Procesy svetlo a tmy v tabuľke fotosyntézy. Proces fotosyntézy. Funkcie častí rastlinných buniek

Detský svet
11.06.2021

- syntéza organických látok z oxidu uhličitého a vody s povinným využitím svetelnej energie:

6C02 + 6H20 + Q svetlo → C6H1206 + 602.

U vyšších rastlín je orgánom fotosyntézy list, organelami fotosyntézy sú chloroplasty (štruktúra chloroplastov je prednáška č. 7). Tylakoidné membrány chloroplastov obsahujú fotosyntetické pigmenty: chlorofyly a karotenoidy. Existuje niekoľko rôznych typov chlorofylu ( a B C d), hlavným je chlorofyl a. V molekule chlorofylu možno rozlíšiť porfyrínovú „hlavu“ s atómom horčíka v strede a fytolovým „chvostom“. Porfyrínová „hlava“ je plochá štruktúra, je hydrofilná, a preto leží na povrchu membrány, ktorá smeruje do vodného prostredia strómy. Fytolový „chvost“ je hydrofóbny a tak udržuje molekulu chlorofylu v membráne.

Chlorofyl pohlcuje červené a modrofialové svetlo, odráža zelenú, a preto dodáva rastlinám ich charakteristickú zelenú farbu. Molekuly chlorofylu v tylakoidných membránach sú organizované do fotosystémy. Rastliny a modrozelené riasy majú fotosystém-1 a fotosystém-2; fotosyntetické baktérie majú fotosystém-1. Len fotosystém-2 dokáže rozkladať vodu uvoľňovaním kyslíka a odoberať elektróny z vodíka vody.

Fotosyntéza je komplexný viacstupňový proces; reakcie fotosyntézy sa delia do dvoch skupín: reakcie svetelná fáza a reakcie tmavá fáza.

svetelná fáza

Táto fáza prebieha iba za prítomnosti svetla v tylakoidných membránach za účasti chlorofylu, proteínov nosičov elektrónov a enzýmu ATP syntetázy. Pôsobením svetelného kvanta sa elektróny chlorofylu excitujú, opúšťajú molekulu a vstupujú na vonkajšiu stranu tylakoidnej membrány, ktorá sa nakoniec nabije negatívne. Oxidované molekuly chlorofylu sa obnovujú odoberaním elektrónov z vody nachádzajúcej sa v intratylakoidnom priestore. To vedie k rozkladu alebo fotolýze vody:

H20 + Q svetlo → H + + OH -.

Hydroxylové ióny darujú svoje elektróny a menia sa na reaktívne radikály. OH:

OH - → .OH + e-.

Radicals.OH sa spájajú za vzniku vody a voľného kyslíka:

4NO. → 2H20 + 02.

V tomto prípade je kyslík odstránený do vonkajšieho prostredia a protóny sa hromadia vo vnútri tylakoidu v "zásobníku protónov". Výsledkom je, že tylakoidná membrána je na jednej strane kladne nabitá v dôsledku H +, na druhej strane záporne v dôsledku elektrónov. Keď potenciálny rozdiel medzi vonkajšou a vnútornou stranou tylakoidnej membrány dosiahne 200 mV, protóny sa pretlačia cez kanály ATP syntetázy a ADP sa fosforyluje na ATP; atómový vodík sa používa na obnovenie špecifického nosiča NADP + (nikotínamid adenín dinukleotid fosfát) na NADP H2:

2H++ 2e - + NADP → NADP H 2.

K fotolýze vody teda dochádza vo fáze svetla, ktorá je sprevádzaná tromi hlavnými procesmi: 1) syntéza ATP; 2) tvorba NADP.H2; 3) tvorba kyslíka. Kyslík difunduje do atmosféry, ATP a NADP·H 2 sú transportované do strómy chloroplastu a podieľajú sa na procesoch tmavej fázy.

1 - stróma chloroplastu; 2 - grana tylakoid.

tmavá fáza

Táto fáza prebieha v stróme chloroplastu. Jeho reakcie nevyžadujú energiu svetla, preto sa vyskytujú nielen vo svetle, ale aj v tme. Reakcie tmavej fázy sú reťazcom postupných premien oxidu uhličitého (pochádza zo vzduchu), čo vedie k tvorbe glukózy a iných organických látok.

Prvou reakciou v tomto reťazci je fixácia oxidu uhličitého; akceptor oxidu uhličitého je päťuhlíkový cukor ribulóza bisfosfát(RiBF); enzým katalyzuje reakciu ribulózabisfosfátkarboxyláza(RiBP-karboxyláza). V dôsledku karboxylácie ribulózabisfosfátu vzniká nestabilná šesťuhlíková zlúčenina, ktorá sa okamžite rozkladá na dve molekuly kyselina fosfoglycerová(FGK). Potom nastáva cyklus reakcií, v ktorých sa prostredníctvom série medziproduktov kyselina fosfoglycerová premieňa na glukózu. Tieto reakcie využívajú energie ATP a NADP·H 2 vytvorené vo fáze svetla; Cyklus týchto reakcií sa nazýva Calvinov cyklus:

6C02 + 24H + + ATP -> C6H1206 + 6H20.

Okrem glukózy vznikajú pri fotosyntéze aj ďalšie monoméry komplexných organických zlúčenín – aminokyseliny, glycerol a mastné kyseliny, nukleotidy. V súčasnosti existujú dva typy fotosyntézy: C 3 - a C 4 - fotosyntéza.

C3 -fotosyntéza

Ide o typ fotosyntézy, pri ktorej sú trojuhlíkové (C3) zlúčeniny prvým produktom. C 3 -fotosyntéza bola objavená pred C 4 -fotosyntézou (M. Calvin). Je to C3-fotosyntéza, ktorá je opísaná vyššie, pod nadpisom "Fáza tmy". Charakteristika C 3 -fotosyntéza: 1) RiBP je akceptor oxidu uhličitého, 2) RiBP karboxyláza katalyzuje karboxylačnú reakciu RiBP, 3) v dôsledku karboxylácie RiBP vzniká šesťuhlíková zlúčenina, ktorá sa rozkladá na dva FHA. FHA sa obnoví na fosforečnany triózy(TF). Časť TF sa využíva na regeneráciu RiBP, časť sa premieňa na glukózu.

1 - chloroplast; 2 - peroxizóm; 3 - mitochondrie.

Ide o príjem kyslíka závislý od svetla a uvoľňovanie oxidu uhličitého. Ešte na začiatku minulého storočia sa zistilo, že kyslík brzdí fotosyntézu. Ako sa ukázalo, substrátom pre karboxylázu RiBP môže byť nielen oxid uhličitý, ale aj kyslík:

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

Enzým sa nazýva RiBP-oxygenáza. Kyslík je kompetitívny inhibítor fixácie oxidu uhličitého. Fosfátová skupina sa odštiepi a z fosfoglykolátu sa stane glykolát, ktorý musí rastlina využiť. Vstupuje do peroxizómov, kde sa oxiduje na glycín. Glycín vstupuje do mitochondrií, kde sa oxiduje na serín, pričom dochádza k strate už fixovaného uhlíka vo forme CO2. Výsledkom je, že dve molekuly glykolátu (2C + 2C) sa premenia na jeden FHA (3C) a CO2. Fotorespirácia vedie k zníženiu úrody C 3 -rastlín o 30-40 % ( C3 -rastliny- rastliny, ktoré sa vyznačujú C 3 -fotosyntézou).

C 4 -fotosyntéza - fotosyntéza, pri ktorej prvým produktom sú štvoruhlíkové (C 4) zlúčeniny. V roku 1965 sa zistilo, že v niektorých rastlinách (cukrová trstina, kukurica, cirok, proso) sú prvými produktmi fotosyntézy štvoruhlíkové kyseliny. Takéto rastliny sa nazývajú So 4 rastlinami. V roku 1966 austrálski vedci Hatch a Slack ukázali, že rastliny C 4 nemajú prakticky žiadnu fotorespiráciu a oveľa efektívnejšie absorbujú oxid uhličitý. Cesta uhlíkových premien v C 4 rastlinách sa začala nazývať od Hatch-Slack.

Rastliny C 4 sa vyznačujú špeciálnou anatomickou stavbou listu. Všetky vodivé zväzky sú obklopené dvojitou vrstvou buniek: vonkajšia sú mezofylové bunky, vnútorná sú výstelkové bunky. Oxid uhličitý je fixovaný v cytoplazme mezofylových buniek, akceptor je fosfoenolpyruvát(PEP, 3C), ako výsledok karboxylácie PEP, vzniká oxalacetát (4C). Proces je katalyzovaný PEP karboxyláza. Na rozdiel od RiBP karboxylázy má PEP karboxyláza vysokú afinitu k CO 2 a čo je najdôležitejšie, neinteraguje s O 2 . V mezofylových chloroplastoch je veľa zŕn, kde aktívne prebiehajú reakcie svetelnej fázy. V chloroplastoch buniek puzdra prebiehajú reakcie tmavej fázy.

Oxalacetát (4C) sa premieňa na malát, ktorý je transportovaný cez plazmodesmata do výstelkových buniek. Tu sa dekarboxyluje a dehydratuje za vzniku pyruvátu, C02 a NADP·H2.

Pyruvát sa vracia do mezofylových buniek a regeneruje sa na úkor energie ATP v PEP. C02 je opäť fixovaný RiBP karboxylázou s tvorbou FHA. Regenerácia PEP vyžaduje energiu ATP, takže je potrebných takmer dvakrát toľko energie ako pri fotosyntéze C 3 .

Význam fotosyntézy

Vďaka fotosyntéze sa každoročne absorbujú z atmosféry miliardy ton oxidu uhličitého, uvoľňujú sa miliardy ton kyslíka; fotosyntéza je hlavným zdrojom tvorby organických látok. Ozónová vrstva je tvorená kyslíkom, ktorý chráni živé organizmy pred krátkovlnným ultrafialovým žiarením.

Počas fotosyntézy využíva zelený list len ​​asi 1 % slnečnej energie, ktorá naň dopadá, produktivita je asi 1 g organickej hmoty na 1 m 2 povrchu za hodinu.

Chemosyntéza

Syntéza organických zlúčenín z oxidu uhličitého a vody, uskutočňovaná nie na úkor svetelnej energie, ale na úkor oxidačnej energie anorganických látok, sa nazýva chemosyntéza. Chemosyntetické organizmy zahŕňajú niektoré typy baktérií.

Nitrifikačné baktérie oxidujú amoniak na dusný a potom na kyselinu dusičnú (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

železné baktérie premeniť železité železo na oxid (Fe 2+ → Fe 3+).

Sírne baktérie oxidujú sírovodík na síru alebo kyselinu sírovú (H 2 S + ½ O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

V dôsledku oxidačných reakcií anorganických látok sa uvoľňuje energia, ktorú ukladajú baktérie vo forme vysokoenergetických väzieb ATP. ATP sa používa na syntézu organických látok, ktorá prebieha podobne ako reakcie tmavej fázy fotosyntézy.

Chemosyntetické baktérie prispievajú k hromadeniu minerálov v pôde, zlepšujú úrodnosť pôdy, podporujú čistenie odpadových vôd atď.

    Ísť do prednášky №11„Koncept metabolizmu. Biosyntéza bielkovín"

    Ísť do prednášky №13"Metódy delenia eukaryotických buniek: mitóza, meióza, amitóza"

Fotosyntéza- syntéza organických zlúčenín z anorganických vďaka svetelnej energii (vv). Celková rovnica fotosyntézy je:

6CO2 + 6H20 → C6H1206 + 602

Fotosyntéza prebieha za účasti fotosyntetických pigmentov, ktoré majú jedinečnú vlastnosť premeny energie slnečné svetlo na energiu chemickej väzby vo forme ATP. Fotosyntetické pigmenty sú látky podobné bielkovinám. Najdôležitejším z nich je pigment chlorofyl. U eukaryotov sú fotosyntetické pigmenty vložené do vnútornej membrány plastidov, u prokaryotov sú vložené do invaginácií cytoplazmatickej membrány.

Štruktúra chloroplastu je veľmi podobná štruktúre mitochondrií. Vnútorná membrána granatylakoidov obsahuje fotosyntetické pigmenty, ako aj proteíny elektrónového transportného reťazca a molekuly enzýmu ATP syntetázy.

Proces fotosyntézy pozostáva z dvoch fáz: svetla a tmy.

svetelná fáza Fotosyntéza prebieha iba za prítomnosti svetla v membráne tylakoidného grana. V tejto fáze dochádza k absorpcii svetelných kvánt chlorofylom, tvorbe molekuly ATP a fotolýze vody.

Pôsobením svetelného kvanta (hv) chlorofyl stráca elektróny a prechádza do excitovaného stavu:

Chl → Chl + e —

Tieto elektróny sú prenášané nosičmi do vonkajšej, t.j. povrch tylakoidnej membrány smerujúci k matrici, kde sa hromadia.

Zároveň vo vnútri tylakoidov dochádza k fotolýze vody, t.j. jeho rozklad pod vplyvom svetla

2H20 →02 + 4H + + 4e -

Výsledné elektróny sú prenášané nosičmi na molekuly chlorofylu a obnovujú ich: molekuly chlorofylu sa vracajú do stabilného stavu.

Vodíkové protóny, ktoré vznikajú pri fotolýze vody, sa hromadia vo vnútri tylakoidu a vytvárajú H + -zásobník. Výsledkom je, že vnútorný povrch tylakoidnej membrány je nabitý kladne (v dôsledku H+) a vonkajší povrch je nabitý záporne (v dôsledku e-). Keď sa opačne nabité častice hromadia na oboch stranách membrány, potenciálny rozdiel sa zvyšuje. Keď sa dosiahne kritická hodnota rozdielu potenciálov, sila elektrického poľa začne tlačiť protóny cez kanál ATP syntetázy. Energia uvoľnená v tomto prípade sa používa na fosforyláciu molekúl ADP:

ADP + F → ATP

Vznik ATP pri fotosyntéze pod vplyvom svetelnej energie je tzv fotofosforylácia.

Vodíkové ióny, ktoré sa nachádzajú na vonkajšom povrchu tylakoidnej membrány, sa tam stretávajú s elektrónmi a vytvárajú atómový vodík, ktorý sa viaže na molekulu nosiča vodíka NADP (nikotínamid adenín dinukleotid fosfát):

2H+ + 4e - + NADP + → NADP H 2

Počas svetelnej fázy fotosyntézy teda nastávajú tri procesy: tvorba kyslíka v dôsledku rozkladu vody, syntéza ATP, tvorba atómov vodíka vo forme NADP H 2 . Kyslík difunduje do atmosféry, ATP a NADP H 2 sa podieľajú na procesoch tmavej fázy.

tmavá fáza fotosyntéza prebieha v matrici chloroplastov vo svetle aj v tme a je sériou postupných premien CO 2 prichádzajúceho zo vzduchu v Calvinovom cykle. Reakcie tmavej fázy sa uskutočňujú vďaka energii ATP. V Calvinovom cykle sa CO 2 viaže s vodíkom z NADP H 2 za vzniku glukózy.

V procese fotosyntézy sa okrem monosacharidov (glukóza atď.) syntetizujú monoméry iných organických zlúčenín - aminokyseliny, glycerol a mastné kyseliny. Rastliny tak vďaka fotosyntéze poskytujú sebe a všetkému životu na Zemi potrebné organické látky a kyslík.

Porovnávacie charakteristiky fotosyntéza a dýchanie eukaryotov je uvedené v tabuľke:

Porovnávacie charakteristiky fotosyntézy a dýchania eukaryotov
znamenie Fotosyntéza Dych
Reakčná rovnica 6CO 2 + 6H 2 O + Svetelná energia → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 C6H1206 + 6O2 → 6H20 + energia (ATP)
východiskové suroviny oxid uhličitý, voda
reakčné produkty organická hmota, kyslík oxid uhličitý, voda
Význam v kolobehu látok Syntéza organických látok z anorganických Rozklad organických látok na anorganické
Transformácia energie Premena svetelnej energie na energiu chemických väzieb organických látok Premena energie chemických väzieb organických látok na energiu makroergických väzieb ATP
Míľniky Svetlá a tmavá fáza (vrátane Calvinovho cyklu) Neúplná oxidácia (glykolýza) a úplná oxidácia (vrátane Krebsovho cyklu)
Miesto procesu chloroplast Hyaloplazma (neúplná oxidácia) a mitochondrie (úplná oxidácia)

Základné pojmy a kľúčové pojmy: fotosyntéza. Chlorofyl. svetelná fáza. tmavá fáza.

Pamätajte! Čo je výmena plastov?

Myslieť si!

Zelená farba sa pomerne často spomína vo veršoch básnikov. Takže, Bogdan-Igor Anto-nich má riadky: "... poézia kypiaca a múdra, ako zeleň", "... fujavica zelene, oheň zelene",

"...zeleninové rieky stúpajú zelená záplava." Zelená je farba obnovy, symbol mladosti, pokoja, farba prírody.

Prečo sú rastliny zelené?

Aké sú podmienky fotosyntézy?

Fotosyntéza (z gréckeho foto – svetlo, syntéza – kombinácia) je mimoriadne zložitý súbor procesov výmeny plastov. Vedci rozlišujú tri typy fotosyntézy: kyslíkovú (s uvoľňovaním molekulárneho kyslíka v rastlinách a cyanobaktériách), anoxickú (s účasťou bakteriochlorofylu v anaeróbnych podmienkach bez uvoľňovania kyslíka vo fotobaktériách) a bez chlorofylu (s účasťou bakteriorodopsínov v archaea). . V hĺbke 2,4 km sa našli zelené sírne baktérie GSB1, ktoré namiesto slnečného žiarenia využívajú slabé lúče čiernych fajčiarov. Ale, ako napísal K. Swenson v monografii o bunkách: "Primárnym zdrojom energie pre voľne žijúce zvieratá je energia viditeľného svetla."

V živej prírode je najrozšírenejšia kyslíková fotosyntéza, ktorá si vyžaduje svetelnú energiu, oxid uhličitý, vodu, enzýmy a chlorofyl. Svetlo na fotosyntézu je absorbované chlorofylom, voda sa do buniek dostáva cez póry bunkovej steny, oxid uhličitý sa do buniek dostáva difúziou.

Hlavnými fotosyntetickými pigmentmi sú chlorofyly. Chlorofily (z gréckeho chloros - zelený a phylon - list) sú zelené pigmenty rastlín, za účasti ktorých prebieha fotosyntéza. Zelená farba chlorofylu je zariadenie na pohlcovanie modrých a čiastočne červených lúčov. A zelené lúče sa odrážajú od tela rastlín, dopadajú na sietnicu ľudského oka, dráždia čapíky a spôsobujú farebné zrakové vnemy. Preto sú rastliny zelené!

Rastliny majú okrem chlorofylov pomocné karotenoidy, sinice a červené riasy fykobilíny. zelená

a fialové baktérie obsahujú bakteriochlorofyly, ktoré absorbujú modré, fialové a dokonca aj infračervené lúče.

Fotosyntéza sa vyskytuje vo vyšších rastlinách, riasach, cyanobaktériách, niektorých archeách, teda v organizmoch známych ako fotoautotrofy. Fotosyntéza v rastlinách sa uskutočňuje v chloroplastoch, v cyanobaktériách a fotobaktériách - na vnútorných invagináciách membrán s fotopigmentmi.

FOTOSYNTÉZA je teda proces tvorby organických zlúčenín z anorganických pomocou svetelnej energie a za účasti fotosyntetických pigmentov.

Aké sú znaky svetlej a tmavej fázy fotosyntézy?

V procese fotosyntézy sa rozlišujú dve fázy - svetlá a tmavá fáza (obr. 49).

Svetelná fáza fotosyntézy prebieha v grane chloroplastov za účasti svetla. Toto štádium začína od momentu absorpcie svetelných kvánt molekulou chlorofylu. V tomto prípade sa elektróny atómu horčíka v molekule chlorofylu presunú na vyššiu energetickú hladinu a akumulujú potenciálnu energiu. Významná časť excitovaných elektrónov ho prenáša na iné chemické zlúčeniny na tvorbu ATP a redukciu NADP (nikotínamid adenín dinukleotid fosfát). Toto spojenie s takými dlhé meno je univerzálnym biologickým nosičom vodíka v bunke. Vplyvom svetla nastáva proces rozkladu vody – fotolýza. Vznikajú tak elektróny (e“), protóny (H +) a ako vedľajší produkt molekulárny kyslík. H+ vodíkové protóny sa pripojením elektrónov s vysokou energetickou hladinou menia na atómový vodík, ktorý sa používa na redukciu NADP+ na NADP. N. Hlavnými procesmi svetelnej fázy sú teda: 1) fotolýza vody (štiepenie vody pôsobením svetla za vzniku kyslíka); 2) redukcia NADP (adícia atómu vodíka k NADP); 3) fotofosforylácia (tvorba ATP z ADP).

Svetelná fáza je teda súbor procesov, ktoré vďaka svetelnej energii zabezpečujú tvorbu molekulárneho kyslíka, atómového vodíka a ATP.


Tmavá fáza fotosyntézy sa vyskytuje v stróme chloroplastov. Jeho procesy nezávisia od svetla a môžu prebiehať na svetle aj v tme v závislosti od potrieb bunky na glukózu. Základom tmavej fázy je cyklická reakcia nazývaná cyklus fixácie oxidu uhličitého alebo Calvinov cyklus. Tento proces prvýkrát študoval americký biochemik Melvin Calvin (1911 - 1997), laureát nobelová cena v chémii (1961). V tmavej fáze sa glukóza syntetizuje z oxidu uhličitého, vodíka z NADP a energie ATP. Reakcie fixácie CO2 sú katalyzované ribulózabisfosfátkarboxylázou (Rubisco), najbežnejším enzýmom na Zemi.

Tmavá fáza je teda súbor cyklických reakcií, ktoré vďaka chemickej energii ATP zabezpečujú tvorbu glukózy pomocou oxidu uhličitého, ktorý je zdrojom uhlíka, a vody, ktorá je zdrojom vodíka.

Aká je planetárna úloha fotosyntézy?

Význam fotosyntézy pre biosféru nemožno preceňovať. Prostredníctvom tohto procesu sa svetelná energia Slnka premieňa fotoautotrofmi na chemickú energiu uhľohydrátov, ktoré vo všeobecnosti poskytujú primárnu organickú hmotu. Začínajú ním potravinové reťazce, pozdĺž ktorých sa prenáša energia na heterotrofné organizmy. Rastliny slúžia ako potrava bylinožravcom, ktoré cez to prijímajú potrebné živiny. Potom sa bylinožravce stávajú potravou pre predátorov, potrebujú aj energiu, bez ktorej je život nemožný.

Len malá časť energie Slnka je zachytená rastlinami a použitá na fotosyntézu. Energia slnka sa využíva najmä na odparovanie a udržiavanie teplotný režim zemského povrchu. Takže len asi 40 - 50% slnečnej energie preniká do biosféry a len 1 - 2% slnečnej energie sa premení na syntetizovanú organickú hmotu.

Ovplyvňujú zelené rastliny a sinice zloženie plynu atmosféru. Všetok kyslík v modernej atmosfére je produktom fotosyntézy. Tvorba atmosféry úplne zmenila stav zemského povrchu, umožnila vznik aeróbneho dýchania. Neskôr v procese evolúcie, po vytvorení ozónovej vrstvy, sa živé organizmy dostali na pevninu. Okrem toho fotosyntéza zabraňuje hromadeniu CO 2 a chráni planétu pred prehriatím.

Fotosyntéza má teda planetárny význam a zabezpečuje existenciu živej prírody planéty Zem.


AKTIVITA Úloha zápasu

Pomocou tabuľky porovnajte fotosyntézu s aeróbnym dýchaním a urobte záver o vzťahu medzi plastickým a energetickým metabolizmom.

POROVNÁVACIE CHARAKTERISTIKY FOTOSYNTÉZY A AERÓBNEHO DÝCHANIA

Úloha znalostnej aplikácie

Poznať a pomenovať úrovne organizácie procesu fotosyntézy v rastlinách. Vymenujte adaptácie rastlinného organizmu na fotosyntézu na rôznych úrovniach jeho organizácie.

POSTOJ Biológia + literatúra

K. A. Timiryazev (1843 - 1920), jeden z najznámejších výskumníkov fotosyntézy, napísal: „Mikroskopické zelené zrnko chlorofylu je ohniskom, bodom vo svetovom priestore, do ktorého z jedného konca prúdi energia Slnka a všetky prejavy života pochádzajú z toho druhého na zemi. Je to skutočný Prometheus, ktorý ukradol oheň z neba. Ním ukradnutý lúč slnka horí ako v trblietavej priepasti, tak aj v oslnivej iskre elektriny. Slnečný lúč uvádza do pohybu zotrvačník obrovského parného stroja a umelcov štetec a básnikovo pero. Uplatnite svoje vedomosti a dokážte tvrdenie, že lúč Slnka uvádza do pohybu básnikovo pero.

Úlohy na sebaovládanie

1. Čo je to fotosyntéza? 2. Čo je chlorofyl? 3. Čo je svetelná fáza fotosyntéza? 4. Čo je temná fáza fotosyntézy? 5. Čo je primárna organická hmota? 6. Ako fotosyntéza určuje aeróbne dýchanie organizmov?

7. Aké sú podmienky fotosyntézy? 8. Aké sú znaky svetlej a tmavej fázy fotosyntézy? 9. Aká je planetárna úloha fotosyntézy?

10. Aké sú podobnosti a rozdiely medzi fotosyntézou a aeróbnym dýchaním?

Toto je učebnicový materiál.

Ako stručne a jasne vysvetliť taký zložitý proces, akým je fotosyntéza? Rastliny sú jediné živé organizmy, ktoré si dokážu produkovať vlastnú potravu. Ako to robia? Pre rast a príjem všetkých potrebných látok z životné prostredie: oxid uhličitý - zo vzduchu, vody a - z pôdy. Potrebujú tiež energiu zo slnečného žiarenia. Táto energia spúšťa určité chemické reakcie, počas ktorých sa oxid uhličitý a voda premieňajú na glukózu (výživa) a prebieha fotosyntéza. Stručne a zrozumiteľne možno podstatu procesu vysvetliť aj deťom v školskom veku.

"Spolu so svetlom"

Slovo "fotosyntéza" pochádza z dvoch gréckych slov - "foto" a "syntéza", čo je kombinácia, ktorá v preklade znamená "spolu so svetlom". Slnečná energia sa premieňa na chemickú energiu. Chemická rovnica fotosyntézy:

6C02 + 12H20 + svetlo \u003d C6H1206 + 602 + 6H20.

To znamená, že 6 molekúl oxidu uhličitého a dvanásť molekúl vody sa používa (spolu so slnečným žiarením) na výrobu glukózy, výsledkom čoho je šesť molekúl kyslíka a šesť molekúl vody. Ak to predstavíme vo forme slovnej rovnice, dostaneme nasledovné:

Voda + slnko => glukóza + kyslík + voda.

Slnko je veľmi silný zdroj energie. Ľudia sa ho vždy snažia využiť na výrobu elektriny, zatepľovanie domov, ohrev vody a pod. Rastliny „prišli“ na to, ako využiť slnečnú energiu už pred miliónmi rokov, pretože to bolo nevyhnutné pre ich prežitie. Fotosyntéza sa dá stručne a zrozumiteľne vysvetliť takto: rastliny využívajú svetelnú energiu slnka a premieňajú ju na chemickú energiu, výsledkom čoho je cukor (glukóza), ktorého prebytok sa ukladá ako škrob v listoch, koreňoch, stonkách a semená rastliny. Energia slnka sa prenáša na rastliny, ako aj na zvieratá, ktoré tieto rastliny jedia. Keď rastlina potrebuje živiny pre rast a iné životné procesy, tieto zásoby sú veľmi užitočné.

Ako rastliny absorbujú slnečnú energiu?

Keď hovoríme o fotosyntéze stručne a jasne, stojí za to sa dotknúť otázky, ako rastliny dokážu absorbovať slnečnú energiu. Môže za to zvláštna štruktúra listov, ktorej súčasťou sú zelené bunky – chloroplasty, ktoré obsahujú špeciálnu látku zvanú chlorofyl. Je to, ktoré sa pripája k listom zelená farba a je zodpovedný za absorpciu energie slnečného žiarenia.


Prečo je väčšina listov široká a plochá?

Fotosyntéza prebieha v listoch rastlín. Prekvapivý fakt je, že rastliny sú veľmi dobre prispôsobené na zachytávanie slnečného žiarenia a absorbovanie oxidu uhličitého. Vďaka širokému povrchu sa zachytí oveľa viac svetla. Práve z tohto dôvodu sú aj solárne panely, ktoré sa niekedy inštalujú na strechy domov, široké a ploché. Čím väčší povrch, tým lepšia absorpcia.

Čo je ešte dôležité pre rastliny?

Rovnako ako ľudia, aj rastliny potrebujú živiny a živiny, aby zostali zdravé, rástli a dobre fungovali. Cez korene získavajú minerály rozpustené vo vode z pôdy. Ak v pôde chýbajú minerálne živiny, rastlina sa nebude vyvíjať normálne. Farmári často testujú pôdu, aby sa uistili, že má dostatok živín na pestovanie plodín. V opačnom prípade sa uchýlite k použitiu hnojív obsahujúcich základné minerály pre výživu a rast rastlín.

Prečo je fotosyntéza taká dôležitá?

Keď deťom stručne a jasne vysvetlíme fotosyntézu, stojí za to povedať, že tento proces je jednou z najdôležitejších chemických reakcií na svete. Aké sú dôvody pre takéto hlasné vyhlásenie? Po prvé, fotosyntéza živí rastliny, ktoré zase živia všetky ostatné živé veci na planéte vrátane zvierat a ľudí. Po druhé, v dôsledku fotosyntézy sa do atmosféry uvoľňuje kyslík potrebný na dýchanie. Všetky živé veci dýchajú kyslík a vydychujú oxid uhličitý. Našťastie, rastliny robia pravý opak, a preto sú pre ľudí a zvieratá veľmi dôležité, aby dýchali.

Úžasný proces

Ukazuje sa, že rastliny tiež vedia dýchať, ale na rozdiel od ľudí a zvierat absorbujú oxid uhličitý zo vzduchu, nie kyslík. Rastliny tiež pijú. Preto ich treba polievať, inak odumrú. Pomocou koreňového systému sa voda a živiny dopravia do všetkých častí rastlinného tela a cez malé otvory v listoch sa absorbuje oxid uhličitý. Spustite spustenie chemická reakcia je slnečné svetlo. Všetky výsledné produkty látkovej výmeny využívajú rastliny na výživu, do atmosféry sa uvoľňuje kyslík. Takto môžete stručne a jasne vysvetliť, ako prebieha proces fotosyntézy.

Fotosyntéza: svetlé a tmavé fázy fotosyntézy

Uvažovaný proces pozostáva z dvoch hlavných častí. Existujú dve fázy fotosyntézy (popis a tabuľka - nižšie). Prvá sa nazýva svetelná fáza. Vyskytuje sa iba v prítomnosti svetla v tylakoidných membránach za účasti chlorofylu, proteínov nosičov elektrónov a enzýmu ATP syntetázy. Čo ešte skrýva fotosyntéza? Zapáľte sa a nahraďte sa navzájom, keď príde deň a noc (Calvinove cykly). Počas temnej fázy dochádza k produkcii tej istej glukózy, potravy pre rastliny. Tento proces sa tiež nazýva reakcia nezávislá na svetle.

svetelná fáza tmavá fáza

1. Reakcie vyskytujúce sa v chloroplastoch sú možné len za prítomnosti svetla. Tieto reakcie premieňajú svetelnú energiu na chemickú energiu.

2. Chlorofyl a iné pigmenty absorbujú energiu zo slnečného žiarenia. Táto energia sa prenáša do fotosystémov zodpovedných za fotosyntézu.

3. Voda sa využíva na elektróny a vodíkové ióny a podieľa sa aj na tvorbe kyslíka

4. Elektróny a vodíkové ióny sa používajú na vytvorenie ATP (molekuly na ukladanie energie), ktorá je potrebná v ďalšej fáze fotosyntézy

1. Reakcie mimosvetelného cyklu prebiehajú v stróme chloroplastov

2. Oxid uhličitý a energia z ATP sa využívajú vo forme glukózy

Záver

Zo všetkého vyššie uvedeného možno vyvodiť tieto závery:

  • Fotosyntéza je proces, ktorý umožňuje získavať energiu zo slnka.
  • Svetelná energia slnka sa chlorofylom premieňa na chemickú energiu.
  • Chlorofyl dáva rastlinám zelenú farbu.
  • Fotosyntéza prebieha v chloroplastoch listov rastlín.
  • Oxid uhličitý a voda sú nevyhnutné pre fotosyntézu.
  • Oxid uhličitý vstupuje do rastliny cez drobné otvory, prieduchy a cez ne vystupuje kyslík.
  • Voda sa vstrebáva do rastliny cez jej korene.
  • Bez fotosyntézy by na svete nebolo žiadne jedlo.

Presnejšie povedané, oxid uhličitý (CO 2 ) je viazaný v tmavej fáze.

Tento proces je viacstupňový, v prírode existujú dva hlavné spôsoby: C 3 -fotosyntéza a C 4 -fotosyntéza. Latinské písmeno C označuje atóm uhlíka, číslo za ním je počet atómov uhlíka v primárnom organickom produkte temnej fázy fotosyntézy. V prípade C3 dráhy sa teda za primárny produkt považuje trojuhlíková kyselina fosfoglycerová, označovaná ako FHA. V prípade C 4 dráhy je prvou organickou zlúčeninou vo väzbe oxidu uhličitého štvoruhlíková kyselina oxaloctová (oxalacetát).

Fotosyntéza C 3 sa tiež nazýva Calvinov cyklus, podľa vedca, ktorý ju študoval. C 4 -fotosyntéza zahŕňa Calvinov cyklus, nepozostáva však len z neho a nazýva sa Hatch-Slack cyklus. V miernych zemepisných šírkach sú rastliny C 3 bežné, v tropických šírkach - C 4 .

Tmavé reakcie fotosyntézy prebiehajú v stróme chloroplastu.

Calvinov cyklus

Prvou reakciou Calvinovho cyklu je karboxylácia ribulóza-1,5-bisfosfátu (RiBP). Karboxylácia- ide o pridanie molekuly CO 2, výsledkom čoho je vznik karboxylovej skupiny -COOH. RiBP je ribóza (päťuhlíkový cukor), v ktorej sú fosfátové skupiny (tvorené kyselinou fosforečnou) pripojené ku koncovým atómom uhlíka:

Chemický vzorec RiBF

Reakciu katalyzuje enzým ribulóza-1,5-bisfosfát-karboxyláza-oxygenáza ( RubisCO). Dokáže katalyzovať nielen viazanie oxidu uhličitého, ale aj kyslíka, ako naznačuje slovo „oxygenáza“ v jeho názve. Ak RuBisCO katalyzuje reakciu pridávania kyslíka do substrátu, potom temná fáza fotosyntézy už neprebieha po dráhe Calvinovho cyklu, ale po dráhe fotorespirácia, ktorý v zásade škodí rastline.

Katalýza adičnej reakcie C02 na RiBP prebieha v niekoľkých krokoch. V dôsledku toho vzniká nestabilná šesťuhlíková organická zlúčenina, ktorá sa okamžite rozkladá na dve trojuhlíkové molekuly. kyselina fosfoglycerová(FGK).

Chemický vzorec kyseliny fosfoglycerovej

Ďalej sa FGK v niekoľkých enzymatických reakciách, ktoré prebiehajú s výdajom energie ATP a redukčnou silou NADP H2, mení na fosfoglyceraldehyd (PGA), tiež tzv. trióza fosfát.

Menšia časť PHA opúšťa Calvinov cyklus a využíva sa na syntézu zložitejších organických látok, ako je glukóza. Ten zase môže polymerizovať na škrob. Ďalšie látky (aminokyseliny, mastné kyseliny) vznikajú za účasti rôznych východiskových látok. Takéto reakcie sa pozorujú nielen v rastlinných bunkách. Ak teda fotosyntézu považujeme za jedinečný fenomén buniek obsahujúcich chlorofyl, tak tá končí syntézou PHA, a nie glukózy.

Väčšina molekúl PHA zostáva v Calvinovom cykle. Prebieha pri ňom množstvo premien, v dôsledku ktorých sa PHA mení na RiBF. Používa tiež Energia ATP. RiBP sa teda regeneruje, aby naviazal nové molekuly oxidu uhličitého.

Hatch-Slack cyklus

V mnohých rastlinách v horúcich biotopoch je tmavá fáza fotosyntézy o niečo zložitejšia. V priebehu evolúcie vznikla C 4 fotosyntéza ako viac efektívna metóda fixácia oxidu uhličitého, kedy sa zvýšilo množstvo kyslíka v atmosfére a RuBisCO začalo míňať peniaze na neefektívne fotorespirácie.

V rastlinách C4 sú dva typy fotosyntetických buniek. V chloroplastoch listového mezofylu prebieha svetlá fáza fotosyntézy a časť tmavej fázy, a to väzba CO 2 s fosfoenolpyruvát(FEP). V dôsledku toho sa vytvorí štvoruhlíková organická kyselina. Ďalej je táto kyselina transportovaná do chloroplastov buniek lemujúcich vodivý zväzok. Tu sa z neho enzymaticky odštiepi molekula CO 2, ktorá sa následne dostane do Calvinovho cyklu. Trojuhlíková kyselina zostávajúca po dekarboxylácii - pyrohroznový- vracia sa do mezofylových buniek, kde sa opäť mení na FEP.

Hoci Hatch-Slack cyklus je energeticky náročnejší variant temnej fázy fotosyntézy, enzým, ktorý viaže CO 2 a PEP, je účinnejší katalyzátor ako RuBisCO. Navyše nereaguje s kyslíkom. Transport CO2 pomocou organickej kyseliny do hlbších buniek, ku ktorým je sťažený prísun kyslíka, tu vedie k zvýšeniu koncentrácie oxidu uhličitého a RuBisCO sa takmer nevynakladá na väzbu molekulárneho kyslíka.