad hapnikku hingamisprotsessis.

Kuidas toimub fotosünteesi protsess? Fotosünteesi protsess nõuab päikesevalgust. valgus. Ta sisaldab energiat, mille taimed muudavad glükoosi molekulis olevate keemiliste sidemete energiaks. Fotosünteesi protsessis osaleb spetsiaalne pigment klorofüll, mida leidub taimerakkude kloroplastides. See on klorofüll, mis annab taimedele rohelise värvi. See neelab kogu nähtava kiirguse spektri, välja arvatud roheline, mida see peegeldab. Me näeme objekte nendes peegelduvas värvitoonis.

Seega fotosüntees on orgaaniliste ainete moodustumine anorgaanilistest ainetest valgusenergia salvestamise eesmärgil keemilistes sidemetes, mis toimub spetsiaalse pigmendi (taimedes on see klorofüll) abil..

Kuna päikesevalgus on taimede jaoks nii oluline, püüavad nad sellest võimalikult palju kinni püüda. Selleks on evolutsiooni käigus välja kujunenud spetsiaalsed kohandused. Taimede lehed on tavaliselt lamedad ja laiad. Nende nahk on õhuke ja läbipaistev. Tavaliselt on taime lehed paigutatud nii, et need ei varjutaks üksteist.

Kogu kompleksne samm-sammult fotosünteesi protsess toimub kloroplastides katkematult, samal ajal kui rohelised lehed saavad päikeseenergiat. Glükoos muudetakse peaaegu kohe teisteks süsivesikuteks, näiteks tärkliseks. Need orgaanilised ained voolavad sõelatorude kaudu lehtedelt taime kõikidesse osadesse: pungadesse, generatiivsetesse organitesse. Taimerakkudes leiduvast glükoosist ja mineraalidest moodustuvad arvukate transformatsioonide käigus muud orgaanilised ained, sealhulgas valgud ja rasvad. Kõik need orgaanilised ained lähevad taime kasvu ja arengu poole – see tähendab tema keha ülesehitamiseks ning ladestuvad ka säilituskudedesse ja kasutatakse hingamisel.

Fotosüntees on orgaaniliste ühendite süntees roheliste taimede lehtedes veest ja atmosfääri süsinikdioksiidist, kasutades kloroplastides klorofülli adsorbeeritud päikese (valgus)energiat.

Tänu fotosünteesile püütakse kinni nähtava valguse energia ja muudetakse see keemiliseks energiaks, mis salvestub (salvestub) fotosünteesi käigus tekkinud orgaanilistes ainetes.

Fotosünteesi protsessi avastamise kuupäevaks võib lugeda aastat 1771. Inglise teadlane J. Priestley juhtis tähelepanu loomade elutegevusest tingitud muutustele õhu koostises. Roheliste taimede juuresolekul muutus õhk taas sobivaks nii hingamiseks kui ka põlemiseks. Seejärel tegid mitmed teadlased (Y. Ingenhaus, J. Senebier, T. Saussure, J. B. Boussingault) kindlaks, et rohelised taimed neelavad õhust CO 2, millest moodustub orgaaniline aine vee osalusel valguses. . Just seda protsessi nimetas 1877. aastal saksa teadlane W. Pfeffer fotosünteesiks. R. Mayeri sõnastatud energia jäävuse seadus oli fotosünteesi olemuse paljastamisel väga oluline. 1845. aastal tegi R. Mayer ettepaneku, et taimede kasutatav energia on Päikese energia, mille taimed muudavad fotosünteesi käigus keemiliseks energiaks. See seisukoht töötati välja ja kinnitas eksperimentaalselt tähelepanuväärse vene teadlase K.A. Timirjasev.

Fotosünteetiliste organismide peamine roll:

1) päikesevalguse energia muundamine orgaaniliste ühendite keemiliste sidemete energiaks;

2) atmosfääri küllastumine hapnikuga;

Fotosünteesi tulemusena tekib Maal 150 miljardit tonni orgaanilist ainet ja vabaneb umbes 200 miljardit tonni vaba hapnikku aastas. See hoiab ära CO2 kontsentratsiooni tõusu atmosfääris, hoides ära Maa ülekuumenemise (kasvuhooneefekt).

Fotosünteesi käigus tekkiv atmosfäär kaitseb elusolendeid kahjuliku lühilainelise UV-kiirguse (atmosfääri hapniku-osooni kaitsekilp) eest.

Ainult 1-2% päikeseenergiast kantakse põllumajandustaimede saagiks, kaod on tingitud valguse mittetäielikust neeldumisest. Seetõttu on suure fotosünteesi efektiivsusega sortide valiku ja valguse neeldumist soodustava põllukultuuri struktuuri loomise kaudu tohutu tootlikkuse tõstmise väljavaade. Sellega seoses muutub eriti aktuaalseks fotosünteesi kontrolli teoreetiliste aluste väljatöötamine.

Fotosünteesi tähtsus on tohutu. Pangem vaid tähele, et see varustab kõigi elusolendite olemasoluks vajalikku kütust (energiat) ja õhuhapnikku. Seetõttu on fotosünteesi roll planetaarne.

Fotosünteesi planetaarsuse määrab ka asjaolu, et tänu hapniku ja süsiniku ringlusele (peamiselt) säilib atmosfääri praegune koostis, mis omakorda määrab elu edasise säilimise Maal. Võime veel öelda, et fotosünteesi saadustesse salvestatud energia on sisuliselt praegune inimkonna peamine energiaallikas.

Fotosünteesi täielik reaktsioon

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

Fotosünteesi keemiat kirjeldatakse järgmiste võrranditega:

Fotosüntees – 2 reaktsioonirühma:

kerge lava (sõltub valgustus)

tume lava (oleneb temperatuurist).

Mõlemad reaktsioonirühmad toimuvad samaaegselt

Fotosüntees toimub roheliste taimede kloroplastides.

Fotosüntees algab roheliste taimerakkude kloroplastides leiduva pigmendi klorofülli valguse püüdmise ja neelamisega.

See osutub piisavaks molekuli neeldumisspektri nihutamiseks.

Klorofülli molekul neelab footoneid spektri violetses ja sinises ning seejärel punases osas ning ei interakteeru spektri rohelise ja kollase osa footonitega.

Seetõttu näevad klorofüll ja taimed rohelised välja – nad lihtsalt ei saa rohelisi kiiri ära kasutada ja jätavad need mööda maailma ringi rändama (muutes seeläbi selle rohelisemaks).

Fotosünteetilised pigmendid asuvad tülakoidmembraani siseküljel.

Pigmendid on organiseeritud fotosüsteemid(antenniväljad valguse püüdmiseks) - sisaldab 250–400 erineva pigmendi molekuli.

Fotosüsteem koosneb:

reaktsioonikeskus fotosüsteemid (klorofülli molekul A),

antenni molekulid

Kõik fotosüsteemi pigmendid on võimelised ergastatud olekuenergiat üksteisele üle kandma. Ühe või teise pigmendimolekuli neeldunud footoni energia kandub naabermolekulile, kuni see jõuab reaktsioonikeskusesse. Kui reaktsioonikeskuse resonantssüsteem läheb ergastatud olekusse, kannab see aktseptormolekulile üle kaks ergastatud elektroni ning seeläbi oksüdeerub ja omandab positiivse laengu.

Taimedes:

fotosüsteem 1(maksimaalne valguse neeldumine lainepikkusel 700 nm – P700)

fotosüsteem 2(maksimaalne valguse neeldumine lainepikkusel 680 nm – P680

Erinevused neeldumisoptimis on tingitud väikestest erinevustest pigmendi struktuuris.

Need kaks süsteemi töötavad paralleelselt, nagu kaheosaline konveier mittetsükliline fotofosforüülimine .

Kokkuvõttev võrrand jaoks mittetsükliline fotofosforüülimine:

Ф - fosforhappe jäägi sümbol

Tsükkel algab fotosüsteemiga 2.

1) antenni molekulid püüavad kinni footoni ja edastavad ergastuse aktiivse tsentri molekulile P680;

2) ergastatud P680 molekul loovutab kaks elektroni kofaktorile Q, samal ajal kui see oksüdeerub ja omandab positiivse laengu;

Kofaktor(kofaktor). Koensüüm või mõni muu aine, mis on vajalik ensüümi funktsioonide täitmiseks

Koensüümid (koensüümid)[alates lat. co (cum) - koos ja ensüümid], mittevalgulise iseloomuga orgaanilised ühendid, mis osalevad ensümaatilises reaktsioonis üksikute aatomite või aatomirühmade aktseptoridena, mis on ensüümi poolt eraldatud substraadi molekulist, s.o. ensüümide katalüütilise toime läbiviimiseks. Need ained, erinevalt ensüümi valgukomponendist (apoensüüm), on suhteliselt väikese molekulmassiga ja reeglina termostabiilsed. Mõnikord tähendavad koensüümid mis tahes madalmolekulaarseid aineid, mille osalemine on vajalik ensüümi katalüütilise toime ilmnemiseks, sealhulgas näiteks ioone. K+, Mg2+ ja Mn2+. Ensüümid paiknevad. ensüümi aktiivses keskuses ning koos substraadi ja aktiivse keskuse funktsionaalrühmadega moodustavad aktiveeritud kompleksi.

Enamik ensüüme nõuab katalüütilise aktiivsuse avaldamiseks koensüümi olemasolu. Erandiks on hüdrolüütilised ensüümid (näiteks proteaasid, lipaasid, ribonukleaas), mis täidavad oma funktsiooni koensüümi puudumisel.

Molekuli redutseerib P680 (ensüümide toimel). Sel juhul dissotsieerub vesi prootoniteks ja molekulaarne hapnik, need. vesi on elektronidoonor, mis tagab P 680 elektronide täiendamise.

FOTOLÜÜS VESI- veemolekuli lõhenemine, eriti fotosünteesi käigus. Vee fotolüüsi tõttu tekib hapnik, mida rohelised taimed valguse käes eraldavad.

MÄÄRATLUS: Fotosüntees on orgaaniliste ainete moodustumine süsinikdioksiidist ja veest valguse käes hapniku vabanemisega.

Fotosünteesi protsess hõlmab:

1) kloroplastid,

3) süsinikdioksiid,

5) temperatuur.

Kõrgemates taimedes toimub fotosüntees kloroplastides - ovaalse kujuga plastiidides (poolautonoomsetes organellides), mis sisaldavad pigmendi klorofülli, tänu mille rohelisele värvusele on taimeosad ka rohelist värvi.

Vetikates sisaldub klorofüll kromatofoorides (pigmenti sisaldavad ja valgust peegeldavad rakud). Pruun- ja punavetikatel, mis elavad märkimisväärsel sügavusel, kuhu päikesevalgus hästi ei ulatu, on teisi pigmente.

Kui vaadata kõigi elusolendite toidupüramiidi, siis fotosünteesivad organismid on autotroofide (organismid, mis sünteesivad anorgaanilistest orgaanilisi aineid) hulgas kõige põhjas. Seetõttu on need toiduallikaks kogu planeedi elule.

Fotosünteesi käigus eraldub atmosfääri hapnik. Atmosfääri ülemistes kihtides moodustub sellest osoon. Osoonikilp kaitseb Maa pinda karmi ultraviolettkiirguse eest, tänu millele pääses elu merest maale.

Hapnik on vajalik taimede ja loomade hingamiseks. Kui glükoos oksüdeeritakse hapniku osalusel, salvestavad mitokondrid peaaegu 20 korda rohkem energiat kui ilma selleta. See muudab toidu kasutamise palju tõhusamaks, mis on kaasa toonud lindude ja imetajate kõrge ainevahetuse.

Taimede fotosünteesi protsessi üksikasjalikum kirjeldus

Fotosünteesi käik:

Fotosünteesi protsess algab valgusega, mis tabab kloroplaste - rakusiseseid poolautonoomseid organelle, mis sisaldavad rohelist pigmenti. Valguse käes hakkavad kloroplastid pinnasest vett tarbima, lõhestades selle vesinikuks ja hapnikuks.

Osa hapnikust vabaneb atmosfääri, teine ​​osa läheb taimes toimuvatesse oksüdatiivsetesse protsessidesse.

Suhkur ühineb mullast tuleva lämmastiku, väävli ja fosforiga, nii toodavad rohelised taimed tärklist, rasvu, valke, vitamiine ja muid eluks vajalikke kompleksühendeid.

Fotosüntees toimub kõige paremini päikesevalguse mõjul, kuid mõned taimed võivad olla rahul kunstliku valgustusega.

Fotosünteesi mehhanismide keerukas kirjeldus edasijõudnud lugejale

Kuni 20. sajandi 60. aastateni teadsid teadlased süsinikdioksiidi sidumiseks ainult ühte mehhanismi - C3-pentoosfosfaadi raja kaudu. Kuid hiljuti suutis rühm Austraalia teadlasi tõestada, et mõnedes taimedes toimub süsinikdioksiidi vähenemine C4-dikarboksüülhappe tsükli kaudu.

C3 reaktsiooniga taimedes toimub fotosüntees kõige aktiivsemalt mõõduka temperatuuri ja valguse tingimustes, peamiselt metsades ja pimedates kohtades. Selliste taimede hulka kuuluvad peaaegu kõik kultuurtaimed ja enamik köögivilju. Need on inimeste toitumise aluseks.

C4 reaktsiooniga taimedes toimub fotosüntees kõige aktiivsemalt kõrge temperatuuri ja valguse tingimustes. Selliste taimede hulka kuuluvad näiteks mais, sorgo ja suhkruroog, mis kasvavad soojas ja troopilises kliimas.

Taimede ainevahetus ise avastati üsna hiljuti, kui avastati, et osades taimedes, millel on spetsiaalsed vee hoidmiseks mõeldud kuded, koguneb süsihappegaas orgaaniliste hapete kujul ja fikseeritakse süsivesikutes alles päeva pärast. See mehhanism aitab taimedel vett säästa.

Kuidas toimub fotosünteesi protsess?

Taim neelab valgust, kasutades rohelist ainet, mida nimetatakse klorofülliks. Klorofülli leidub kloroplastides, mida leidub vartes või viljades. Eriti palju on neid lehtedes, sest tänu oma väga lamedale struktuurile suudab leht ligi tõmmata palju valgust ning saab seetõttu fotosünteesi protsessiks palju rohkem energiat.

Pärast imendumist on klorofüll ergastatud olekus ja kannab energiat teistele taimekeha molekulidele, eriti neile, mis on otseselt seotud fotosünteesiga. Fotosünteesiprotsessi teine ​​etapp toimub ilma kohustusliku valguse osaluseta ja seisneb keemilise sideme saamises õhust ja veest saadava süsinikdioksiidi osalusel. Selles etapis sünteesitakse erinevaid eluks väga kasulikke aineid nagu tärklis ja glükoos.

Neid orgaanilisi aineid kasutavad taimed ise oma erinevate osade toitmiseks, samuti normaalsete elufunktsioonide säilitamiseks. Lisaks saavad neid aineid ka loomad taimi süües. Inimesed saavad neid aineid ka loomset ja taimset päritolu toitu süües.

Fotosünteesi tingimused

Fotosüntees võib toimuda nii kunstliku valguse kui ka päikesevalguse mõjul. Looduses “töötavad” taimed reeglina intensiivselt kevadel ja suvel, kui vajalikku päikesevalgust on palju. Sügisel on valgust vähem, päevad lühenevad, lehed muutuvad esmalt kollaseks ja siis kukuvad maha. Kuid niipea, kui ilmub soe kevadpäike, ilmub uuesti roheline lehestik ja rohelised “tehased” jätkavad oma tööd, et varustada eluks nii vajalikku hapnikku ja paljusid muid toitaineid.

Fotosünteesi alternatiivne määratlus

Fotosüntees (vanakreeka keelest fotovalgus ja süntees - ühendamine, voltimine, sidumine, süntees) on protsess, mille käigus fotoautotroofid muudavad valgusenergia valguses orgaaniliste ainete keemiliste sidemete energiaks fotosünteetiliste pigmentide (taimedes klorofüll) osalusel. , bakterioklorofüll ja bakteriorodopsiin bakterites). Kaasaegses taimefüsioloogias mõistetakse fotosünteesi all sagedamini fotoautotroofset funktsiooni - valguskvantide energia neeldumise, muundamise ja kasutamise protsesside kogumit erinevates endergoonilistes reaktsioonides, sealhulgas süsinikdioksiidi muundamisel orgaanilisteks aineteks.

Fotosünteesi faasid

Fotosüntees on üsna keeruline protsess ja hõlmab kahte faasi: valgus, mis toimub alati ainult valguses, ja pimedus. Kõik protsessid toimuvad kloroplastide sees spetsiaalsetel väikestel elunditel - tülakoodiatel. Valgusfaasis neeldub klorofülli hulk valgust, mille tulemusena moodustuvad ATP ja NADPH molekulid. Seejärel vesi laguneb, moodustades vesinikioone ja vabastades hapniku molekuli. Tekib küsimus, mis on need arusaamatud salapärased ained: ATP ja NADH?

ATP on spetsiaalne orgaaniline molekul, mida leidub kõigis elusorganismides ja mida sageli nimetatakse "energia" valuutaks. Just need molekulid sisaldavad suure energiaga sidemeid ja on energiaallikaks mis tahes orgaanilises sünteesis ja kehas toimuvates keemilistes protsessides. Noh, NADPH on tegelikult vesiniku allikas, seda kasutatakse otse kõrgmolekulaarsete orgaaniliste ainete - süsivesikute - sünteesil, mis toimub fotosünteesi teises, pimedas faasis süsinikdioksiidi abil.

Fotosünteesi valgusfaas

Kloroplastid sisaldavad palju klorofülli molekule ja nad kõik neelavad päikesevalgust. Samal ajal neelavad valgust teised pigmendid, kuid nad ei saa fotosünteesi läbi viia. Protsess ise toimub ainult mõnes klorofülli molekulis, mida on väga vähe. Teised klorofülli, karotenoidide ja muude ainete molekulid moodustavad spetsiaalseid antenni ja valguse kogumise komplekse (LHC). Need, nagu antennid, neelavad valguskvante ja edastavad ergastuse spetsiaalsetesse reaktsioonikeskustesse või lõksudesse. Need keskused asuvad fotosüsteemides, millest taimedel on kaks: fotosüsteem II ja fotosüsteem I. Need sisaldavad spetsiaalseid klorofülli molekule: vastavalt fotosüsteemis II - P680 ja fotosüsteemis I - P700. Nad neelavad täpselt sellise lainepikkusega valgust (680 ja 700 nm).

Diagramm annab selgemaks, kuidas kõik fotosünteesi valgusfaasis välja näeb ja toimub.

Joonisel näeme kahte fotosüsteemi klorofüllidega P680 ja P700. Joonisel on näidatud ka kandjad, mille kaudu toimub elektronide transport.

Niisiis: kahe fotosüsteemi mõlemad klorofülli molekulid neelavad valguskvanti ja erutuvad. Elektron e- (joonisel punane) liigub kõrgemale energiatasemele.

Ergastatud elektronidel on väga kõrge energia, nad katkevad ja sisenevad spetsiaalsesse transporteriahelasse, mis asub tülakoidide membraanides - kloroplastide sisestruktuurides. Joonisel on näha, et fotosüsteemist II klorofüllist P680 läheb elektron plastokinoonile ja fotosüsteemist I klorofüllilt P700 ferredoksiinile. Klorofülli molekulides moodustuvad elektronide asemel pärast nende eemaldamist positiivse laenguga sinised augud. Mida teha?

Elektroni puudumise kompenseerimiseks võtab fotosüsteemi II klorofülli molekul P680 vastu veest elektrone ja tekivad vesinikioonid. Lisaks satub hapnik atmosfääri vee lagunemise tõttu. Ja klorofülli P700 molekul, nagu jooniselt näha, korvab elektronide puudumise fotosüsteemi II kandjate süsteemi kaudu.

Üldiselt, ükskõik kui raske see ka pole, fotosünteesi valgusfaas kulgeb täpselt nii, selle põhiolemus on elektronide ülekandmine. Samuti on jooniselt näha, et paralleelselt elektronide transpordiga liiguvad läbi membraani vesinikioonid H+, mis kogunevad tülakoidi sisse. Kuna neid on seal palju, liiguvad nad väljapoole spetsiaalse konjugeerimisfaktori abil, mis on paremal näidatud pildil oranž ja näeb välja nagu seene.

Lõpuks näeme elektronide transpordi viimast etappi, mille tulemusena moodustub eelnimetatud NADH ühend. Ja tänu H+ ioonide ülekandele sünteesitakse energiavaluuta – ATP (näha joonisel paremal).

Niisiis, fotosünteesi valgusfaas on lõppenud, hapnik vabaneb atmosfääri, moodustuvad ATP ja NADH. Mis järgmiseks? Kus on lubatud orgaaniline aine? Ja siis tuleb tume staadium, mis koosneb peamiselt keemilistest protsessidest.

Fotosünteesi tume faas

Fotosünteesi pimedas faasis on süsinikdioksiid – CO2 – oluline komponent. Seetõttu peab taim seda pidevalt atmosfäärist neelama. Selleks on lehe pinnal spetsiaalsed struktuurid - stomata. Nende avanemisel siseneb CO2 lehte, lahustub vees ja reageerib fotosünteesi valgusfaasiga.

Enamiku taimede valgusfaasis seondub CO2 viiesüsinikulise orgaanilise ühendiga (mis on viiest süsiniku molekulist koosnev ahel), mille tulemusena moodustub kaks molekuli kolmest süsinikust koosnevast ühendist (3-fosfoglütseriinhape). Sest Peamine tulemus on just need kolme süsiniku ühendid; seda tüüpi fotosünteesiga taimi nimetatakse C3 taimedeks.

Edasine süntees kloroplastides toimub üsna keeruliselt. Lõppkokkuvõttes moodustab see kuuest süsinikust koosneva ühendi, millest saab hiljem sünteesida glükoosi, sahharoosi või tärklist. Nende orgaaniliste ainete kujul kogub taim energiat. Sel juhul jääb neist vaid väike osa lehte, mida kasutatakse oma vajadusteks, samas kui ülejäänud süsivesikud liiguvad läbi taime, jõudes sinna, kus energiat kõige rohkem vajatakse – näiteks kasvupunktidesse.

1. Kas fotosüntees on plastiline või energia metabolism? Miks?

Fotosüntees viitab plastilise ainevahetuse protsessidele, sest kaasas:

● keerukate orgaaniliste ühendite sünteesil lihtsamatest ainetest, nimelt: anorgaanilistest ainetest (H 2 O ja CO 2) sünteesitakse glükoos (C 6 H 12 O 6);

● valgusenergia neeldumine.

2. Millistes taimeraku organellides toimub fotosüntees? Mis on fotosüsteem? Millist funktsiooni fotosüsteemid täidavad?

Fotosüntees toimub rohelistes plastiidides – kloroplastides.

Fotosüsteemid on spetsiaalsed pigmendi-valgu kompleksid, mis paiknevad kloroplasti tülakoidide membraanides. Fotosüsteeme on kahte tüüpi – fotosüsteem I ja fotosüsteem II. Igaüks neist sisaldab pigmendimolekulidest moodustatud valgust koguvat antenni, reaktsioonikeskust ja elektronikandjaid.

Valgust koguv antenn toimib nagu lehter: pigmendimolekulid neelavad valgust ja kannavad kogu kogutud energia reaktsioonikeskusesse, kus asub klorofüll a-ga esindatud lõksmolekul. Olles neelanud energiat, läheb lõksmolekul ergastatud olekusse ja annab ühe oma elektronidest spetsiaalsele kandjale, s.t. oksüdeerub. Seega täidavad fotosüsteemid valguse neelamise ja valgusenergia keemiliseks energiaks muutmise funktsiooni.

3. Mis tähtsus on fotosünteesil Maal? Miks oleks biosfääri olemasolu võimatu ilma fototroofsete organismideta?

Fotosüntees on ainus protsess planeedil, mille käigus Päikese valgusenergia muundub sünteesitud orgaaniliste ainete keemiliste sidemete energiaks. Sel juhul on orgaaniliste ainete sünteesi lähteühenditeks energiavaesed anorgaanilised ained - süsihappegaas ja vesi.

Fotosünteesi käigus tekkivad orgaanilised ühendid kanduvad toidu osana fototroofsetelt organismidelt rohusööjatele, seejärel lihasööjatele, olles energiaallikaks ja ehitusmaterjaliks teiste ainete sünteesiks, uute rakkude ja struktuuride moodustamiseks. Järelikult on tänu fototroofide aktiivsusele heterotroofsete organismide toitumisvajadused rahuldatud.

Lisaks on fotosüntees enamiku elusorganismide hingamiseks vajaliku molekulaarse hapniku allikas. Osoonikiht moodustub ja säilib hapnikust, kaitstes planeedi elusorganisme lühilainelise ultraviolettkiirguse kahjulike mõjude eest. Tänu fotosünteesile säilib atmosfääris suhteliselt konstantne CO 2 sisaldus.

4. Iseloomusta fotosünteesi heledat ja tumedat faasi vastavalt plaanile:

1) lekke asukoht; 2) lähtematerjalid; 3) käimasolevad protsessid; 4) lõpptooted.

Milliseid fotosünteesi valgusfaasi tooteid kasutatakse pimedas faasis?

Fotosünteesi valgusfaas.

1) Lekkekoht: tülakoidmembraanid.

2) Lähteained: H 2 O, oksüdeeritud NADP (NADP +), ADP, H 3 PO 4. Valgusfaasi tekkeks on vajalikud ka fotosünteetilised pigmendid (klorofüllid jne), kuid neid ei saa nimetada valgusfaasi algaineteks.

3) Esinevad protsessid: valguse neeldumine fotosüsteemide poolt, vee fotolüüs, elektronide transport tülakoidi väljapoole ja prootonite akumuleerumine tülakoidi sees (st elektrokeemilise potentsiaali ilmumine tülakoidi membraanile), ATP süntees, redutseerimine NADP +.

4) Lõppproduktid: ATP, redutseeritud NADP (NADP H+H +), kõrvalsaadus - molekulaarne hapnik (O 2).

Fotosünteesi tume faas.

1) Lekkekoht: kloroplasti strooma.

2) Algained: CO 2, ATP, redutseeritud NADP (NADP H+H +).

3) Käimasolevad protsessid: glükoosi süntees (CO 2 redutseerimine orgaanilisteks aineteks), mille käigus toimub ATP hüdrolüüs ja NADP H+H + oksüdatsioon.

4) Lõppsaadused: glükoos (C 6 H 12 O 6), oksüdeeritud NADP (NADP +), ADP, H 3 PO 4.

Fotosünteesi pimedas faasis kasutatakse kerge faasi tooteid, nagu NADP H+H + (toimib vesinikuaatomite allikana glükoosi sünteesiks) ja ATP (toimib glükoosi sünteesi energiaallikana).

5. Võrdle fotosünteesi ja aeroobset hingamist. Märkige sarnasused ja erinevused.

Sarnasused:

● Keerulised mitmeastmelised protsessid, mis hõlmavad ensüüme.

● Fotosüntees ja aeroobse hingamise viimane (hapniku)staadium toimub topeltmembraansetes organellides (vastavalt kloroplastides ja mitokondrites).

● Redoksprotsessid, millega kaasneb elektronide ülekanne mööda vastavate organellide sisemembraanide elektronide transpordiahelaid, potentsiaalsete erinevuste ilmnemine nendel membraanidel, ATP süntetaasi ja ATP sünteesi töö.

Erinevused:

● Fotosünteesi protsess viitab plastilisele ainevahetusele, sest sellega kaasneb orgaaniliste ainete süntees anorgaanilistest ja toimub valgusenergia neeldumisel. Aeroobse hingamise protsess viitab energia metabolismile, kuna komplekssed orgaanilised ained lagunevad ja neis sisalduv energia vabaneb.

● Fotosüntees toimub ainult fototroofsete organismide rakkudes ja aeroobne hingamine toimub enamiku elusorganismide (sh fototroofide) rakkudes.

● Erinevad lähtematerjalid ja lõpptooted. Kui võtta arvesse fotosünteesi ja aeroobse hingamise koondvõrrandeid, näeme, et fotosünteesi saadused on tegelikult aeroobse hingamise lähtematerjalid ja vastupidi.

● NAD ja FAD on vesinikuaatomite kandjad hingamisprotsessis ja NADP kandjad fotosünteesis.

Ja (või) muud olulised omadused.

6. Inimene tarbib ööpäevas ligikaudu 430 g hapnikku. Keskmise suurusega puu neelab aastas umbes 30 kg süsihappegaasi. Mitu puud on vaja ühe inimese hapnikuga varustamiseks?

● Aastas tarbib inimene: 430 g × 365 = 156 950 g hapnikku.

● Arvutame ühe puu poolt aastas neelduva süsinikdioksiidi keemilise koguse:

M (CO2) = 12 + 16 × 2 = 44 g/mol. n (CO 2) = m: M = 30 000 g: 44 g/mol ≈ 681,8 mol.

● Fotosünteesi kokkuvõtlik võrrand:

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

6 mooli süsinikdioksiidi imendumisega kaasneb 6 mooli hapniku vabanemine. See tähendab, et neelates aastas 681,8 mooli süsinikdioksiidi, eraldab puu 681,8 mooli hapnikku.

● Leiame puust aastas vabaneva hapniku massi:

M (O2) = 16 × 2 = 32 g/mol. m (O 2) = n × M = 681,8 mol × 32 g/mol = 21 817,6 g

● Teeme kindlaks, mitu puud on vaja ühe inimese hapnikuga varustamiseks. Puude arv = 156 950 g: 21 817,6 ≈ 7,2 puud.

Vastus: Ühe inimese hapnikuga varustamiseks on vaja keskmiselt 7,2 puud (vastuvõetavad vastused on "8 puud" või "7 puud").

7. Teadlased jagasid nisutaimed kahte rühma ja kasvatasid neid laboris samadel tingimustel, välja arvatud see, et esimese rühma taimed valgustati punase ja teise rühma taimed rohelise valgusega. Millises taimerühmas toimus fotosüntees intensiivsemalt? Millega see seotud on?

Fotosüntees toimus punase valgusega valgustatud taimedes intensiivsemalt. Selle põhjuseks on asjaolu, et peamised fotosünteesi pigmendid - klorofüllid - neelavad intensiivselt punast valgust (nagu ka spektri sini-violetset osa) ja peegeldavad rohelist, mis määrab nende pigmentide rohelise värvi.

8*. Millise katsega saab tõestada, et fotosünteesi käigus eralduv hapnik tekib just veemolekulidest, mitte süsihappegaasi või mõne muu aine molekulidest?

Kui fotosünteesi läbiviimiseks kasutatakse radioaktiivse hapnikuga märgistatud vett (molekulid sisaldavad stabiilse nukliidi 16 O asemel hapniku radionukliidi), siis saab radioaktiivset märgist tuvastada vabanenud molekulaarses hapnikus. Kui kasutate fotosünteesiks mõnda muud hapniku radionukliide sisaldavat ainet, siis vabanev O2 ei sisalda radioaktiivset märgist. Eelkõige leidub neeldunud süsinikdioksiidi molekulides sisalduvat radioaktiivset hapnikku sünteesitud orgaanilistes ainetes, kuid mitte O 2 koostises.

*Tärniga märgitud ülesanded nõuavad õpilastelt erinevate hüpoteeside püstitamist. Seetõttu peaks õpetaja märkimisel keskenduma mitte ainult siin antud vastusele, vaid arvestama iga hüpoteesiga, hinnates õpilaste bioloogilist mõtlemist, nende arutlusloogikat, ideede originaalsust jne. Pärast seda on soovitav tutvustada õpilasi antud vastusega.