Megtörténik a fotoszintézis. A fotoszintézis folyamata a növényi levelekben. A növényi sejtrészek funkciói

Fotoszintézis a szerves anyagok szervetlen anyagokból történő szintézisének folyamata fényenergia felhasználásával. Az esetek túlnyomó többségében a fotoszintézist a növények végzik sejtszervecskék segítségével, mint pl kloroplasztiszok zöld pigmentet tartalmaz klorofill.

Ha a növények nem lennének képesek szerves anyagok szintetizálására, akkor szinte minden más élőlénynek a Földön nem lenne mit ennie, mivel az állatok, gombák és sok baktérium nem tud szerves anyagokat szintetizálni a szervetlenekből. Csak a készeket szívják fel, egyszerűbbekre bontják, amelyekből ismét összeállítanak komplexeket, de már a testükre jellemzőket.

Ez a helyzet, ha nagyon röviden beszélünk a fotoszintézisről és annak szerepéről. A fotoszintézis megértéséhez többet kell mondanunk: milyen konkrét szervetlen anyagokat használnak, hogyan megy végbe a szintézis?

A fotoszintézishez két szervetlen anyag szükséges - szén-dioxid (CO 2) és víz (H 2 O). Az elsőt a növényi föld feletti részek szívják fel a levegőből, főként sztómákon keresztül. A víz a talajból származik, ahonnan a növény vezetőrendszere a fotoszintetikus sejtekhez juttatja. A fotoszintézishez szintén szükség van a fotonok energiájára (hν), de ezek nem tulajdoníthatók az anyagnak.

Összességében a fotoszintézis szerves anyagot és oxigént (O2) termel. Jellemzően a szerves anyag leggyakrabban glükózt (C 6 H 12 O 6) jelent.

A szerves vegyületek többnyire szén-, hidrogén- és oxigénatomokból állnak. Szén-dioxidban és vízben találhatók. A fotoszintézis során azonban oxigén szabadul fel. Atomjai a vízből származnak.

Röviden és általánosságban a fotoszintézis reakciójának egyenletét általában a következőképpen írják le:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

De ez az egyenlet nem tükrözi a fotoszintézis lényegét, és nem teszi érthetővé. Nézd, bár az egyenlet kiegyensúlyozott, benne a szabad oxigénben lévő atomok teljes száma 12. De azt mondtuk, hogy vízből származnak, és csak 6 van belőlük.

Valójában a fotoszintézis két fázisban megy végbe. Az elsőt úgy hívják fény, második - sötét. Az ilyen elnevezések abból adódnak, hogy a fény csak a világos fázishoz szükséges, a sötét fázis független a jelenlététől, de ez nem jelenti azt, hogy sötétben fordul elő. A világos fázis a kloroplaszt tilakoidjainak membránján, a sötét fázis pedig a kloroplasztisz strómájában fordul elő.

A világos fázis alatt CO 2 megkötés nem következik be. Mindössze annyi történik, hogy a napenergiát klorofill komplexek rögzítik, ATP-ben tárolják, és energiát használnak fel a NADP NADP*H 2 -re való redukálására. A fénnyel gerjesztett klorofillból származó energiaáramlást a tilakoid membránokba épített enzimek elektronszállító lánca mentén továbbított elektronok biztosítják.

A NADP hidrogéne vízből származik, amely a napfény hatására oxigénatomokra, hidrogén protonokra és elektronokra bomlik. Ezt a folyamatot ún fotolízis. A vízből származó oxigén nem szükséges a fotoszintézishez. Két vízmolekulából származó oxigénatomok egyesülve molekuláris oxigént képeznek. A fotoszintézis könnyű fázisának reakcióegyenlete röviden így néz ki:

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

Így az oxigén felszabadulása a fotoszintézis fényfázisában történik. Az ADP-ből és foszforsavból szintetizált ATP-molekulák száma egy vízmolekula fotolízisére különböző lehet: egy vagy kettő.

Tehát az ATP és a NADP*H2 a világos fázisból a sötét fázisba kerül. Itt az első energiáját és a második redukáló erejét a szén-dioxid megkötésére fordítják. A fotoszintézis ezen szakasza nem magyarázható egyszerűen és tömören, mert nem úgy megy végbe, hogy hat CO 2 molekula a NADP*H 2 molekulákból felszabaduló hidrogénnel egyesülve glükózt képez:

6CO 2 + 6NADP*H 2 → C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(a reakció az ATP energiafelhasználásával megy végbe, amely ADP-re és foszforsavra bomlik).

Az adott reakció csak leegyszerűsítés, hogy könnyebben érthető legyen. Valójában a szén-dioxid molekulák egyenként kötődnek, csatlakozva a már elkészített öt szénatomos szerves anyaghoz. Instabil hat szénatomos szerves anyag képződik, amely három szénatomos szénhidrát molekulákra bomlik. E molekulák némelyikét az eredeti öt szénatomos anyag újraszintetizálására használják a CO 2 megkötésére. Ez az újraszintézis biztosított Calvin ciklus. A három szénatomot tartalmazó szénhidrátmolekulák kisebb része kilép a ciklusból. Az összes többi szerves anyag (szénhidrát, zsír, fehérje) belőlük és más anyagokból szintetizálódik.

Azaz valójában a három szénatomos cukrok, nem a glükóz jönnek ki a fotoszintézis sötét fázisából.

A növényeknek, mint minden élő szervezetnek, különféle anyagokra van szükségük az élethez, növekedéshez és fejlődéshez. A növényen kívüli környezetből származnak. A növényi sejtekben különféle kémiai folyamatok mennek végbe, amelyek eredményeként a beérkező anyagokból más, a növényre jellemző anyagok képződnek.

A talajból a növény a gyökerei segítségével vizet szív fel a benne oldott szervetlen (ásványi) anyagokkal. A növények zöld részeiben, főleg a levelekben pedig szerves anyagok képződnek. Az a folyamat, amikor a növények szervetlen anyagokból szerves anyagokat képeznek, ún fotoszintézis.

A fotoszintézis egy nagyon összetett, többlépcsős folyamat, amely két fő szakaszból áll:

• 1. szakasz(világos fázis) Előfeltétel a napenergia részvétele! A folyamat a fénnyel kezdődik. Aktiválja a klorofillt (a kloroplasztiszokban található anyag). Az aktivált klorofill pedig hidrogénre és oxigénre bontja a vízmolekulát. Oxigén kerül a levegőbe.
• 2. szakasz(sötét fázis) A fotoszintézis ezen szakaszát sötétnek nevezik, mivel itt minden folyamat a fény részvétele nélkül megy végbe. Ebben a szakaszban számos kémiai reakció során szén-dioxiddal és a fotoszintézis első szakaszában nyert aktív komponensekkel szerves anyag (szénhidrát) képződik - cukor (glükóz).

Milyen szervetlen anyagok szükségesek a fotoszintézishez? Ezek a szén-dioxid és a víz. A szén-dioxid a levegőben található. Kb. 0,03%-a van ott. Szinte minden élő szervezet légzési folyamata során szén-dioxid kerül a levegőbe. Ezért annak ellenére, hogy kevés van belőle a levegőben, és a növények folyamatosan szívják fel onnan, a szén-dioxid mennyisége folyamatosan pótolódik. Emellett többek között az ipar és az autók is szén-dioxidot bocsátanak ki a levegőbe. A fotoszintézishez szükséges víz a talajból származik a gyökerek szívózónáján keresztül.

Milyen szerves anyagok keletkeznek a fotoszintézis során? Ez a glükóz. A glükóz egy szénhidrát. Édes, és a cukormolekula része. Mint tudjuk, a szerves anyagoknak három fő csoportja van: fehérjék, zsírok és szénhidrátok. Valóban nincs szükségük fehérjékre és zsírokra a növényeknek? Szükséges. Ezek azonban nem a fotoszintézis folyamatában, hanem később, különböző növényi sejtekben és szervekben lezajló biokémiai reakciók eredményeként jönnek létre. Beleértve a gyökereket. Ezek a reakciók glükózt és más kémiai vegyületeket foglalnak magukban. A felesleges glükózt a növényekben keményítővé alakítják, és speciális szervekben (például gumókban) tárolják.

Milyen szervetlen anyagok keletkeznek a fotoszintézis során? Ez oxigén. A levegőbe kerül. Az oxigént az élő szervezetek a légzési folyamat során használják fel.

Hogyan zajlik le a fotoszintézis folyamata? A fotoszintézis folyamatához napfény szükséges. fény. Ő tartalmaz energia, amelyet a növények a glükózmolekulában lévő kémiai kötések energiájává alakítanak át. A fotoszintézis folyamatában egy speciális pigment vesz részt klorofill, amely a növényi sejtek kloroplasztiszában található. A klorofill adja a növények zöld színét. A látható sugárzás teljes spektrumát elnyeli, kivéve a zöldet, amelyet visszaver. A tárgyakat olyan színben látjuk, amilyen színben tükröződnek.

És így, A fotoszintézis az a folyamat, amelyben szerves anyagok képződnek szervetlen anyagokból a fényenergia tárolása céljából kémiai kötésekben, amely speciális pigment (növényekben klorofill) segítségével történik..

Mivel a napfény nagyon fontos a növények számára, igyekeznek minél többet elkapni belőle. Erre a célra az evolúció folyamatában speciális adaptációk alakultak ki. A növények levelei általában laposak és szélesek. Bőrük vékony és átlátszó. Általában a növény levelei úgy vannak elrendezve, hogy ne árnyékolják egymást.

A fotoszintézis teljes összetett, lépésről lépésre zajló folyamata megszakítás nélkül megy végbe a kloroplasztiszokban, miközben a zöld levelek napenergiát kapnak. A glükóz szinte azonnal átalakul más szénhidráttá, például keményítővé. Ezek a szerves anyagok a háncs szitacsövein keresztül a levelekről a növény minden részébe áramlanak: a rügyekbe, a generatív szervekbe. A növényi sejtekben található glükózból és ásványi anyagokból számos átalakulási folyamat során más szerves anyagok képződnek, beleértve a fehérjéket és a zsírokat. Mindezek a szerves anyagok a növény növekedéséhez és fejlődéséhez, vagyis a test felépítéséhez járulnak hozzá, és a tárolószövetekben is lerakódnak és a légzés során felhasználódnak.

Fotoszintézis a zöld növények leveleiben lévő szerves vegyületek szintézise vízből és légköri szén-dioxidból a klorofill által adszorbeált napenergia (fény) felhasználásával.

A fotoszintézisnek köszönhetően a látható fényenergiát felfogják és kémiai energiává alakítják, amely a fotoszintézis során keletkező szerves anyagokban raktározódik (raktározódik).

A fotoszintézis folyamatának felfedezésének dátuma 1771. Az angol tudós, J. Priestley felhívta a figyelmet a levegő összetételének az állatok létfontosságú tevékenysége miatti változásaira. Zöld növények jelenlétében a levegő ismét alkalmassá vált mind légzésre, mind égésre. Ezt követően számos tudós (Y. Ingenhaus, J. Senebier, T. Saussure, J. B. Boussingault) munkája megállapította, hogy a zöld növények CO 2-t szívnak fel a levegőből, amelyből a fényben lévő víz részvételével szerves anyagok képződnek. . Ezt a folyamatot nevezte el 1877-ben W. Pfeffer német tudós fotoszintézisnek. Az R. Mayer által megfogalmazott energiamegmaradás törvényének nagy jelentősége volt a fotoszintézis lényegének feltárásában. 1845-ben R. Mayer azt javasolta, hogy a növények által felhasznált energia a Nap energiája, amelyet a növények a fotoszintézis során kémiai energiává alakítanak át. Ezt az álláspontot a figyelemre méltó orosz tudós, K.A. kutatásai dolgozták ki és kísérletileg megerősítették. Timirjazev.

A fotoszintetikus szervezetek fő szerepe:

1) a napfény energiájának átalakítása szerves vegyületek kémiai kötéseinek energiájává;

2) a légkör oxigénnel való telítése;

A fotoszintézis eredményeként a Földön 150 milliárd tonna szerves anyag képződik és évente mintegy 200 milliárd tonna szabad oxigén szabadul fel. Megakadályozza a CO2 koncentrációjának növekedését a légkörben, megakadályozza a Föld túlmelegedését (üvegházhatás).

A fotoszintézis által létrehozott légkör megvédi az élőlényeket a káros rövidhullámú UV-sugárzástól (a légkör oxigén-ózon pajzsa).

A napenergia mindössze 1-2%-a kerül át a mezőgazdasági növények betakarításába, a veszteségek a hiányos fényelnyelésből adódnak. Ezért a nagy fotoszintézis hatékonyságú fajták kiválasztásával és a fényelnyelés szempontjából kedvező termésszerkezet kialakításával óriási kilátás nyílik a termőképesség növelésére. Ebben a tekintetben különösen aktuálissá válik a fotoszintézis szabályozásának elméleti alapjainak kidolgozása.

A fotoszintézis jelentősége óriási. Csak annyit jegyezzünk meg, hogy minden élőlény létezéséhez szükséges üzemanyagot (energiát) és légköri oxigént szolgáltat. Ezért a fotoszintézis szerepe planetáris.

A fotoszintézis planetárisságát az is meghatározza, hogy az oxigén és a szén körforgása révén (elsősorban) a légkör jelenlegi összetétele megmarad, ami viszont meghatározza a földi élet további fennmaradását. Azt is mondhatjuk, hogy a fotoszintézis termékeiben tárolt energia lényegében az emberiség fő energiaforrása.

A fotoszintézis teljes reakciója

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

A fotoszintézis kémiáját a következő egyenletek írják le:

Fotoszintézis – 2 reakciócsoport:

könnyű színpad (attól függ megvilágítás)

sötét színpad (hőmérséklettől függ).

Mindkét reakciócsoport egyidejűleg megy végbe

A fotoszintézis a zöld növények kloroplasztiszában megy végbe.

A fotoszintézis a zöld növényi sejtek kloroplasztiszában található klorofill pigment általi megkötésével és elnyelésével kezdődik.

Ez elegendőnek bizonyul a molekula abszorpciós spektrumának eltolásához.

A klorofillmolekula a spektrum ibolya és kék, majd vörös részében nyeli el a fotonokat, és nem lép kölcsönhatásba a spektrum zöld és sárga részének fotonjaival.

Emiatt a klorofill és a növények zöldnek tűnnek – egyszerűen nem tudják kihasználni a zöld sugarakat, és hagyni őket, hogy körbejárják a világot (ezáltal zöldebbé válik).

A fotoszintetikus pigmentek a tilakoid membrán belső oldalán helyezkednek el.

A pigmentek csoportba rendeződnek fotorendszerek(antennamezők a fény rögzítésére) - 250-400 különböző pigment molekulát tartalmaz.

A fotorendszer a következőkből áll:

reakcióközpont fotorendszerek (klorofill molekula A),

antenna molekulák

A fotorendszerben lévő összes pigment gerjesztett állapot energiáját képes átadni egymásnak. Az egyik vagy másik pigmentmolekula által elnyelt fotonenergiát egy szomszédos molekulának adják át, amíg el nem éri a reakcióközpontot. Amikor a reakcióközpont rezonanciarendszere gerjesztett állapotba kerül, két gerjesztett elektront ad át az akceptor molekulának, és ezáltal oxidálódik és pozitív töltést vesz fel.

A növényekben:

fotórendszer 1(maximális fényelnyelés 700 nm hullámhosszon – P700)

fotorendszer 2(maximális fényelnyelés 680 nm hullámhosszon - P680

Az abszorpciós optimumokban mutatkozó különbségek a pigment szerkezetének enyhe eltéréseiből adódnak.

A két rendszer párhuzamosan működik, mint egy kétrészes szállítószalag nem ciklikus fotofoszforiláció .

Összefoglaló egyenlet nem ciklikus fotofoszforiláció:

Ф - a foszforsav-maradék szimbóluma

A ciklus a Photosystem 2-vel kezdődik.

1) az antennamolekulák befogják a fotont és továbbítják a gerjesztést a P680 aktív centrummolekulához;

2) a gerjesztett P680 molekula két elektront adományoz a Q kofaktornak, miközben az oxidálódik és pozitív töltést kap;

Kofaktor(kofaktor). Koenzim vagy bármely más olyan anyag, amely az enzim működéséhez szükséges

Koenzimek (koenzimek)[a lat. co (cum) - együtt és enzimek], az enzimreakcióban az enzim által a szubsztrát molekuláról lehasított egyes atomok vagy atomcsoportok akceptoraiként részt vevő, nem fehérje jellegű szerves vegyületek, pl. az enzimek katalitikus hatásának végrehajtására. Ezek az anyagok, ellentétben az enzim fehérjekomponensével (apoenzim), viszonylag kis molekulatömegűek, és általában hőstabilak. A koenzimek néha olyan kis molekulatömegű anyagokat jelentenek, amelyek részvétele szükséges az enzim katalitikus hatásához, beleértve például az ionokat is. K+, Mg2+ és Mn2+. Az enzimek találhatók. az enzim aktív centrumában, és az aktív centrum szubsztrátjával és funkcionális csoportjaival együtt aktivált komplexet alkotnak.

A legtöbb enzimhez koenzim jelenlétére van szükség a katalitikus aktivitás kifejtéséhez. Kivételt képeznek a hidrolitikus enzimek (például proteázok, lipázok, ribonukleázok), amelyek funkciójukat koenzim hiányában látják el.

A molekulát a P680 redukálja (enzimek hatására). Ilyenkor a víz protonokra disszociál és molekuláris oxigén, azok. a víz elektrondonor, amely biztosítja az elektronok utánpótlását a P 680-ban.

FOTOLÍZIS VÍZ- egy vízmolekula hasadása, különösen a fotoszintézis során. A víz fotolízise következtében oxigén keletkezik, amelyet a zöld növények a fény hatására felszabadítanak.

DEFINÍCIÓ: A fotoszintézis szerves anyagok képződésének folyamata szén-dioxidból és vízből, fényben, oxigén felszabadulásával.

A fotoszintézis folyamata a következőkből áll:

1) kloroplasztiszok,

3) szén-dioxid,

5) hőmérséklet.

A magasabb rendű növényekben a fotoszintézis a kloroplasztiszokban - ovális alakú plasztidokban (félautonóm organellumokban) történik, amelyek a klorofill pigmentet tartalmazzák, amelyek zöld színének köszönhetően a növény egyes részei is zöld színűek.

Az algákban a klorofillt kromatoforok (pigmenttartalmú és fényvisszaverő sejtek) tartalmazzák. A barna és vörös algák, amelyek jelentős mélységben élnek, ahol a napfény nem éri jól, más pigmenteket is tartalmaznak.

Ha megnézzük az összes élőlény táplálkozási piramisát, a fotoszintetikus szervezetek a legalsó helyen vannak, az autotrófok között (olyan szervezetek, amelyek szerves anyagokat szintetizálnak szervetlenekből). Ezért táplálékforrást jelentenek a bolygó minden életének.

A fotoszintézis során oxigén kerül a légkörbe. A légkör felső rétegeiben ózon keletkezik belőle. Az ózonpajzs megvédi a Föld felszínét az erős ultraibolya sugárzástól, lehetővé téve az élet kitörését a tengerből a szárazföldre.

Az oxigén a növények és állatok légzéséhez szükséges. Amikor a glükózt oxigén részvételével oxidálják, a mitokondriumok majdnem 20-szor több energiát tárolnak, mint anélkül. Ez sokkal hatékonyabbá teszi a táplálék felhasználását, ami a madarak és emlősök magas anyagcseréjét eredményezte.

A növények fotoszintézis folyamatának részletesebb leírása

A fotoszintézis előrehaladása:

A fotoszintézis folyamata azzal kezdődik, hogy fény éri a kloroplasztiszokat - intracelluláris, félig autonóm organellumokat, amelyek zöld pigmentet tartalmaznak. Fény hatására a kloroplasztiszok elkezdik felszívni a vizet a talajból, hidrogénre és oxigénre osztva.

Az oxigén egy része a légkörbe kerül, másik része a növényben zajló oxidációs folyamatokba kerül.

A cukor a talajból származó nitrogénnel, kénnel és foszforral kombinálódik, így a zöld növények keményítőt, zsírokat, fehérjéket, vitaminokat és egyéb, életükhöz szükséges komplex vegyületeket termelnek.

A fotoszintézis legjobban napfény hatására megy végbe, de egyes növények megelégedhetnek mesterséges megvilágítással.

A fotoszintézis mechanizmusainak komplex leírása haladó olvasók számára

A 20. század 60-as éveiig a tudósok csak egyetlen mechanizmust ismertek a szén-dioxid megkötésére - a C3-pentóz-foszfát útvonalon keresztül. Nemrég azonban ausztrál tudósok egy csoportja be tudta bizonyítani, hogy egyes növényekben a szén-dioxid redukciója a C4-dikarbonsav cikluson keresztül megy végbe.

A C3-reakcióval rendelkező növényekben a fotoszintézis mérsékelt hőmérsékleti és fényviszonyok mellett megy végbe legaktívabban, főleg erdőkben és sötét helyeken. Ilyen növények közé tartozik szinte az összes termesztett növény és a legtöbb zöldség. Ezek képezik az emberi táplálkozás alapját.

A C4-reakciót mutató növényekben a fotoszintézis legaktívabban magas hőmérséklet és fény mellett megy végbe. Ilyen növények például a kukorica, a cirok és a cukornád, amelyek meleg és trópusi éghajlaton nőnek.

Magát a növényi anyagcserét egészen a közelmúltban fedezték fel, amikor felfedezték, hogy egyes növényekben, amelyeknek speciális szövetei vannak a víz tárolására, a szén-dioxid szerves savak formájában halmozódik fel, és csak egy nap múlva rögzül a szénhidrátokban. Ez a mechanizmus segít a növényeknek megtakarítani a vizet.

Hogyan zajlik le a fotoszintézis folyamata?

A növény egy zöld anyag, az úgynevezett klorofill segítségével nyeli el a fényt. A klorofill a kloroplasztiszokban található, amelyek szárban vagy termésben találhatók. A levelekben különösen sok van belőlük, mert nagyon lapos szerkezetének köszönhetően a levél sok fényt képes magához vonzani, így sokkal több energiát kap a fotoszintézis folyamatához.

Az abszorpció után a klorofill gerjesztett állapotban van, és energiát ad át a növényi test más molekuláinak, különösen a fotoszintézisben közvetlenül részt vevőknek. A fotoszintézis folyamatának második szakasza a fény kötelező részvétele nélkül megy végbe, és kémiai kötés létrehozásából áll a levegőből és vízből nyert szén-dioxid részvételével. Ebben a szakaszban különféle nagyon hasznos anyagok, például keményítő és glükóz szintetizálódnak.

Ezeket a szerves anyagokat maguk a növények használják fel különböző részeinek táplálására, valamint a normál életfunkciók fenntartására. Ráadásul ezeket az anyagokat az állatok is növényevés útján nyerik. Ezeket az anyagokat az emberek állati és növényi eredetű élelmiszerek fogyasztásával is hozzájutatják.

A fotoszintézis feltételei

A fotoszintézis megtörténhet mesterséges fény és napfény hatására is. A növények általában tavasszal és nyáron intenzíven „dolgoznak” a természetben, amikor sok a szükséges napfény. Ősszel kevesebb a fény, lerövidülnek a nappalok, a levelek először sárgulnak, majd lehullanak. Ám amint megjelenik a meleg tavaszi nap, újra megjelenik a zöld lombozat, és a zöld „gyárak” ismét folytatják munkájukat, hogy biztosítsák az élethez oly szükséges oxigént, valamint sok más tápanyagot.

A fotoszintézis alternatív meghatározása

A fotoszintézis (az ógörög fotofény és szintézis szóból - összekapcsolás, hajtogatás, kötés, szintézis) az a folyamat, amelynek során a fényenergiát a fényben lévő szerves anyagok kémiai kötéseinek energiájává alakítják fotoautotrófok segítségével fotoszintetikus pigmentek (növényekben klorofill) részvételével. , bakterioklorofill és bakteriorodopszin a baktériumokban). A modern növényfiziológiában a fotoszintézist gyakrabban fotoautotróf funkcióként értik - a fénykvantumok energiájának abszorpciós, átalakulási és felhasználási folyamatait különféle endergonikus reakciókban, beleértve a szén-dioxid szerves anyagokká történő átalakítását.

A fotoszintézis fázisai

A fotoszintézis meglehetősen összetett folyamat, és két fázisból áll: a világosságból, amely mindig kizárólag a világosságnál jelentkezik, és a sötétből. Minden folyamat a kloroplasztiszokon belül történik speciális kis szerveken - tilakodián. A fényfázis során a klorofill egy kvantum fényt nyel el, ami ATP és NADPH molekulák képződését eredményezi. A víz ezután lebomlik, hidrogénionokat képezve és oxigénmolekulát szabadít fel. Felmerül a kérdés, hogy mik ezek a felfoghatatlan rejtélyes anyagok: ATP és NADH?

Az ATP egy speciális szerves molekula, amely minden élő szervezetben megtalálható, és gyakran „energia” pénznemnek is nevezik. Ezek a molekulák tartalmaznak nagy energiájú kötéseket, és energiaforrásként szolgálnak a szervezet bármely szerves szintézisében és kémiai folyamatában. Nos, a NADPH tulajdonképpen hidrogénforrás, közvetlenül a nagy molekulatömegű szerves anyagok - szénhidrátok - szintézisében használják fel, ami a fotoszintézis második, sötét fázisában történik szén-dioxid felhasználásával.

A fotoszintézis könnyű fázisa

A kloroplasztiszok sok klorofill molekulát tartalmaznak, és mindegyik elnyeli a napfényt. Ugyanakkor más pigmentek elnyelik a fényt, de nem képesek fotoszintézist végrehajtani. Maga a folyamat csak néhány klorofill molekulában megy végbe, amelyekből nagyon kevés van. A klorofill, karotinoidok és egyéb anyagok egyéb molekulái speciális antenna- és fénygyűjtő komplexeket (LHC) alkotnak. Az antennákhoz hasonlóan elnyelik a fénykvantumokat, és a gerjesztést speciális reakcióközpontokba vagy csapdákba továbbítják. Ezek a központok a fotorendszerekben helyezkednek el, amelyek közül a növényeknek kettő van: a II. és az I. fotoszisztéma. Speciális klorofillmolekulákat tartalmaznak: a II - P680, illetve az I - P700 fotorendszerben. Pontosan ilyen hullámhosszú fényt nyelnek el (680 és 700 nm).

Az ábra világosabbá teszi, hogy minden hogyan néz ki és történik a fotoszintézis fényfázisában.

Az ábrán két fotorendszert látunk P680 és P700 klorofillal. Az ábrán láthatók azok a hordozók is, amelyeken keresztül az elektrontranszport végbemegy.

Tehát: két fotorendszer mindkét klorofillmolekulája elnyel egy fénykvanumot és gerjesztődik. Az e- elektron (az ábrán piros) magasabb energiaszintre mozog.

A gerjesztett elektronok nagyon nagy energiájúak, leszakadnak és bejutnak egy speciális transzporterláncba, amely a tilakoidok membránjában található - a kloroplasztiszok belső szerkezetében. Az ábra azt mutatja, hogy a II. fotorendszerből a P680 klorofillból egy elektron a plasztokinonhoz, az I. fotorendszerből pedig a P700 klorofillból a ferredoxinhoz jut. Magukban a klorofillmolekulákban, az elektronok helyett, azok eltávolítása után pozitív töltésű kék ​​lyukak képződnek. Mit kell tenni?

Az elektronhiány kompenzálására a II. fotorendszer klorofill P680 molekulája elektronokat fogad fel a vízből, és hidrogénionok képződnek. Ráadásul a víz lebomlásának köszönhető, hogy oxigén kerül a légkörbe. A klorofill P700 molekula pedig, amint az az ábrán látható, a II. fotorendszer hordozórendszerén keresztül pótolja az elektronhiányt.

Általánosságban elmondható, hogy bármilyen nehéz is, a fotoszintézis fényfázisa pontosan így megy végbe, fő lényege az elektronok átvitele. Az ábrán az is látható, hogy az elektrontranszporttal párhuzamosan a H+ hidrogénionok áthaladnak a membránon, és felhalmozódnak a tilakoid belsejében. Mivel nagyon sok van belőlük, egy speciális konjugációs faktor segítségével mozognak kifelé, ami a jobb oldalon látható képen narancssárga, és úgy néz ki, mint egy gomba.

Végül az elektrontranszport utolsó lépését látjuk, melynek eredményeképpen a már említett NADH vegyület keletkezik. A H+ ionok átvitelének köszönhetően pedig szintetizálódik az energia valuta - ATP (az ábrán jobb oldalon látható).

Tehát a fotoszintézis könnyű fázisa befejeződött, oxigén szabadul fel a légkörbe, ATP és NADH képződik. Mi a következő lépés? Hol van az ígért szerves anyag? És akkor jön a sötét szakasz, amely főleg kémiai folyamatokból áll.

A fotoszintézis sötét fázisa

A fotoszintézis sötét fázisában a szén-dioxid – CO2 – elengedhetetlen komponens. Ezért a növénynek folyamatosan fel kell vennie a légkörből. Erre a célra speciális struktúrák vannak a levél felületén - sztómák. Amikor kinyílnak, a CO2 belép a levélbe, feloldódik vízben és reagál a fotoszintézis fényfázisával.

A legtöbb növényben a könnyű fázisban a CO2 egy öt szénatomos szerves vegyülethez kötődik (ami öt szénmolekulából álló lánc), így két molekula három szénatomos vegyület (3-foszfoglicerinsav) képződik. Mert Az elsődleges eredmény pontosan ezek a három szénatomos vegyületek, az ilyen típusú fotoszintézissel rendelkező növényeket C3 növényeknek nevezzük.

A további szintézis a kloroplasztiszokban meglehetősen bonyolultan megy végbe. Végül egy hat szénatomos vegyületet képez, amelyből glükóz, szacharóz vagy keményítő állítható elő. Ezen szerves anyagok formájában a növény energiát halmoz fel. Ilyenkor ezeknek csak egy kis része marad a levélben, amit a szükségletei kielégítésére használnak fel, míg a többi szénhidrát a növényben bejárja, oda érkezik, ahol a legnagyobb szükség van energiára - például a növekedési pontokra.

1. A fotoszintézis képlékeny vagy energia-anyagcsere folyamat? Miért?

A fotoszintézis a képlékeny anyagcsere folyamataira utal, mert kíséri:

● egyszerűbb anyagokból összetett szerves vegyületek szintézisével, nevezetesen: szervetlen anyagokból (H 2 O és CO 2) glükózt (C 6 H 12 O 6) szintetizálnak;

● fényenergia elnyelése.

2. A növényi sejt mely organellumában megy végbe a fotoszintézis? Mi az a fotórendszer? Milyen funkciót látnak el a fotorendszerek?

A fotoszintézis zöld plasztiszokban - kloroplasztiszokban történik.

A fotorendszerek speciális pigment-fehérje komplexek, amelyek a kloroplaszt tilakoidok membránjában helyezkednek el. Kétféle fotorendszer létezik – az I. és II. Mindegyik tartalmaz egy pigmentmolekulákból álló fénygyűjtő antennát, egy reakcióközpontot és elektronhordozókat.

A fénygyűjtő antenna tölcsérként működik: a pigmentmolekulák elnyelik a fényt, és az összes összegyűjtött energiát a reakcióközpontba továbbítják, ahol a klorofill-a által képviselt csapdamolekula található. Az energiát elnyelt csapdamolekula gerjesztett állapotba kerül, és egyik elektronját egy speciális hordozónak adja, azaz. oxidálódik. Így a fotorendszerek a fény elnyelésének és a fényenergia kémiai energiává alakításának funkcióját látják el.

3. Mi a fotoszintézis jelentősége a Földön? Miért lenne lehetetlen a bioszféra létezése fototróf organizmusok nélkül?

A fotoszintézis az egyetlen folyamat a bolygón, amelynek során a Nap fényenergiája szintetizált szerves anyagok kémiai kötéseinek energiájává alakul. Ebben az esetben a szerves anyagok szintézisének kiindulási vegyületei az energiaszegény szervetlen anyagok - szén-dioxid és víz.

A fotoszintézis során keletkező szerves vegyületek a táplálék részeként a fototróf szervezetekből a növényevőkbe, majd a húsevőkbe kerülnek, energiaforrásként és építőanyagként más anyagok szintéziséhez, új sejtek, struktúrák kialakításához. Következésképpen a fototrófok aktivitásának köszönhetően a heterotróf élőlények táplálkozási szükségletei ki vannak elégítve.

Ezenkívül a fotoszintézis a legtöbb élő szervezet légzéséhez szükséges molekuláris oxigénforrás. Az ózonréteg oxigénből jön létre és tart fenn, megvédve a bolygó élő szervezeteit a rövidhullámú ultraibolya sugárzás káros hatásaitól. A fotoszintézisnek köszönhetően a légkör viszonylag állandó CO 2 tartalma megmarad.

4. Jellemezze a fotoszintézis világos és sötét fázisait a terv szerint!

1) a szivárgás helye; 2) kiindulási anyagok; 3) folyamatban lévő folyamatok; 4) végtermékek.

A fotoszintézis világos fázisának mely termékei hasznosulnak a sötét fázisban?

A fotoszintézis könnyű fázisa.

1) A szivárgás helye: tilakoid membránok.

2) Kiindulási anyagok: H 2 O, oxidált NADP (NADP +), ADP, H 3 PO 4. A fényfázis létrejöttéhez fotoszintetikus pigmentek (klorofillok stb.) is szükségesek, de ezek nem nevezhetők a fényfázis kiindulási anyagainak.

3) Előforduló folyamatok: fényelnyelés fotorendszerek által, víz fotolízise, ​​elektronok szállítása a tilakoidon kívülre és protonok felhalmozódása a tilakoidon belül (azaz elektrokémiai potenciál megjelenése a tilakoid membránon), ATP szintézis, redukció NADP +.

4) Végtermékek: ATP, redukált NADP (NADP H+H +), melléktermék - molekuláris oxigén (O 2).

A fotoszintézis sötét fázisa.

1) A szivárgás helye: kloroplasztisz stroma.

2) Kiindulási anyagok: CO 2, ATP, redukált NADP (NADP H+H +).

3) Folyamatban lévő folyamatok: glükóz szintézis (CO 2 redukciója szerves anyagokká), melynek során ATP hidrolízis és NADP H+H + oxidáció megy végbe.

4) Végtermékek: glükóz (C 6 H 12 O 6), oxidált NADP (NADP +), ADP, H 3 PO 4.

A fotoszintézis sötét fázisában olyan könnyű fázisú termékeket használnak, mint a NADP H+H + (hidrogénatomok forrásaként szolgál a glükóz szintéziséhez) és az ATP (energiaforrásként szolgál a glükóz szintéziséhez).

5. Hasonlítsa össze a fotoszintézist és az aerob légzést! Jelölje meg a hasonlóságokat és a különbségeket.

Hasonlóságok:

● Enzimek részvételével végbemenő összetett, többlépcsős folyamatok.

● A fotoszintézis és az aerob légzés végső (oxigén) szakasza a kettős membrán organellumokban (kloroplasztiszokban, illetve mitokondriumokban) megy végbe.

● Redox folyamatok, amelyek a megfelelő organellumok belső membránjainak elektrontranszport láncai mentén elektrontranszporttal, potenciálkülönbség megjelenésével ezeken a membránokon, az ATP szintetáz és az ATP szintézis munkája kíséri.

Különbségek:

● A fotoszintézis folyamata plasztikus anyagcserére utal, mert szerves anyagok szintézisével jár a szervetlen anyagokból, és a fényenergia elnyelésével történik. Az aerob légzés folyamata energiaanyagcserére utal, mivel az összetett szerves anyagok lebomlanak, és a bennük lévő energia felszabadul.

● A fotoszintézis csak a fototróf szervezetek sejtjeiben megy végbe, aerob légzés pedig a legtöbb élő szervezet sejtjeiben (beleértve a fototrófokat is).

● Különféle kiindulási anyagok és végtermékek. Ha figyelembe vesszük a fotoszintézis és az aerob légzés összefoglaló egyenleteit, akkor láthatjuk, hogy a fotoszintézis termékei valójában az aerob légzés kiindulási anyagai és fordítva.

● A NAD és a FAD hidrogénatomok hordozói a légzés folyamatában, a NADP pedig a fotoszintézisben.

És (vagy) egyéb jelentős jellemzők.

6. Egy személy körülbelül 430 g oxigént fogyaszt naponta. Egy átlagos méretű fa körülbelül 30 kg szén-dioxidot nyel el évente. Hány fára van szükség egy ember oxigénellátásához?

● Egy ember egy év alatt: 430 g × 365 = 156 950 g oxigént fogyaszt.

● Számítsuk ki egy fa által évente elnyelt szén-dioxid kémiai mennyiségét:

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

● A fotoszintézis összefoglaló egyenlete:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

6 mol szén-dioxid felszívódása 6 mol oxigén felszabadulásával jár. Ez azt jelenti, hogy a fa évente 681,8 mol szén-dioxidot nyel el, és 681,8 mol oxigént bocsát ki.

● Határozzuk meg a fa által évente felszabaduló oxigén tömegét:

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

● Határozzuk meg, hány fa szükséges egy ember oxigénellátásához. Fák száma = 156 950 g: 21 817,6 ≈ 7,2 fa.

Válasz: Egy személy oxigénellátásához átlagosan 7,2 fára lesz szükség (az elfogadható válaszok „8 fa” vagy „7 fa”).

7. A kutatók a búzanövényeket két csoportra osztották, és azonos körülmények között nevelték őket laboratóriumban, azzal a különbséggel, hogy az első csoportba tartozó növényeket vörös fénnyel, a második csoportba tartozó növényeket pedig zöld fénnyel világították meg. Melyik növénycsoportban zajlott intenzívebben a fotoszintézis? Ez mihez kapcsolódik?

A vörös fénnyel megvilágított növényekben a fotoszintézis intenzívebben ment végbe. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a fő fotoszintetikus pigmentek - klorofillok - intenzíven elnyelik a vörös fényt (valamint a spektrum kék-ibolya részét), és visszaverik a zöldet, amely meghatározza ezeknek a pigmenteknek a zöld színét.

8*. Milyen kísérlettel lehet bizonyítani, hogy a fotoszintézis során felszabaduló oxigén pontosan vízmolekulákból képződik, nem pedig szén-dioxid vagy más anyag molekuláiból?

Ha a fotoszintézishez radioaktív oxigénnel jelölt vizet használnak (a molekulák a stabil 16 O-s stabil nuklid helyett oxigén radionuklidot tartalmaznak), akkor a radioaktív jelölés kimutatható a felszabaduló molekuláris oxigénben. Ha bármilyen más oxigén radionuklidot tartalmazó anyagot használ a fotoszintézishez, akkor a felszabaduló O2 nem tartalmaz radioaktív jelölést. Különösen az elnyelt szén-dioxid molekuláiban található radioaktív oxigén megtalálható a szintetizált szerves anyagokban, de nem az O 2 összetételében.

*A csillaggal jelölt feladatok különböző hipotézisek felállítását igénylik a tanulókkal. Ezért a jelölésnél a tanárnak nem csak az itt adott válaszra kell koncentrálnia, hanem az egyes hipotéziseket is figyelembe kell vennie, felmérve a tanulók biológiai gondolkodását, érvelésének logikáját, ötletek eredetiségét stb. Ezek után célszerű megismertetni a tanulókkal a kapott választ.