Odvija se fotosinteza. Proces fotosinteze u listovima biljaka. Funkcije dijelova biljne stanice

Fotosinteza je proces sinteze organskih tvari iz anorganskih pomoću svjetlosne energije. U velikoj većini slučajeva fotosintezu provode biljke pomoću staničnih organela kao što su kloroplasti koji sadrži zeleni pigment klorofil.

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 apsorbiraju gotove, cijepaju ih na jednostavnije, od kojih opet sastavljaju složene, ali već svojstvene njihovom tijelu.

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

Za fotosintezu su potrebne dvije anorganske tvari - ugljikov dioksid (CO 2) i voda (H 2 O). Prvu apsorbiraju iz zraka nadzemni dijelovi biljaka uglavnom kroz puči. Voda dolazi iz tla, odakle se provodnim sustavom biljke dostavlja do fotosintetskih stanica. Također, za fotosintezu je potrebna energija fotona (hν), ali oni se ne mogu pripisati materiji.

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

Organski spojevi uglavnom se sastoje od atoma ugljika, vodika i kisika. Nalaze se u ugljičnom dioksidu i vodi. Međutim, tijekom fotosinteze oslobađa se kisik. 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 bit 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 dolaze iz vode, a ima ih samo 6.

Zapravo, fotosinteza se odvija u dvije faze. Prvi se zove svjetlo, drugi - mračno. Ovakvi nazivi su zbog činjenice da je svjetlo potrebno samo za svijetlu fazu, tamna faza je neovisna o njenoj prisutnosti, ali to ne znači da se javlja u mraku. Svijetla faza javlja se na membranama tilakoida kloroplasta, a tamna faza se javlja u stromi kloroplasta.

Tijekom svjetlosne faze ne dolazi do vezanja CO 2 . Sve što se događa je hvatanje sunčeve energije od strane klorofilnih kompleksa, njeno skladištenje u ATP-u i korištenje energije za redukciju NADP-a u NADP*H 2 . Protok energije iz klorofila pobuđenog svjetlošću osiguravaju elektroni koji se prenose duž lanca prijenosa elektrona enzima ugrađenih u tilakoidne membrane.

Vodik za NADP dolazi iz vode, koja se sunčevom svjetlošću razlaže na atome kisika, protone vodika i elektrone. Ovaj proces se zove fotoliza. Kisik iz vode nije potreban za fotosintezu. Atomi kisika iz dviju molekula vode spajaju se u molekularni kisik. Jednadžba reakcije za svjetlosnu fazu fotosinteze ukratko izgleda ovako:

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

Dakle, oslobađanje kisika događa se tijekom svjetlosne faze fotosinteze. Broj molekula ATP-a sintetiziranih iz ADP-a i fosforne kiseline po fotolizi jedne molekule vode može biti različit: jedna ili dvije.

Dakle, ATP i NADP*H 2 dolaze iz svijetle faze u tamnu fazu. Ovdje se energija prvog i redukcijska snaga drugog troše na vezanje ugljičnog dioksida. Ovaj stadij fotosinteze ne može se objasniti jednostavno i jezgrovito jer se ne odvija na način da se šest molekula CO 2 spaja s vodikom koji se oslobađa iz molekula NADP*H 2 u glukozu:

6CO 2 + 6NADP*H 2 →C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(reakcija se odvija uz utrošak energije ATP, koji se razgrađuje na ADP i fosfornu kiselinu).

Navedena reakcija je samo pojednostavljenje radi lakšeg razumijevanja. Zapravo, molekule ugljičnog dioksida vežu se jedna po jedna, pridružujući se već pripremljenoj organskoj tvari s pet ugljika. Nastaje nestabilna organska tvar od šest ugljika, koja se raspada na molekule ugljikohidrata od tri ugljika. Neke od tih molekula koriste se za ponovnu sintetizaciju izvorne tvari s pet ugljika za vezanje CO 2 . Ova resinteza je osigurana Calvinov ciklus. Manji dio molekula ugljikohidrata koji sadrže tri ugljikova atoma izlazi iz ciklusa. Sve ostale organske tvari (ugljikohidrati, masti, bjelančevine) sintetizirane su iz njih i drugih tvari.

To jest, zapravo, šećeri s tri ugljika, a ne glukoza, izlaze iz tamne faze fotosinteze.

Biljke, kao i svi živi organizmi, zahtijevaju različite tvari za život, rast i razvoj. Oni dolaze iz vanjske okoline biljke. U biljnim stanicama odvijaju se različiti kemijski procesi, uslijed kojih iz pristiglih tvari nastaju druge tvari svojstvene biljci.

Iz tla biljka korijenjem upija vodu u kojoj su otopljene anorganske (mineralne) tvari. I u zelenim dijelovima biljaka, uglavnom u lišću, stvaraju se organske tvari. Proces kojim biljke tvore organske tvari iz anorganskih naziva se fotosinteza.

Fotosinteza je vrlo složen višefazni proces koji se sastoji od dvije glavne faze:

• 1. faza(svjetlosna faza) Preduvjet je sudjelovanje sunčeve energije! Proces počinje svjetlom. Aktivira klorofil (tvar koja se nalazi u kloroplastima). A aktivirani klorofil razgrađuje molekulu vode na vodik i kisik. Kisik se oslobađa u zrak.
• Faza 2(tamna faza) Ova faza fotosinteze naziva se tamna, jer se ovdje svi procesi odvijaju bez sudjelovanja svjetlosti. U ovoj fazi, tijekom mnogih kemijskih reakcija koje uključuju ugljični dioksid i aktivne komponente dobivene tijekom prve faze fotosinteze, nastaje organska tvar (ugljikohidrat) - šećer (glukoza).

Koje su anorganske tvari potrebne za fotosintezu? To su ugljikov dioksid i voda. Ugljični dioksid nalazi se u zraku. Tamo ga ima oko 0,03%. Ugljični dioksid ispušta se u zrak tijekom 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 nadopunjuje. Osim toga, industrija i automobili, između ostalog, ispuštaju ugljični dioksid u zrak. Voda za fotosintezu dolazi iz tla kroz usisnu zonu korijena.

Koje organske tvari nastaju tijekom fotosinteze? Ovo je glukoza. Glukoza je ugljikohidrat. Slatko je i dio je molekule šećera. Kao što znamo, postoje tri glavne skupine organskih tvari: bjelančevine, masti i ugljikohidrati. Zar biljke stvarno ne trebaju proteine ​​i masti? potrebno. Međutim, oni ne nastaju tijekom procesa fotosinteze, već kasnije, kao rezultat različitih biokemijskih reakcija koje se odvijaju u različitim biljnim stanicama i organima. Uključujući i u korijenima. Ove reakcije uključuju glukozu i druge kemijske spojeve. Višak glukoze se u biljkama pretvara u škrob i pohranjuje u posebne organe (na primjer, gomolje).

Koje anorganske tvari nastaju tijekom fotosinteze? Ovo je kisik. Pušta se u zrak. Kisik koriste živi organizmi tijekom procesa disanja.

Kako se odvija proces fotosinteze? Za odvijanje procesa fotosinteze potrebna je sunčeva svjetlost. svjetlo. On sadrži energije, koju biljke pretvaraju u energiju kemijskih veza u molekuli glukoze. U procesu fotosinteze uključen je poseban pigment klorofil, koji se nalazi u kloroplastima biljnih stanica. Klorofil je taj koji biljkama daje zelenu boju. Apsorbira cijeli spektar vidljivog zračenja osim zelene boje koju reflektira. Predmete vidimo u boji koja se od njih odražava.

Tako, fotosinteza je proces nastajanja organskih tvari iz anorganskih u svrhu pohranjivanja svjetlosne energije u kemijskim vezama, koji se odvija uz pomoć posebnog pigmenta (kod biljaka je to klorofil).

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

Cijeli složeni postupni proces fotosinteze odvija se neprekidno u kloroplastima dok zeleno lišće prima sunčevu energiju. Glukoza se gotovo odmah pretvara u druge ugljikohidrate, poput škroba. Ove organske tvari teku kroz sitaste cijevi lišća iz lišća u sve dijelove biljke: u pupoljke, generativne organe. Iz glukoze i minerala u biljnim stanicama, procesom brojnih transformacija, nastaju druge organske tvari, uključujući bjelančevine i masti. Sve te organske tvari idu na rast i razvoj biljke – odnosno na izgradnju njenog tijela, a također se talože u skladišnim tkivima i koriste pri disanju.

Fotosinteza je sinteza organskih spojeva u lišću zelenih biljaka iz vode i atmosferskog ugljičnog dioksida korištenjem sunčeve (svjetlosne) energije adsorbirane klorofilom u kloroplastima.

Zahvaljujući fotosintezi, vidljiva svjetlosna energija se hvata i pretvara u kemijsku energiju, koja se pohranjuje (pohranjuje) u organske tvari nastale tijekom fotosinteze.

Datum otkrića procesa fotosinteze može se smatrati 1771. Engleski znanstvenik J. Priestley skrenuo je pozornost na promjene u sastavu zraka zbog vitalne aktivnosti životinja. Uz prisutnost zelenih biljaka, zrak je ponovno postao pogodan i za disanje i za gorenje. Naknadno je rad niza znanstvenika (Y. Ingenhaus, J. Senebier, T. Saussure, J.B. Boussingault) utvrdio da zelene biljke apsorbiraju CO 2 iz zraka, iz kojeg nastaje organska tvar uz sudjelovanje vode na svjetlu. . Upravo je taj proces 1877. godine njemački znanstvenik W. Pfeffer nazvao fotosintezom. Za otkrivanje suštine fotosinteze od velike je važnosti bio zakon održanja energije koji je formulirao R. Mayer. R. Mayer je 1845. predložio da je energija koju biljke koriste energija Sunca, koju biljke procesom fotosinteze pretvaraju u kemijsku energiju. Ovo je stajalište razvijeno i eksperimentalno potvrđeno u istraživanju izvanrednog ruskog znanstvenika K.A. Timirjazev.

Glavna uloga fotosintetskih organizama:

1) transformacija energije sunčeve svjetlosti u energiju kemijskih veza organskih spojeva;

2) zasićenje atmosfere kisikom;

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

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

Samo 1-2% sunčeve energije prelazi u žetvu poljoprivrednih biljaka, a gubici nastaju zbog nepotpune apsorpcije svjetlosti. Stoga postoji ogromna perspektiva povećanja produktivnosti odabirom sorti s visokom učinkovitošću fotosinteze i stvaranjem strukture usjeva pogodne za apsorpciju svjetlosti. U tom smislu razvoj teorijskih temelja za kontrolu fotosinteze postaje posebno aktualan.

Važnost fotosinteze je ogromna. Napomenimo samo da opskrbljuje gorivo (energiju) i atmosferski kisik neophodan za postojanje svih živih bića. Stoga je uloga fotosinteze planetarna.

Planetarnost fotosinteze određena je i činjenicom da se zahvaljujući kruženju kisika i ugljika (uglavnom) održava trenutni sastav atmosfere, što opet određuje daljnje održanje života na Zemlji. Nadalje možemo reći da je energija koja je pohranjena u produktima fotosinteze u biti glavni izvor energije koji čovječanstvo sada ima.

Ukupna reakcija fotosinteze

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

Kemija fotosinteze opisana je sljedećim jednadžbama:

Fotosinteza – 2 skupine reakcija:

svjetlosna pozornica (ovisi o osvjetljenje)

tamna pozornica (ovisi o temperaturi).

Obje skupine reakcija odvijaju se istovremeno

Fotosinteza se odvija u kloroplastima zelenih biljaka.

Fotosinteza počinje hvatanjem i apsorpcijom svjetlosti pomoću pigmenta klorofila, koji se nalazi u kloroplastima zelenih biljnih stanica.

Ispostavilo se da je to dovoljno za pomak apsorpcijskog spektra molekule.

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

Zato klorofil i biljke izgledaju zeleno – jednostavno ne mogu iskoristiti zelene zrake i ostaviti ih da lutaju svijetom (čineći ga zelenijim).

Fotosintetski pigmenti nalaze se na unutarnjoj strani tilakoidne membrane.

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

Fotosustav se sastoji od:

reakcijski centar fotosustavi (molekula klorofila A),

molekule antene

Svi pigmenti u fotosustavu sposobni su međusobno prenositi energiju pobuđenog stanja. Energija fotona koju apsorbira jedna ili druga molekula pigmenta prenosi se na susjednu molekulu dok ne dođe do reakcijskog centra. Kada rezonantni sustav reakcijskog centra prijeđe u pobuđeno stanje, on prenosi dva pobuđena elektrona na akceptorsku molekulu i time se oksidira i dobiva pozitivan naboj.

U biljkama:

fotosustav 1(maksimalna apsorpcija svjetlosti na valnoj duljini od 700 nm - P700)

fotosustav 2(maksimalna apsorpcija svjetlosti na valnoj duljini od 680 nm - P680

Razlike u optimumima apsorpcije posljedica su malih razlika u strukturi pigmenta.

Dva sustava rade u tandemu, poput dvodijelne pokretne trake tzv neciklička fotofosforilacija .

Sumarna jednadžba za neciklička fotofosforilacija:

F - simbol ostatka fosforne kiseline

Ciklus počinje fotosustavom 2.

1) molekule antene hvataju foton i prenose pobudu na molekulu aktivnog centra P680;

2) pobuđena molekula P680 predaje dva elektrona kofaktoru Q, dok se on oksidira i dobiva pozitivan naboj;

Kofaktor(kofaktor). Koenzim ili bilo koja druga tvar potrebna enzimu za obavljanje njegove funkcije

Koenzimi (koenzimi)[od lat. co (cum) - zajedno i enzimi], organski spojevi neproteinske prirode koji sudjeluju u enzimskoj reakciji kao akceptori pojedinih atoma ili atomskih skupina koje je enzim odcijepio od molekule supstrata, tj. za provođenje katalitičkog djelovanja enzima. Ove tvari, za razliku od proteinske komponente enzima (apoenzima), imaju relativno malu molekulsku masu i, u pravilu, termostabilne. Ponekad koenzimi znače sve niskomolekularne tvari, čije je sudjelovanje neophodno za katalitičko djelovanje enzima, uključujući ione, na primjer. K+, Mg 2+ i Mn 2+. Enzimi se nalaze. u aktivnom središtu enzima i zajedno sa supstratom i funkcionalnim skupinama aktivnog središta čine aktivirani kompleks.

Većina enzima zahtijeva prisutnost koenzima da bi pokazali katalitičku aktivnost. Iznimka su hidrolitički enzimi (na primjer, proteaze, lipaze, ribonukleaze), koji obavljaju svoju funkciju u nedostatku koenzima.

Molekula se reducira za P680 (pod djelovanjem enzima). U tom slučaju voda disocira na protone i molekularni kisik, oni. voda je donor elektrona, što osigurava nadoknadu elektrona u P 680.

FOTOLIZA VODA- cijepanje molekule vode, posebno tijekom fotosinteze. Zbog fotolize vode nastaje kisik kojeg zelene biljke oslobađaju na svjetlost.

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

Proces fotosinteze uključuje:

1) kloroplasti,

3) ugljični dioksid,

5) temperatura.

Kod viših biljaka fotosinteza se odvija u kloroplastima - plastidima ovalnog oblika (poluautonomnim organelima) koji sadrže pigment klorofil, zahvaljujući zelenoj boji kojeg dijelovi biljke također imaju zelenu boju.

U algama se klorofil nalazi u kromatoforima (stanice koje sadrže pigment i koje reflektiraju svjetlost). Smeđe i crvene alge, koje žive na velikim 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.

Tijekom fotosinteze kisik se oslobađa u atmosferu. U višim slojevima atmosfere iz njega nastaje ozon. Ozonski štit štiti Zemljinu površinu od jakog ultraljubičastog zračenja, zahvaljujući kojem je život mogao izroniti iz mora na kopno.

Kisik je neophodan za disanje biljaka i životinja. Kada se glukoza oksidira uz sudjelovanje kisika, mitohondriji pohranjuju gotovo 20 puta više energije nego bez nje. To čini korištenje hrane puno učinkovitijim, što je dovelo do visokih stopa metabolizma kod ptica i sisavaca.

Detaljniji opis procesa fotosinteze u biljaka

Napredak fotosinteze:

Proces fotosinteze započinje svjetlosnim udarom kloroplasta - unutarstaničnih poluautonomnih organela koji sadrže zeleni pigment. Kada su izloženi svjetlu, kloroplasti počinju trošiti vodu iz tla, cijepajući je na vodik i kisik.

Dio kisika otpušta se u atmosferu, a drugi dio odlazi na oksidativne procese u biljci.

Šećer se spaja s dušikom, sumporom i fosforom koji dolaze iz tla, na taj način zelene biljke proizvode škrob, masti, bjelančevine, vitamine i druge složene spojeve potrebne za njihov život.

Fotosinteza se najbolje odvija pod utjecajem sunčeve svjetlosti, ali neke biljke mogu biti zadovoljne umjetnom rasvjetom.

Kompleksan opis mehanizama fotosinteze za naprednog čitatelja

Sve do 60-ih godina 20. stoljeća znanstvenici su poznavali samo jedan mehanizam fiksacije ugljičnog dioksida - putem C3-pentozofosfatnog puta. Međutim, nedavno je skupina australskih znanstvenika uspjela dokazati da se u nekim biljkama redukcija ugljičnog dioksida odvija kroz ciklus C4-dikarboksilne kiseline.

U biljkama s C3 reakcijom, fotosinteza se najaktivnije odvija u uvjetima umjerene temperature i svjetlosti, uglavnom u šumama i tamnim mjestima. Takve biljke uključuju gotovo sve kultivirane biljke i većinu povrća. Oni čine osnovu ljudske prehrane.

U biljkama s C4 reakcijom, fotosinteza se najaktivnije odvija u uvjetima visoke temperature i svjetlosti. Takve biljke uključuju, primjerice, kukuruz, sirak i šećernu trsku, koje rastu u toplim i tropskim klimatskim uvjetima.

Sam biljni metabolizam otkriven je nedavno, kada je otkriveno da se u nekim biljkama koje imaju posebna tkiva za skladištenje vode, ugljični dioksid nakuplja u obliku organskih kiselina i fiksira u ugljikohidrate tek nakon jednog dana. Ovaj mehanizam pomaže biljkama uštedjeti vodu.

Kako se odvija proces fotosinteze?

Biljka apsorbira svjetlost pomoću zelene tvari koja se zove klorofil. Klorofil se nalazi u kloroplastima koji se nalaze u stabljikama ili plodovima. Osobito ih je mnogo u lišću, jer zbog svoje vrlo ravne strukture list može privući puno svjetla, a time i primiti puno više energije za proces fotosinteze.

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

Ove organske tvari same biljke koriste za ishranu svojih različitih dijelova, kao i za održavanje normalnih životnih funkcija. Osim toga, te tvari dobivaju i životinje jedući biljke. Ljudi te tvari dobivaju i hranom životinjskog i biljnog podrijetla.

Uvjeti za fotosintezu

Fotosinteza se može odvijati pod utjecajem umjetne svjetlosti i sunčeve svjetlosti. U pravilu, biljke intenzivno "rade" u prirodi u proljeće i ljeto, kada ima puno potrebne sunčeve svjetlosti. U jesen je manje svjetla, dani su kraći, lišće prvo požuti, a potom otpada. Ali čim se pojavi toplo proljetno sunce, ponovno se pojavljuje zeleno lišće i zelene "tvornice" ponovno će nastaviti s radom kako bi osigurale kisik tako neophodan za život, kao i mnoge druge hranjive tvari.

Alternativna definicija fotosinteze

Fotosinteza (od starogrčkog foto-svjetlost i synthesis - spajanje, savijanje, vezanje, sinteza) je proces pretvaranja svjetlosne energije u energiju kemijskih veza organskih tvari na svjetlu pomoću fotoautotrofa uz sudjelovanje fotosintetskih pigmenata (klorofil u biljkama). , bakterioklorofil i bakteriorodopsin u bakterijama ). U suvremenoj fiziologiji biljaka fotosinteza se češće shvaća kao fotoautotrofna funkcija - skup procesa apsorpcije, transformacije i korištenja energije kvanti svjetlosti u različitim endergonskim reakcijama, uključujući pretvorbu ugljičnog dioksida u organske tvari.

Faze fotosinteze

Fotosinteza je prilično složen proces i uključuje dvije faze: svijetlu, koja se uvijek odvija isključivo na svjetlu, i tamnu. Svi se procesi odvijaju unutar kloroplasta na posebnim malim organima - tilakodiji. Tijekom svjetlosne faze, kvant svjetlosti apsorbira klorofil, što rezultira stvaranjem ATP i NADPH molekula. Voda se zatim razgrađuje, stvarajući ione vodika i oslobađajući molekulu kisika. Postavlja se pitanje koje su to neshvatljive misteriozne tvari: ATP i NADH?

ATP je posebna organska molekula koja se nalazi u svim živim organizmima i često se naziva "energetska" valuta. Upravo te molekule sadrže visokoenergetske veze i izvor su energije u svim organskim sintezama i kemijskim procesima u tijelu. Pa, NADPH je zapravo izvor vodika, koristi se izravno u sintezi visokomolekularnih organskih tvari - ugljikohidrata, što se događa u drugoj, tamnoj fazi fotosinteze pomoću ugljičnog dioksida.

Svjetlosna faza fotosinteze

Kloroplasti sadrže puno molekula klorofila i svi apsorbiraju sunčevu svjetlost. U isto vrijeme, svjetlost apsorbiraju drugi pigmenti, ali oni ne mogu izvršiti fotosintezu. Sam proces događa se samo u nekim molekulama klorofila, kojih je vrlo malo. Druge molekule klorofila, karotenoida i drugih tvari tvore posebne antene i komplekse za prikupljanje svjetlosti (LHC). Oni, poput antena, apsorbiraju kvante svjetlosti i prenose uzbuđenje u posebne reakcijske centre ili zamke. Ti centri nalaze se u fotosustavima, od kojih biljke imaju dva: fotosustav II i fotosustav I. Oni sadrže posebne molekule klorofila: u fotosustavu II - P680, au fotosustavu I - P700. Oni apsorbiraju svjetlost upravo te valne duljine (680 i 700 nm).

Na dijagramu je jasnije kako sve izgleda i događa se tijekom svjetlosne faze fotosinteze.

Na slici vidimo dva fotosustava s klorofilima P680 i P700. Slika također prikazuje prijenosnike kroz koje se odvija transport elektrona.

Dakle: obje molekule klorofila dvaju fotosustava apsorbiraju kvant svjetlosti i postaju pobuđene. Elektron e- (crveno na slici) prelazi na višu energetsku razinu.

Pobuđeni elektroni imaju vrlo veliku energiju, odvajaju se i ulaze u poseban lanac prijenosnika koji se nalazi u membranama tilakoida - unutarnjih struktura kloroplasta. Slika pokazuje da iz fotosustava II iz klorofila P680 elektron odlazi u plastokinon, a iz fotosustava I iz klorofila P700 u feredoksin. U samim molekulama klorofila, na mjestu elektrona nakon njihovog uklanjanja, nastaju plave rupe s pozitivnim nabojem. Što uraditi?

Kako bi nadoknadila nedostatak elektrona, molekula klorofila P680 fotosustava II prihvaća elektrone iz vode, te nastaju ioni vodika. Osim toga, zbog razgradnje vode dolazi do ispuštanja kisika u atmosferu. A molekula klorofila P700, kao što je vidljivo sa slike, nadoknađuje nedostatak elektrona sustavom nositelja iz fotosustava II.

Općenito, koliko god teško bilo, upravo tako se odvija svjetlosna faza fotosinteze, čija je suština prijenos elektrona. Sa slike također možete vidjeti da se paralelno s transportom elektrona kroz membranu kreću vodikovi ioni H+ koji se nakupljaju unutar tilakoida. Budući da ih tamo ima puno, kreću se prema van uz pomoć posebnog konjugirajućeg faktora koji je na slici desno narančaste boje i izgleda kao gljiva.

Na kraju, vidimo završni korak transporta elektrona, koji rezultira stvaranjem gore spomenutog spoja NADH. A zbog prijenosa H+ iona sintetizira se energetska valuta - ATP (vidi se desno na slici).

Dakle, svjetlosna faza fotosinteze je završena, kisik se oslobađa u atmosferu, nastaju ATP i NADH. Što je sljedeće? Gdje je obećana organska tvar? A onda dolazi mračna faza, koja se sastoji uglavnom od kemijskih procesa.

Tamna faza fotosinteze

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

Tijekom svjetlosne faze kod većine biljaka CO2 se veže na organski spoj s pet ugljika (koji je lanac od pet molekula ugljika), što rezultira stvaranjem dviju molekula spoja s tri ugljika (3-fosfoglicerinska kiselina). Jer Primarni rezultat su upravo ti spojevi s tri ugljika, biljke s ovom vrstom fotosinteze nazivamo C3 biljkama.

Daljnja sinteza u kloroplastima odvija se prilično složeno. U konačnici tvori spoj sa šest ugljika, iz kojeg se kasnije mogu sintetizirati glukoza, saharoza ili škrob. U obliku ovih organskih tvari biljka akumulira energiju. U tom slučaju samo mali dio njih ostaje u listu koji se koristi za svoje potrebe, dok ostatak ugljikohidrata putuje cijelom biljkom, stižući tamo gdje je energija najpotrebnija – primjerice, na točke rasta.

1. Je li fotosinteza proces plastičnog ili energetskog metabolizma? Zašto?

Fotosinteza se odnosi na procese plastičnog metabolizma jer u pratnji:

● sintezom složenih organskih spojeva iz jednostavnijih tvari, i to: glukoza (C 6 H 12 O 6) sintetizira se iz anorganskih tvari (H 2 O i CO 2);

● apsorpcija svjetlosne energije.

2. U kojim organelama biljne stanice se odvija fotosinteza? Što je fotosustav? Koju funkciju obavljaju fotosustavi?

Fotosinteza se odvija u zelenim plastidima - kloroplastima.

Fotosustavi su posebni pigmentno-proteinski kompleksi smješteni u membranama tilakoida kloroplasta. Postoje dvije vrste fotosustava – fotosustav I i fotosustav II. Svaki od njih uključuje antenu za prikupljanje svjetlosti koju čine molekule pigmenta, reakcijski centar i prijenosnici elektrona.

Antena za sakupljanje svjetla funkcionira poput lijevka: molekule pigmenta apsorbiraju svjetlost i prenose svu prikupljenu energiju u reakcijski centar, gdje se nalazi molekula zamke koju predstavlja klorofil a. Nakon što je apsorbirala energiju, molekula zamke prelazi u pobuđeno stanje i daje jedan od svojih elektrona posebnom nosaču, tj. oksidira. Dakle, fotosustavi obavljaju funkciju upijanja svjetlosti i pretvaranja svjetlosne energije u kemijsku.

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

Fotosinteza je jedini proces na planetu tijekom 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 - ugljikov dioksid i voda.

Organski spojevi nastali tijekom fotosinteze prenose se u sklopu hrane od fototrofnih organizama do biljojeda, zatim do mesojeda, kao izvor energije i gradivni materijal za sintezu drugih tvari, za stvaranje novih stanica i struktura. Posljedično, zahvaljujući aktivnosti fototrofa, zadovoljene su prehrambene potrebe heterotrofnih organizama.

Osim toga, fotosinteza je izvor molekularnog kisika potrebnog za disanje većine živih organizama. Ozonski omotač nastaje i održava se od kisika, štiteći žive organizme na planetu od štetnog djelovanja kratkovalnog 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) procesi koji su u tijeku; 4) finalni proizvodi.

Koji produkti svijetle faze fotosinteze se koriste u tamnoj fazi?

Svjetlosna faza fotosinteze.

1) Mjesto curenja: tilakoidne membrane.

2) Polazne tvari: H 2 O, oksidirani NADP (NADP +), ADP, H 3 PO 4. Za nastanak svjetlosne faze neophodni su i fotosintetski pigmenti (klorofili i dr.), ali se ne mogu nazvati početnim tvarima svjetlosne faze.

3) Procesi koji se odvijaju: apsorpcija svjetlosti od strane fotosustava, fotoliza vode, transport elektrona prema vanjskoj strani tilakoida i nakupljanje protona unutar tilakoida (tj. pojava elektrokemijskog potencijala na membrani tilakoida), sinteza ATP-a, redukcija od NADP +.

4) Krajnji produkti: ATP, reducirani NADP (NADP H+H +), nusproizvod - molekularni kisik (O 2).

Tamna faza fotosinteze.

1) Mjesto istjecanja: stroma kloroplasta.

2) Početne tvari: CO 2, ATP, reducirani NADP (NADP H+H +).

3) Tekući procesi: sinteza glukoze (redukcija CO 2 u organske tvari), tijekom koje dolazi do hidrolize ATP-a i oksidacije NADP H+H +.

4) Krajnji produkti: glukoza (C 6 H 12 O 6), oksidirani 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 vodikovih atoma za sintezu glukoze) i ATP (služi kao izvor energije za sintezu glukoze).

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

Sličnosti:

● Složeni višefazni procesi koji se odvijaju uz sudjelovanje enzima.

● Fotosinteza i završni (kisik) stadij aerobnog disanja odvijaju se u organelama s dvostrukom membranom (kloroplastima i mitohondrijima).

● Redoks procesi, koji su popraćeni prijenosom elektrona duž transportnih lanaca elektrona unutarnjih membrana odgovarajućih organela, pojavom razlike potencijala na tim membranama, radom ATP sintetaze i sintezom ATP.

Razlike:

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

● Fotosinteza se odvija samo u stanicama fototrofnih organizama, a aerobno disanje događa se u stanicama većine živih organizama (uključujući fototrofe).

● Razni početni materijali i finalni proizvodi. Razmotrimo li sumarne jednadžbe fotosinteze i aerobne respiracije, vidimo da su proizvodi fotosinteze zapravo polazni materijali za aerobnu respiraciju i obrnuto.

● NAD i FAD služe kao prijenosnici atoma vodika u procesu disanja, a NADP u fotosintezi.

I (ili) druge značajne značajke.

6. Čovjek dnevno potroši približno 430 g kisika. Stablo prosječne veličine apsorbira oko 30 kg ugljičnog dioksida godišnje. Koliko je stabala potrebno da bi se jedna osoba opskrbila kisikom?

● U godini dana čovjek potroši: 430 g × 365 = 156 950 g kisika.

● Izračunajmo kemijsku količinu ugljičnog dioksida koju godišnje apsorbira jedno stablo:

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

● Sažeta jednadžba fotosinteze:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

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

● Nađimo masu kisika koju stablo godišnje oslobodi:

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

● Odredimo koliko je stabala potrebno da jedna osoba opskrbi kisikom. Broj stabala = 156 950 g: 21 817,6 ≈ 7,2 stabla.

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

7. Istraživači su podijelili biljke pšenice u dvije skupine i uzgajali ih u laboratoriju pod istim uvjetima, osim što su biljke prve skupine bile osvijetljene crvenim svjetlom, a biljke druge skupine osvijetljene zelenim svjetlom. U kojoj se skupini biljaka fotosinteza odvijala intenzivnije? s čime je ovo povezano?

Fotosinteza se odvijala intenzivnije u biljkama osvijetljenim crvenom svjetlošću. 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 se eksperimentom može dokazati da kisik koji se oslobađa tijekom fotosinteze nastaje upravo iz molekula vode, a ne iz molekula ugljičnog dioksida ili bilo koje druge tvari?

Ako se za provođenje fotosinteze koristi voda obilježena radioaktivnim kisikom (molekule sadrže kisikov radionuklid umjesto stabilnog nuklida 16 O), tada se radioaktivna oznaka može otkriti 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 molekulama apsorbiranog ugljičnog dioksida naći će se u sintetiziranim organskim tvarima, ali ne i u sastavu O 2.

*Zadaci označeni zvjezdicom zahtijevaju od učenika iznošenje različitih hipoteza. Stoga se učitelj prilikom ocjenjivanja ne treba usredotočiti samo na ovdje dani odgovor, već uzeti u obzir svaku hipotezu, procjenjujući biološko razmišljanje učenika, logiku njihova razmišljanja, originalnost ideja itd. Nakon toga, preporučljivo je upoznati učenike s danim odgovorom.