Процеси на фотосинтеза в светла и тъмна фаза. Процесът на фотосинтеза. Функции на части от растителна клетка

- синтез на органични вещества от въглероден диоксид и вода със задължително използване на светлинна енергия:

6CO 2 + 6H 2 O + Q светлина → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

При висшите растения органът на фотосинтезата е листът, органелите на фотосинтезата са хлоропластите (строежът на хлоропластите е лекция No 7). Тилакоидните мембрани на хлоропластите съдържат фотосинтетични пигменти: хлорофили и каротеноиди. Има няколко различни вида хлорофил ( a, b, c, d), като основният е хлорофилът а. В молекулата на хлорофила може да се различи порфиринова "глава" с магнезиев атом в центъра и фитолова "опашка". Порфириновата „глава“ е плоска структура, хидрофилна е и следователно лежи върху повърхността на мембраната, която е обърната към водната среда на стромата. Фитоловата "опашка" е хидрофобна и по този начин задържа хлорофилната молекула в мембраната.

Хлорофилът абсорбира червената и синьо-виолетовата светлина, отразява зелената и поради това придава на растенията техния характерен зелен цвят. Молекулите на хлорофила в тилакоидните мембрани са организирани в фотосистеми. Растенията и синьо-зелените водорасли имат фотосистема-1 и фотосистема-2; фотосинтезиращите бактерии имат фотосистема-1. Само фотосистема-2 може да разлага водата с освобождаване на кислород и да взема електрони от водорода на водата.

Фотосинтезата е сложен многоетапен процес; реакциите на фотосинтезата се делят на две групи: реакции светлинна фазаи реакции тъмна фаза.

светлинна фаза

Тази фаза протича само при наличие на светлина в тилакоидните мембрани с участието на хлорофил, протеини-носители на електрони и ензима АТФ синтетаза. Под действието на светлинен квант електроните на хлорофила се възбуждат, напускат молекулата и навлизат във външната страна на тилакоидната мембрана, която в крайна сметка се зарежда отрицателно. Окислените хлорофилни молекули се възстановяват чрез вземане на електрони от водата, разположена в интратилакоидното пространство. Това води до разлагане или фотолиза на водата:

H 2 O + Q светлина → H + + OH -.

Хидроксилните йони отдават своите електрони, превръщайки се в реактивни радикали.

OH - → .OH + e - .

Радикалите.OH се комбинират, за да образуват вода и свободен кислород:

4НЕ. → 2H 2 O + O 2.

В този случай кислородът се отстранява във външната среда и протоните се натрупват вътре в тилакоида в "протонния резервоар". В резултат на това тилакоидната мембрана, от една страна, е положително заредена поради Н +, от друга, отрицателно поради електрони. Когато потенциалната разлика между външната и вътрешната страна на тилакоидната мембрана достигне 200 mV, протоните се изтласкват през каналите на АТФ синтетазата и АДФ се фосфорилира до АТФ; атомарният водород се използва за възстановяване на специфичния носител NADP + (никотинамид аденин динуклеотид фосфат) до NADP H 2:

2H + + 2e - + NADP → NADP H 2.

По този начин фотолизата на водата се извършва в светлинната фаза, която е придружена от три основни процеса: 1) синтез на АТФ; 2) образуването на NADP·H 2; 3) образуването на кислород. Кислородът дифундира в атмосферата, ATP и NADP·H 2 се транспортират до стромата на хлоропласта и участват в процесите на тъмната фаза.

1 - строма на хлоропласта; 2 - грана тилакоид.

тъмна фаза

Тази фаза протича в стромата на хлоропласта. Реакциите му не изискват енергията на светлината, така че протичат не само на светло, но и на тъмно. Реакциите на тъмната фаза са верига от последователни трансформации на въглероден диоксид (идва от въздуха), водещи до образуването на глюкоза и други органични вещества.

Първата реакция в тази верига е фиксирането на въглероден диоксид; акцепторът на въглероден диоксид е захар с пет въглерода рибулоза бифосфат(RiBF); ензимът катализира реакцията рибулоза бифосфат карбоксилаза(RiBP-карбоксилаза). В резултат на карбоксилиране на рибулозния бифосфат се образува нестабилно шествъглеродно съединение, което веднага се разлага на две молекули фосфоглицеринова киселина(FGK). След това има цикъл от реакции, в които чрез серия от междинни продукти фосфоглицериновата киселина се превръща в глюкоза. Тези реакции използват енергиите на ATP и NADP·H 2, образувани в светлинната фаза; Цикълът на тези реакции се нарича цикъл на Калвин:

6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.

В допълнение към глюкозата, по време на фотосинтезата се образуват и други мономери на сложни органични съединения - аминокиселини, глицерол и мастни киселини, нуклеотиди. Понастоящем има два вида фотосинтеза: C 3 - и C 4 - фотосинтеза.

С 3 -фотосинтеза

Това е вид фотосинтеза, при която тривъглеродните (C3) съединения са първият продукт. С3-фотосинтезата е открита преди С4-фотосинтезата (М. Калвин). Това е C3-фотосинтезата, която е описана по-горе, под заглавието "Тъмна фаза". ХарактеристикиС 3 -фотосинтеза: 1) RiBP е акцептор на въглероден диоксид, 2) RiBP карбоксилазата катализира реакцията на карбоксилиране на RiBP, 3) в резултат на карбоксилирането на RiBP се образува съединение с шест въглерода, което се разлага на две FHA. FHA се възстановява до триозофосфати(TF). Част от TF се използва за регенериране на RiBP, част се превръща в глюкоза.

1 - хлоропласт; 2 - пероксизома; 3 - митохондрия.

Това е зависимо от светлината поглъщане на кислород и освобождаване на въглероден диоксид. Дори в началото на миналия век беше установено, че кислородът инхибира фотосинтезата. Както се оказа, не само въглеродният диоксид, но и кислородът може да бъде субстрат за RiBP карбоксилаза:

O 2 + RiBP → фосфогликолат (2С) + FHA (3С).

Ензимът се нарича RiBP-оксигеназа. Кислородът е конкурентен инхибитор на фиксирането на въглероден диоксид. Фосфатната група се отцепва и фосфогликолатът става гликолат, който растението трябва да използва. Попада в пероксизомите, където се окислява до глицин. Глицинът навлиза в митохондриите, където се окислява до серин, със загуба на вече фиксиран въглерод под формата на CO2. В резултат на това две молекули гликолат (2C + 2C) се превръщат в една FHA (3C) и CO 2. Фотодишането води до намаляване на добива на С 3 -растения с 30-40% ( C 3 -растения- растения, които се характеризират с С 3 -фотосинтеза).

C 4 -фотосинтеза - фотосинтеза, при която първият продукт е четиривъглеродни (C 4) съединения. През 1965 г. е установено, че в някои растения (захарна тръстика, царевица, сорго, просо) първите продукти на фотосинтезата са четиривъглеродни киселини. Такива растения се наричат С 4 растения. През 1966 г. австралийските учени Hatch и Slack показват, че C 4 растенията практически нямат фотодишане и абсорбират въглеродния диоксид много по-ефективно. Пътят на въглеродните трансформации в С 4 растенията започна да се нарича от Hatch-Slack.

С 4 растенията се характеризират със специална анатомична структура на листа. Всички проводящи снопове са заобиколени от двоен слой клетки: външният е мезофилни клетки, вътрешният е облицовъчни клетки. Въглеродният диоксид се фиксира в цитоплазмата на мезофилните клетки, акцепторът е фосфоенолпируват(PEP, 3C), в резултат на карбоксилирането на PEP се образува оксалоацетат (4C). Процесът се катализира PEP карбоксилаза. За разлика от RiBP карбоксилазата, PEP карбоксилазата има висок афинитет към CO 2 и, най-важното, не взаимодейства с O 2 . В мезофилните хлоропласти има много грани, където активно протичат реакции на светлинната фаза. В хлоропластите на обвивните клетки протичат реакции на тъмната фаза.

Оксалоацетатът (4C) се превръща в малат, който се транспортира през плазмодесмата до клетките на лигавицата. Тук той се декарбоксилира и дехидратира, за да образува пируват, CO 2 и NADP·H 2 .

Пируватът се връща в клетките на мезофила и се регенерира за сметка на енергията на АТФ в PEP. CO 2 отново се фиксира от RiBP карбоксилаза с образуването на FHA. Регенерирането на PEP изисква енергията на АТФ, така че е необходима почти два пъти повече енергия, отколкото при С3 фотосинтезата.

Значението на фотосинтезата

Благодарение на фотосинтезата всяка година от атмосферата се абсорбират милиарди тонове въглероден диоксид, отделят се милиарди тонове кислород; фотосинтезата е основният източник на образуване на органични вещества. Озоновият слой се образува от кислород, който предпазва живите организми от късовълнова ултравиолетова радиация.

По време на фотосинтезата зеленото листо използва само около 1% от слънчевата енергия, която пада върху него, производителността е около 1 g органична материя на 1 m 2 повърхност на час.

Хемосинтеза

Синтезът на органични съединения от въглероден диоксид и вода, извършван не за сметка на светлинната енергия, а за сметка на енергията на окисление на неорганичните вещества, се нарича хемосинтеза. Хемосинтезиращите организми включват някои видове бактерии.

Нитрифициращи бактерииокисляват амоняка до азотна и след това до азотна киселина (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

железни бактериипревръщат двувалентното желязо в оксид (Fe 2+ → Fe 3+).

Серни бактерииокисляват сероводорода до сяра или сярна киселина (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

В резултат на окислителните реакции на неорганичните вещества се освобождава енергия, която се съхранява от бактериите под формата на високоенергийни връзки на АТФ. АТФ се използва за синтеза на органични вещества, който протича подобно на реакциите на тъмната фаза на фотосинтезата.

Хемосинтетичните бактерии допринасят за натрупването на минерали в почвата, подобряват плодородието на почвата, насърчават пречистването на отпадъчни води и др.

Отидете на лекции №11„Концепцията за метаболизма. Биосинтеза на протеини"

Отидете на лекции №13"Методи на делене на еукариотни клетки: митоза, мейоза, амитоза"

фотосинтеза- синтез на органични съединения от неорганични поради светлинна енергия (hv). Общото уравнение на фотосинтезата е:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Фотосинтезата протича с участието на фотосинтетични пигменти, които имат уникалното свойство на преобразуване на енергия слънчева светлинав енергия на химична връзка под формата на АТФ. Фотосинтетичните пигменти са вещества, подобни на протеини. Най-важният от тях е пигментът хлорофил. При еукариотите фотосинтетичните пигменти са вградени във вътрешната мембрана на пластидите; при прокариотите те са вградени в инвагинациите на цитоплазмената мембрана.

Структурата на хлоропласта е много подобна на тази на митохондриите. Вътрешната мембрана на грана тилакоидите съдържа фотосинтетични пигменти, както и протеини на веригата за транспортиране на електрони и молекули на ензима ATP синтетаза.

Процесът на фотосинтеза се състои от две фази: светла и тъмна.

светлинна фазаФотосинтезата се извършва само при наличие на светлина в мембраната на тилакоидната грана. В тази фаза се случва поглъщането на светлинни кванти от хлорофила, образуването на АТФ молекула и фотолизата на водата.

Под действието на светлинен квант (hv) хлорофилът губи електрони, преминавайки във възбудено състояние:

Chl → Chl + e —

Тези електрони се пренасят от носители към външния, т.е. повърхността на тилакоидната мембрана, обърната към матрицата, където се натрупват.

В същото време вътре в тилакоидите се случва фотолиза на водата, т.е. разлагането му под въздействието на светлина

2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e -

Получените електрони се пренасят от носители към хлорофилните молекули и ги възстановяват: хлорофилните молекули се връщат в стабилно състояние.

Водородните протони, образувани по време на фотолизата на водата, се натрупват вътре в тилакоида, създавайки H + -резервоар. В резултат на това вътрешната повърхност на тилакоидната мембрана е заредена положително (поради H +), а външната повърхност е заредена отрицателно (поради e -). Тъй като противоположно заредените частици се натрупват от двете страни на мембраната, потенциалната разлика се увеличава. Когато се достигне критичната стойност на потенциалната разлика, силата на електрическото поле започва да изтласква протоните през АТФ синтетазния канал. Освободената в този случай енергия се използва за фосфорилиране на ADP молекули:

ADP + F → ATP

Образуването на АТФ по време на фотосинтезата под въздействието на светлинна енергия се нарича фотофосфорилиране.

Водородните йони, веднъж на външната повърхност на тилакоидната мембрана, срещат електрони там и образуват атомен водород, който се свързва с молекулата на водородния носител NADP (никотинамид аденин динуклеотид фосфат):

2H + + 4e - + NADP + → NADP H 2

Така по време на светлинната фаза на фотосинтезата се случват три процеса: образуването на кислород поради разлагането на водата, синтеза на АТФ, образуването на водородни атоми под формата на NADP H 2 . Кислородът дифундира в атмосферата, ATP и NADP H 2 участват в процесите на тъмната фаза.

тъмна фазафотосинтезата се извършва в матрицата на хлоропласта както на светлина, така и на тъмно и представлява серия от последователни трансформации на CO 2, идващ от въздуха в цикъла на Калвин. Реакциите на тъмната фаза се извършват благодарение на енергията на АТФ. В цикъла на Калвин CO 2 се свързва с водород от NADP H 2, за да образува глюкоза.

В процеса на фотосинтезата освен монозахаридите (глюкоза и др.) се синтезират и мономери на други органични съединения - аминокиселини, глицерин и мастни киселини. По този начин, благодарение на фотосинтезата, растенията осигуряват себе си и целия живот на Земята с необходимите органични вещества и кислород.

Сравнителна характеристикафотосинтезата и дишането на еукариотите е дадено в таблицата:

Сравнителни характеристики на фотосинтезата и дишането на еукариотите

знак	фотосинтеза	Дъх
Уравнение на реакцията	6CO 2 + 6H 2 O + Светлинна енергия → C 6 H 12 O 6 + 6O 2	C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6H 2 O + енергия (ATP)
изходни материали	въглероден диоксид, вода
реакционни продукти	органична материя, кислород	въглероден диоксид, вода
Значение в кръговрата на веществата	Синтез на органични вещества от неорганични	Разлагане на органични вещества до неорганични
Трансформация на енергия	Превръщането на светлинната енергия в енергията на химичните връзки на органичните вещества	Превръщането на енергията на химичните връзки на органичните вещества в енергията на макроергичните връзки на АТФ
Важни етапи	Светла и тъмна фаза (включително цикъла на Калвин)	Непълно окисление (гликолиза) и пълно окисление (включително цикъла на Кребс)
Място на процеса	Хлоропласт	Хиалоплазма (непълно окисление) и митохондрии (пълно окисление)

Основни понятия и ключови термини: фотосинтеза. Хлорофил. светлинна фаза. тъмна фаза.

Помня! Какво е обмен на пластмаса?

Мисля!

Зеленият цвят доста често се споменава в стиховете на поетите. И така, Богдан-Игор Антонич има редовете: „... поезия, кипяща и мъдра, като зеленина“, „... виелица от зеленина, огън от зеленина“,

"...зеленчукови реки се издигат зелени наводнения." Зеленото е цветът на обновлението, символ на младостта, спокойствието, цветът на природата.

Защо растенията са зелени?

Какви са условията за фотосинтеза?

Фотосинтезата (от гръцки photo - светлина, synthesis - комбинация) е изключително сложна съвкупност от пластични обменни процеси. Учените разграничават три вида фотосинтеза: кислородна (с отделяне на молекулярен кислород в растенията и цианобактериите), аноксична (с участието на бактериохлорофил при анаеробни условия без освобождаване на кислород във фотобактериите) и безхлорофилна (с участието на бактериородопсини в археите) . На дълбочина 2,4 км са открити зелени серни бактерии GSB1, които вместо слънчева светлина използват слабите лъчи на черните пушачи. Но, както пише К. Суенсън в монография за клетките: "Основният източник на енергия за дивата природа е енергията на видимата светлина."

Най-често срещаната в живата природа е кислородната фотосинтеза, която изисква светлинна енергия, въглероден диоксид, вода, ензими и хлорофил. Светлината за фотосинтезата се абсорбира от хлорофила, водата се доставя на клетките през порите на клетъчната стена, въглеродният диоксид навлиза в клетките чрез дифузия.

Основните фотосинтетични пигменти са хлорофилите. Хлорофилите (от гръцки хлорос - зелен и филон - лист) са зелени пигменти на растенията, с участието на които протича фотосинтезата. Зеленият цвят на хлорофила е устройство за поглъщане на сини лъчи и частично червени. А зелените лъчи се отразяват от тялото на растенията, попадат върху ретината на човешкото око, дразнят конусите и предизвикват цветни визуални усещания. Ето защо растенията са зелени!

В допълнение към хлорофилите растенията имат спомагателни каротеноиди, цианобактериите и червените водорасли имат фикобилини. Зелено

а лилавите бактерии съдържат бактериохлорофили, които абсорбират сини, виолетови и дори инфрачервени лъчи.

Фотосинтезата се среща във висши растения, водорасли, цианобактерии, някои археи, тоест в организми, известни като фотоавтотрофи. Фотосинтезата при растенията се извършва в хлоропласти, при цианобактерии и фотобактерии - върху вътрешни инвагинации на мембрани с фотопигменти.

И така, ФОТОСИНТЕЗАТА е процес на образуване на органични съединения от неорганични с помощта на светлинна енергия и с участието на фотосинтетични пигменти.

Какви са характеристиките на светлата и тъмната фаза на фотосинтезата?

В процеса на фотосинтезата се разграничават два етапа - светла и тъмна фаза (фиг. 49).

Светлинната фаза на фотосинтезата протича в граната на хлоропластите с участието на светлина. Този етап започва от момента на поглъщане на светлинни кванти от молекулата на хлорофила. В този случай електроните на магнезиевия атом в молекулата на хлорофила преминават на по-високо енергийно ниво, натрупвайки потенциална енергия. Значителна част от възбудените електрони го прехвърля към други химични съединения за образуване на АТФ и редукция на НАДФ (никотинамид аденин динуклеотид фосфат). Тази връзка с такива дълго имее универсален биологичен носител на водород в клетката. Под въздействието на светлината протича процесът на разлагане на водата - фотолиза. Това произвежда електрони (e“), протони (H +) и, като страничен продукт, молекулярен кислород. H+ водородните протони, чрез свързване на електрони с високо енергийно ниво, се превръщат в атомен водород, който се използва за редуциране на NADP+ до NADP. Н. По този начин основните процеси на светлинната фаза са: 1) фотолиза на водата (разделяне на водата под действието на светлина с образуването на кислород); 2) редукция на NADP (добавяне на водороден атом към NADP); 3) фотофосфорилиране (образуване на АТФ от АДФ).

И така, светлинната фаза е набор от процеси, които осигуряват образуването на молекулярен кислород, атомен водород и АТФ поради светлинна енергия.

Тъмната фаза на фотосинтезата настъпва в стромата на хлоропластите. Процесите му не зависят от светлината и могат да протичат както на светло, така и на тъмно в зависимост от нуждите на клетката от глюкоза. Основата на тъмната фаза е циклична реакция, наречена цикъл на фиксиране на въглероден диоксид или цикъл на Калвин. Този процес е изследван за първи път от американския биохимик Мелвин Калвин (1911 - 1997), лауреат Нобелова наградапо химия (1961). В тъмната фаза глюкозата се синтезира от въглероден диоксид, водород от NADP и енергията на ATP. Реакциите на фиксиране на CO2 се катализират от рибулоза бисфосфат карбоксилаза (Rubisco), най-разпространеният ензим на Земята.

И така, тъмната фаза е набор от циклични реакции, които благодарение на химическата енергия на АТФ осигуряват образуването на глюкоза с помощта на въглероден диоксид, който е източник на въглерод, и вода, източник на водород.

Каква е планетарната роля на фотосинтезата?

Значението на фотосинтезата за биосферата не може да бъде надценено. Именно чрез този процес светлинната енергия на Слънцето се преобразува от фотоавтотрофите в химическата енергия на въглехидратите, които обикновено дават първична органична материя. С него започват хранителните вериги, по които енергията се прехвърля на хетеротрофни организми. Растенията служат за храна на тревопасните животни, които чрез това получават необходимите хранителни вещества. Тогава тревопасните стават храна за хищници, те също се нуждаят от енергия, без която животът е невъзможен.

Само малка част от слънчевата енергия се улавя от растенията и се използва за фотосинтеза. Енергията на слънцето се използва главно за изпаряване и поддържане температурен режимземната повърхност. Така че само около 40-50% от слънчевата енергия прониква в биосферата и само 1-2% от слънчевата енергия се превръща в синтезирана органична материя.

Влияят зелените растения и цианобактериите газов съставатмосфера. Целият кислород в съвременната атмосфера е продукт на фотосинтезата. Образуването на атмосферата напълно промени състоянието на земната повърхност, направи възможно появата на аеробно дишане. По-късно в процеса на еволюцията, след образуването на озоновия слой, живите организми достигат сушата. Освен това фотосинтезата предотвратява натрупването на CO 2 и предпазва планетата от прегряване.

И така, фотосинтезата е от планетарно значение, осигурявайки съществуването на живата природа на планетата Земя.

ДЕЙНОСТ Задача за съпоставяне

Използвайки таблицата, сравнете фотосинтезата с аеробното дишане и направете заключение за връзката между пластичния и енергийния метаболизъм.

СРАВНИТЕЛНА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ФОТОСИНТЕЗАТА И АЕРОБНОТО ДИШАНЕ

Задача за прилагане на знания

Разпознават и назовават нивата на организация на процеса на фотосинтеза в растенията. Назовете адаптациите на растителния организъм за фотосинтеза на различни нива на неговата организация.

ОТНОШЕНИЕ Биология + Литература

К. А. Тимирязев (1843 - 1920), един от най-известните изследователи на фотосинтезата, пише: „Микроскопично зелено зърно от хлорофил е фокус, точка в световното пространство, в която енергията на Слънцето се влива от единия край и всички прояви на живота произлизат от другия на земята. Това е истинският Прометей, който открадна огъня от небето. Слънчевият лъч, откраднат от него, гори едновременно в блещукащата бездна и в ослепителната искра на електричеството. Слънчевият лъч задвижва и маховика на гигантска парна машина, и четката на художника, и перото на поета. Приложете знанията си и докажете твърдението, че слънчевият лъч задвижва перото на поета.

	Задачи за самоконтрол
	1. Какво е фотосинтеза? 2. Какво е хлорофил? 3. Какво е светлинна фазафотосинтеза? 4. Какво представлява тъмната фаза на фотосинтезата? 5. Какво е първична органична материя? 6. Как фотосинтезата определя аеробното дишане на организмите?
	7. Какви са условията за фотосинтеза? 8. Какви са характеристиките на светлата и тъмната фаза на фотосинтезата? 9. Каква е планетарната роля на фотосинтезата?
	10. Какви са приликите и разликите между фотосинтезата и аеробното дишане?

Това е материал от учебника.

Как да обясним кратко и ясно такъв сложен процес като фотосинтезата? Растенията са единствените живи организми, които могат да произвеждат собствена храна. Как го правят? За растеж и получаване на всички необходими вещества от околен свят: въглероден диоксид - от въздуха, водата и - от почвата. Те също се нуждаят от енергия от слънчева светлина. Тази енергия задейства определени химични реакции, по време на които въглеродният диоксид и водата се превръщат в глюкоза (хранене) и фотосинтезата. Кратко и ясно същността на процеса може да бъде обяснена дори на деца в училищна възраст.

"Заедно със светлината"

Думата "фотосинтеза" произлиза от две гръцки думи - "снимка" и "синтеза", комбинация, която в превод означава "заедно със светлината". Слънчевата енергия се преобразува в химическа енергия. Химично уравнение на фотосинтезата:

6CO 2 + 12H 2 O + светлина \u003d C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.

Това означава, че 6 молекули въглероден диоксид и дванадесет водни молекули се използват (заедно със слънчевата светлина) за производството на глюкоза, което води до шест кислородни молекули и шест водни молекули. Ако представим това под формата на устно уравнение, получаваме следното:

Вода + слънце => глюкоза + кислород + вода.

Слънцето е много мощен източник на енергия. Хората винаги се опитват да го използват за генериране на електричество, изолация на къщи, затопляне на вода и т.н. Растенията са „измислили“ как да използват слънчевата енергия преди милиони години, защото това е било необходимо за тяхното оцеляване. Фотосинтезата може да бъде обяснена накратко и ясно по следния начин: растенията използват светлинната енергия на слънцето и я превръщат в химическа енергия, резултатът от което е захар (глюкоза), чийто излишък се съхранява като нишесте в листата, корените, стъблата и семената на растението. Енергията на слънцето се предава на растенията, както и на животните, които тези растения ядат. Когато едно растение се нуждае от хранителни вещества за растеж и други жизнени процеси, тези резерви са много полезни.

Как растенията абсорбират слънчевата енергия?

Говорейки за фотосинтезата накратко и ясно, струва си да се докоснем до въпроса как растенията успяват да абсорбират слънчевата енергия. Това се дължи на специалната структура на листата, която включва зелени клетки - хлоропласти, които съдържат специално вещество, наречено хлорофил. Това е, което се прикрепя към листата зелен цвяти отговаря за усвояването на енергията на слънчевата светлина.

Защо повечето листа са широки и плоски?

Фотосинтезата се извършва в листата на растенията. Изненадващ факте, че растенията са много добре приспособени да улавят слънчевата светлина и да абсорбират въглероден диоксид. Благодарение на широката повърхност ще бъде уловена много повече светлина. Поради тази причина слънчевите панели, които понякога се монтират на покривите на къщите, също са широки и плоски. Колкото по-голяма е повърхността, толкова по-добра е абсорбцията.

Какво друго е важно за растенията?

Точно като хората, растенията също се нуждаят от хранителни вещества и хранителни вещества, за да останат здрави, да растат и да работят добре. Те получават минерали, разтворени във вода от почвата чрез корените си. Ако в почвата липсват минерални хранителни вещества, растението няма да се развива нормално. Фермерите често тестват почвата, за да се уверят, че има достатъчно хранителни вещества за растежа на културите. В противен случай прибягвайте до използването на торове, съдържащи основни минерали за хранене и растеж на растенията.

Защо фотосинтезата е толкова важна?

Обяснявайки фотосинтезата накратко и ясно за децата, си струва да споменем, че този процес е една от най-важните химични реакции в света. Какви са причините за такова гръмко изявление? Първо, фотосинтезата захранва растенията, които от своя страна хранят всички други живи същества на планетата, включително животни и хора. Второ, в резултат на фотосинтезата кислородът, необходим за дишането, се отделя в атмосферата. Всички живи същества вдишват кислород и издишват въглероден диоксид. За щастие растенията правят обратното, поради което те са много важни за дишането на хората и животните.

Удивителен процес

Оказва се, че растенията също знаят как да дишат, но за разлика от хората и животните те абсорбират въглероден диоксид от въздуха, а не кислород. Растенията също пият. Ето защо трябва да ги поливате, иначе ще умрат. С помощта на кореновата система водата и хранителните вещества се транспортират до всички части на тялото на растението, а въглеродният диоксид се абсорбира през малки отвори в листата. Задействайте за стартиране химическа реакцияе слънчева светлина. Всички получени метаболитни продукти се използват от растенията за хранене, кислородът се отделя в атмосферата. Ето как можете кратко и ясно да обясните как протича процесът на фотосинтеза.

Фотосинтеза: светла и тъмна фаза на фотосинтезата

Разглежданият процес се състои от две основни части. Има две фази на фотосинтезата (описание и таблица - по-долу). Първата се нарича светлинна фаза. Възниква само при наличие на светлина в тилакоидните мембрани с участието на хлорофил, протеини-носители на електрони и ензима АТФ синтетаза. Какво още крие фотосинтезата? Светят и се заменят един с друг, когато денят и нощта настъпят (цикли на Калвин). По време на тъмната фаза се получава производството на същата глюкоза, храна за растенията. Този процес се нарича още светлиннонезависима реакция.

светлинна фаза

тъмна фаза

1. Реакциите, протичащи в хлоропластите, са възможни само при наличие на светлина. Тези реакции превръщат светлинната енергия в химическа енергия. 2. Хлорофилът и другите пигменти абсорбират енергия от слънчевата светлина. Тази енергия се прехвърля към фотосистемите, отговорни за фотосинтезата. 3. Водата се използва за електрони и водородни йони, а също така участва в производството на кислород 4. Електроните и водородните йони се използват за създаване на АТФ (молекула за съхранение на енергия), която е необходима в следващата фаза на фотосинтезата

1. Реакциите на цикъла на изключване на светлината протичат в стромата на хлоропластите 2. Въглеродният диоксид и енергията от АТФ се използват под формата на глюкоза

Заключение

От всичко казано по-горе могат да се направят следните изводи:

• Фотосинтезата е процес, който прави възможно получаването на енергия от слънцето.
• Светлинната енергия на слънцето се превръща в химическа енергия от хлорофила.
• Хлорофилът придава на растенията техния зелен цвят.
• Фотосинтезата се извършва в хлоропластите на листата на растенията.
• Въглеродният диоксид и водата са от съществено значение за фотосинтезата.
• Въглеродният диоксид навлиза в растението през малки дупчици, устицата, а кислородът излиза през тях.
• Водата се абсорбира в растението през неговите корени.
• Без фотосинтеза нямаше да има храна в света.

По-точно въглеродният диоксид (CO 2 ) е свързан в тъмната фаза.

Този процес е многоетапен, в природата има два основни начина: С 3 -фотосинтеза и С 4 -фотосинтеза. Латинската буква C означава въглероден атом, числото след нея е броят на въглеродните атоми в първичния органичен продукт на тъмната фаза на фотосинтезата. По този начин, в случая на C3 пътя, тривъглеродната фосфоглицеринова киселина, наричана FHA, се счита за първичен продукт. В случая на C4 пътя, първото органично съединение при свързването на въглеродния диоксид е оксалооцетната киселина с четири въглерода (оксалоацетат).

С 3 фотосинтезата се нарича още цикъл на Калвин, на името на учения, който я е изследвал. С 4 -фотосинтезата включва цикъла на Калвин, но не се състои само от него и се нарича цикъл на Hatch-Slack. В умерените ширини растенията C 3 са често срещани, в тропическите ширини - C 4 .

Тъмните реакции на фотосинтезата протичат в стромата на хлоропласта.

Цикъл на Калвин

Първата реакция на цикъла на Калвин е карбоксилирането на рибулоза-1,5-бисфосфат (RiBP). Карбоксилиране- това е добавянето на молекула CO 2, което води до образуването на карбоксилна група -COOH. RiBP е рибоза (захар с пет въглерода), в която фосфатните групи (образувани от фосфорна киселина) са прикрепени към крайните въглеродни атоми:

Химическа формула на RiBF

Реакцията се катализира от ензима рибулоза-1,5-бисфосфат-карбоксилаза-оксигеназа ( RubisCO). Той може да катализира не само свързването на въглероден диоксид, но и на кислород, както е посочено от думата "оксигеназа" в името му. Ако RuBisCO катализира реакцията на добавяне на кислород към субстрата, тогава тъмната фаза на фотосинтезата вече не протича по пътя на цикъла на Калвин, а по пътя фотодишане, което по принцип е вредно за растението.

Катализата на реакцията на присъединяване на CO 2 към RiBP протича в няколко етапа. В резултат на това се образува нестабилно шествъглеродно органично съединение, което веднага се разлага на две тривъглеродни молекули. фосфоглицеринова киселина(FGK).

Химична формула на фосфоглицериновата киселина

Освен това, FGK, в няколко ензимни реакции, които протичат с изразходването на ATP енергия и редуциращата сила на NADP H 2, се превръща във фосфоглицералдехид (PGA), наричан още триозофосфат.

По-малка част от PHA напуска цикъла на Калвин и се използва за синтеза на по-сложни органични вещества, като глюкоза. То от своя страна може да полимеризира до нишесте. Други вещества (аминокиселини, мастни киселини) се образуват с участието на различни изходни вещества. Такива реакции се наблюдават не само в растителните клетки. Следователно, ако разглеждаме фотосинтезата като уникален феномен на клетки, съдържащи хлорофил, тогава тя завършва със синтеза на PHA, а не на глюкоза.

Повечето от PHA молекулите остават в цикъла на Калвин. С него се извършват редица трансформации, в резултат на които PHA се превръща в RiBF. Също така използва ATP енергия. Така RiBP се регенерира, за да свърже нови молекули въглероден диоксид.

Цикъл Hatch-Slack

При много растения в горещи местообитания тъмната фаза на фотосинтезата е малко по-сложна. В хода на еволюцията С 4 фотосинтезата възниква като повече ефективен методфиксиране на въглероден диоксид, когато количеството кислород в атмосферата се увеличи и RuBisCO започна да харчи пари за неефективно фотодишане.

Има два вида фотосинтезиращи клетки в C 4 растенията. В хлоропластите на листния мезофил протичат светлата фаза на фотосинтезата и част от тъмната фаза, а именно свързването на CO 2 с фосфоенолпируват(FEP). В резултат на това се образува четиривъглеродна органична киселина. Освен това тази киселина се транспортира до хлоропластите на клетките, покриващи проводящия сноп. Тук молекула CO 2 се отцепва ензимно от него, която след това влиза в цикъла на Калвин. Тривъглеродната киселина, останала след декарбоксилиране - пирогроздена- връща се в клетките на мезофила, където отново се превръща във FEP.

Въпреки че цикълът на Hatch-Slack е по-енергийно интензивен вариант на тъмната фаза на фотосинтезата, ензимът, който свързва CO 2 и PEP, е по-ефективен катализатор от RuBisCO. Освен това не реагира с кислород. Транспортирането на CO2 с помощта на органична киселина до по-дълбоките клетки, към които е възпрепятствано снабдяването с кислород, води до увеличаване на концентрацията на въглероден диоксид тук и RuBisCO почти не се изразходва за свързване на молекулярен кислород.