Le concept de photosynthèse en biologie. Le processus biologique de la photosynthèse et son importance dans la nature

La photosynthèse se produit chez les plantes (principalement dans leurs feuilles) à la lumière. Il s'agit d'un processus dans lequel la substance organique glucose (l'un des types de sucres) est formée à partir de dioxyde de carbone et d'eau. Ensuite, le glucose présent dans les cellules est converti en une substance plus complexe, l’amidon. Le glucose et l'amidon sont des glucides.

Le processus de photosynthèse produit non seulement de la matière organique, mais produit également de l’oxygène comme sous-produit.

Le dioxyde de carbone et l'eau sont des substances inorganiques, tandis que le glucose et l'amidon sont organiques. Par conséquent, on dit souvent que la photosynthèse est le processus de formation de substances organiques à partir de substances inorganiques exposées à la lumière. Seules les plantes, certains eucaryotes unicellulaires et certaines bactéries sont capables de photosynthèse. Un tel processus n'existe pas dans les cellules des animaux et des champignons, elles sont donc obligées d'absorber environnement substances organiques. À cet égard, les plantes sont appelées autotrophes, tandis que les animaux et les champignons sont appelés hétérotrophes.

Le processus de photosynthèse chez les plantes se produit dans les chloroplastes, qui contiennent le pigment vert chlorophylle.

Ainsi, pour que la photosynthèse se produise, il vous faut :

chlorophylle,

gaz carbonique.

Au cours du processus de photosynthèse, les éléments suivants se forment :

matière organique,

oxygène.

Les plantes sont adaptées pour capter la lumière. Pour beaucoup plantes herbacées les feuilles sont rassemblées dans ce qu'on appelle une rosette basale, lorsque les feuilles ne se font pas d'ombre. Les arbres se caractérisent par une mosaïque de feuilles dans laquelle les feuilles poussent de manière à s'ombrer le moins possible. Chez les plantes, les limbes des feuilles peuvent se tourner vers la lumière en raison de la courbure des pétioles des feuilles. Avec tout cela, il existe des plantes qui aiment l'ombre et qui ne peuvent pousser qu'à l'ombre.

L'eau nécessaire à la photosynthèse pénètre dans les feuilles par les racines le long de la tige. Il est donc important que la plante reçoive quantité suffisante humidité. Avec un manque d'eau et quelques minéraux le processus de photosynthèse est inhibé.

Le dioxyde de carbone nécessaire à la photosynthèse est extrait directement de l'air par les feuilles. L'oxygène, produit par la plante lors de la photosynthèse, est au contraire libéré dans l'air. Les échanges gazeux sont facilités par les espaces intercellulaires (espaces entre cellules).

Les substances organiques formées au cours du processus de photosynthèse sont en partie utilisées dans les feuilles elles-mêmes, mais s'écoulent principalement dans tous les autres organes et sont transformées en d'autres substances organiques, utilisées dans le métabolisme énergétique et transformées en nutriments de réserve.

Définition

Photosynthèse- le processus de synthèse de substances organiques à partir de substances inorganiques (eau et dioxyde de carbone) en utilisant l'énergie du soleil.

Les premières expériences sur la photosynthèse ont été réalisées par Joseph Priestley au XVIIIe siècle, lorsqu'il a attiré l'attention sur la « détérioration » de l'air dans un récipient scellé avec une bougie allumée (l'air n'étant plus capable d'entretenir la combustion, des animaux y étaient placés). étouffé) et sa « correction » avec des plantes. Priestley a conclu que les plantes produisent de l'oxygène, nécessaire à la respiration et à la combustion.

Définition

Phototrophes- les organismes qui utilisent la photosynthèse.

La plupart des plantes et certaines bactéries sont photoautotrophes.

pigments photosynthétiques

La photosynthèse ne peut être réalisée qu'à l'aide de certaines substances - pigments.

Pigments photosynthétiques plantes supérieures sont divisés en deux groupes : chlorophylles Et caroténoïdes.

Le rôle de ces pigments est d'absorber la lumière et de convertir son énergie en énergie chimique. Les pigments sont localisés dans les membranes des chloroplastes et les chloroplastes sont généralement disposés dans la cellule de manière à ce que leurs membranes soient perpendiculaires à la source de lumière, ce qui garantit une absorption maximale de la lumière.

Les données sur la présence de chlorophylle d dans les algues rouges ne sont actuellement pas confirmées - apparemment, lors des expériences, les échantillons ont été contaminés par des cyanobactéries, dans lesquelles ce type de chlorophylle est réellement présent. Cependant, dans de nombreuses sources, vous pouvez toujours trouver des informations sur la présence de chlorophylle D dans les algues rouges.

Chez les plantes, la photosynthèse implique le pigment chlorophylle, contenu dans les chloroplastes des membranes. thylakoïdes. La chlorophylle donne aux chloroplastes et à la plante entière leur couleur verte.

En termes de structure chimique, la chlorophylle ressemble à l’hémoglobine, une protéine du sang. Elle possède le même cycle porphyrine, seule l'hémoglobine possède un atome de fer au centre de cet cycle, tandis que la chlorophylle possède un atome de fer. magnésium. L'anneau porphyrine est une plaque presque plate, à partir de laquelle s'étendent deux chaînes organiques, dont l'une est très longue, s'étend en biais et, avec son aide, la chlorophylle est attachée aux membranes.

Une propriété unique de la chlorophylle : elle peut absorber l’énergie du soleil et la transformer en un état excité.

Les chlorophylles absorbent principalement la lumière rouge et bleu-violet. Ils réfléchissent la lumière verte et confèrent donc aux plantes une couleur verte caractéristique, à moins qu'elle ne soit masquée par d'autres pigments. Il existe plusieurs formes de ce pigment, qui diffèrent par leur localisation dans la membrane. Chaque forme diffère légèrement des autres par la position du maximum d'absorption dans la région rouge ; par exemple, ce maximum peut être à 670, 680, 690 ou 700 nm.

Chlorophylle a- le seul pigment présent dans toutes les plantes photosynthétiques et qui joue un rôle central dans la photosynthèse.

Spectres d'absorption des chlorophylles a et b et spectre des caroténoïdes.

Caroténoïdes- des pigments jaunes, rouges et oranges. Ils donnent de la couleur aux fleurs et aux fruits des plantes. Les caroténoïdes sont constamment présents dans les feuilles, mais sont invisibles en raison de la présence de chlorophylle. Mais à l’automne, lorsque la chlorophylle est détruite, les caroténoïdes deviennent bien visibles. Ce sont eux qui donnent aux feuilles leurs couleurs jaunes et rouges.

Fonctions des caroténoïdes :

absorber lumière du soleil(en particulier dans la partie de longueur d'onde courte - bleu-violet - du spectre) et l'énergie absorbée est transférée à la chlorophylle ;

protéger la chlorophylle de l’excès de lumière et de l’oxydation par l’oxygène libéré lors de la photosynthèse.

Pigments bactériens

Chez les bactéries, les pigments photosynthétiques sont la bactériochlorophylle, les phycobilines et les caroténoïdes.

Phycobilines- des pigments rouges et bleus (utiliser la partie verte du spectre solaire) présents dans les cyanobactéries et certaines algues. Les phycobilines sont représentées par des pigments phycocyanine, phycoérythrine(phycocyanine oxydée) et allophycocyanine.

Les algues rouges contiennent principalement de la phycoérythrine, tandis que les cyanobactéries contiennent de la phycocyanine.

Contrairement aux chlorophylles et aux caroténoïdes situés dans les membranes, les phycobilines sont concentrées dans des granules spéciaux ( phycobilisomes), étroitement associée aux membranes thylakoïdes. Les phycobilines forment des composés forts avec les protéines (protéines phycobilines). La connexion entre les phycobilines et les protéines n'est détruite que par l'acide. On suppose que les groupes carboxyle du pigment se lient aux groupes amino de la protéine.

Les phycobilines absorbent les rayons dans les parties vertes et jaunes du spectre solaire. C’est la partie du spectre située entre les deux principales raies d’absorption de la chlorophylle.

Une comparaison des spectres d'absorption des phycobilines avec la composition spectrale de la lumière dans laquelle se produit la photosynthèse chez les cyanobactéries et les algues rouges montre qu'ils sont très proches. Cela suggère que les phycobilines absorbent l'énergie lumineuse et, comme les caroténoïdes, la transfèrent à la molécule de chlorophylle, après quoi elle est utilisée dans le processus de photosynthèse.

La présence de phycobilines dans les algues est un exemple d'adaptation évolutive à l'utilisation de zones du spectre solaire qui pénètrent à travers l'épaisseur eau de mer(adaptation chromatique). Comme on le sait, les rayons rouges, correspondant à la principale raie d’absorption de la chlorophylle, sont absorbés lors de leur passage dans la colonne d’eau. Les rayons verts pénètrent le plus profondément et ne sont pas absorbés par la chlorophylle, mais par les phycobilines.

Au début des années 1970. Un autre pigment photosynthétique a été découvert dans les archées halophiles (vivant dans l'eau salée) - bactériorhodopsine.

photosynthèse

Le processus de photosynthèse comprend 2 phases :

phase lumineuse :

dans la lumière;

sur les membranes thylakoïdes ;

phase sombre :

dans la lumière et dans l'obscurité ;

dans le stroma du chloroplaste.

Phase lumineuse de la photosynthèse

Les chloroplastes contiennent de nombreuses molécules de chlorophylle. Le processus lui-même se produit dans environ 1 % des molécules de chlorophylle. D'autres molécules de chlorophylle, de caroténoïdes et d'autres substances forment des complexes spéciaux d'antennes et de collecte de lumière (LHC). Comme les antennes, ils absorbent les quanta de lumière et transmettent l'excitation à des centres de réaction spéciaux. Ces centres sont situés dans des photosystèmes, parmi lesquels les plantes en possèdent deux : photosystème II Et photosystème I. Ils contiennent des molécules spéciales de chlorophylle : respectivement, dans le photosystème II - P680 et dans le photosystème I - P700. Ils absorbent exactement la lumière de cette longueur d’onde (680 et 700 nm).

Les molécules de chlorophylle de deux photosystèmes absorbent un quantum de lumière. Un électron de chacun d’eux se déplace vers un niveau d’énergie plus élevé (excité).

Les électrons excités ont une énergie très élevée. Ils se détachent et entrent dans une chaîne spéciale de transporteurs dans les membranes thylakoïdes - les molécules NADP +, les convertissant en NADP réduit. Ainsi, l’énergie lumineuse est convertie en énergie du porteur réduit.

Dans les molécules de chlorophylle, à la place des électrons après leur élimination, des « trous » chargés positivement se forment.

Le photosystème I reconstitue la perte d'électrons via le système de transport d'électrons du photosystème II.

Le photosystème II prend un électron de l'eau ( photolyse de l'eau), et des ions hydrogène se forment.

Photolyse de l'eau- le processus de dégradation de l'eau sous l'influence du soleil.

Un sous-produit de la dégradation de l’eau est l’oxygène, qui est libéré dans l’atmosphère.

Les $Н^+$ formés lors de la photolyse de l'eau sont transférés vers la cavité thylakoïde.

Un large excès d'ions hydrogène s'accumule dans la cavité thylakoïde, ce qui conduit à la création d'un fort gradient de concentration de ces ions sur la membrane thylakoïde.

Il est utilisé par l'enzyme ATP synthétase pour synthétiser l'ATP à partir de l'ADP et du phosphate.

Les ions hydrogène $H^+$ sont transférés à travers la membrane par le transporteur réduit de NADP (nicotinamide adénine dinucléotide phosphate) avec formation de NADP*H.

Ainsi, l’énergie lumineuse est stockée dans la phase lumineuse de la photosynthèse sous la forme de deux types de molécules : le transporteur réduit NADP*H et le composé à haute énergie ATP. L'oxygène libéré au cours de ce processus est un sous-produit du point de vue de la photosynthèse.

Le rôle de la phase lumineuse :

transfert de protons d'hydrogène à travers le système porteur avec formation d'énergie ATP ;

formation de NADP*H ;

libération d'oxygène moléculaire dans l'atmosphère.

Phase sombre de la photosynthèse

Pour la phase sombre de la photosynthèse, les composants requis sont l'ATP et le NADP*H (de la phase claire), le dioxyde de carbone (de l'atmosphère) et l'eau. Se produit dans le stroma du chloroplaste.

Dans la phase sombre, avec la participation de l'ATP et du NADP*H, $CO_2$ est réduit en glucose ($C_6H_(12)O_6$).

Bien que la lumière ne soit pas nécessaire à ce processus, elle participe à sa régulation.

La plante absorbe constamment le dioxyde de carbone de l'atmosphère. À cette fin, il existe des structures spéciales à la surface de la feuille - les stomates. Lorsqu'ils s'ouvrent, $CO_2$ pénètre dans la feuille, se dissout dans l'eau et est réduit en glucose à l'aide du NADP et de l'ATP.

L'excès de glucose est stocké sous formeamidon. C'est sous la forme de ces substances organiques que la plante accumule de l'énergie. Seule une petite partie d'entre eux reste dans la feuille et est utilisée pour ses besoins. Le reste des glucides passe par tubes tamis phloème dans toute la plante et va exactement là où l'énergie est le plus nécessaire, comme les points de croissance.

Cycle de Calvin

La première réaction, qui se produit sans utilisation d'énergie, est l'ajout de $CO_2$ au pentose, activé par deux résidus d'acide phosphorique - le bisphosphate de ribulose.

Le composé faible à six carbones qui en résulte se décompose pour former deux molécules d’acide phosphoglycérique.

L'acide phosphoglycérique est réduit par le NADP*H en phosphoglycéraldéhyde, consommant une molécule d'ATP.

Deux molécules de phosphoglycéraldéhyde, à la suite de réactions inverses de la glycolyse, sont converties en une molécule de glucose.

L'autre partie du phosphoglycéraldéhyde, suite à une série de transformations, donne la quantité initiale de ribulose bisphosphate.

Ainsi, un processus cyclique de transformation des substances se produit ; chaque révolution d'un tel cycle implique 6 molécules $CO_2$ et une molécule de glucose est formée. Ce cycle porte le nom de son découvreur Cycle de Calvin (cycle réducteur du pentose phosphate).

Photosynthèse C3 et C4

Pendant la phase sombre, la plupart des plantes réagissent Cycle de Calvin deux molécules d'un composé à trois carbones (acide 3-phosphoglycérique) se forment, et à partir d'elles du glucose. La formation d'une molécule de glucose nécessite 6 révolutions de cycle, 6 $CO_2$, 12 NADP*H et 18 ATP.

Ce type de photosynthèse est appelé Photosynthèse C3.

Photosynthèse C4 plus efficace sous les tropiques, où climat chaud nécessite de garder les stomates fermés, ce qui empêche l'entrée de $CO_2$ dans la feuille. En conséquence, certaines réactions ne se produisent pas dans le mésophylle de la feuille, mais dans les cellules de la muqueuse du faisceau vasculaire.

Il faut non pas 18, mais 30 ATP pour synthétiser 1 molécule de glucose.

La photosynthèse C4 est utilisée par environ 7600 espèces de plantes, toutes à fleurs : de nombreuses céréales (61 % des espèces, dont cultivées - maïs, canne à sucre et sorgho), dianthus, chénopode, amaranthacées, certaines carex, astéracées, crucifères. et euphorbe.

À Photosynthèse CAM(Anglais) Métabolisme acide des Crassulacées- métabolisme acide des Crassulaceae) il y a une séparation de l'accumulation de $C0_2$ et du cycle de Calvin non pas dans l'espace, comme en C4, mais dans le temps. La nuit, le malate s'accumule dans les vacuoles des cellules, selon un mécanisme similaire à celui décrit ci-dessus, à stomates ouverts ; le jour, à stomates fermés, se produit le cycle de Calvin. Ce mécanisme permet d'économiser autant d'eau que possible, mais son efficacité est inférieure à celle du C4 et du C3. Il est justifié chez les personnes tolérantes au stress stratégie de vie(dans des conditions fortement changeantes).

L’équation globale de la photosynthèse est la suivante :

6CO 2 + 6H 2 O+ énergie lumineuse → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

Le sens de la photosynthèse

La photosynthèse est la principale source de matière organique sur Terre, c'est-à-dire qu'elle fournit de la matière et de l'énergie aux organismes vivants.

Il sert de source d'oxygène, qui constitue 20 % de l'atmosphère terrestre. Tout l’oxygène atmosphérique est produit par la photosynthèse. Avant l'apparition des organismes réalisant la photosynthèse et libérant de l'oxygène (il y a environ 3 milliards d'années), l'atmosphère terrestre ne contenait pas ce gaz.

chimiosynthèse

Définition

Chimiosynthèse- une méthode de nutrition autotrophe dans laquelle la source d'énergie pour la synthèse de substances organiques est l'oxydation de composés inorganiques.

Seules certaines bactéries et archées sont classées comme chimiosynthétiques (chimiotrophes).

Le phénomène de chimiosynthèse a été découvert en 1887 par le scientifique russe S. N. Vinogradsky.

Le processus de chimiosynthèse, dans lequel la matière organique est formée à partir de $CO_2$, se déroule de la même manière que la phase sombre de la photosynthèse, seul l'ATP est utilisé, qui n'est pas obtenu à partir de énergie solaire, et de l'énergie liaisons chimiques substance inorganique (lors de l'oxydation du soufre, du fer, de l'ammoniac, etc.).

Grâce à l'activité des bactéries chimiosynthétiques, d'importantes réserves de salpêtre et de minerai de tourbière s'accumulent dans la nature.

bactéries chimiosynthétiques

Bactéries nitrifiantes obtenir de l'énergie pour la synthèse de substances organiques en oxydant l'ammoniac en nitreux puis en acide nitrique :

2$NH_(3)$ + 3$O_2$ → 2$HNO_(2)$ + 2$H_(2)0$ + Q ;
2$HNO_(2)$ + $O_2$ → 2$HNO_(3)$ + Q.

Bactéries soufrées obtenir de l'énergie oxydant le sulfure d'hydrogène en sulfates :

2$H_(2)S$ + $0_2$ → 2$H_(2)0$ + 2S + Q ;
S+ 3$O_2$ + 2$H_(2)O$ → 2$H_(2)SO_(4)$ + Q.

Bactéries hydrogène obtenir de l'énergie en oxydant l'hydrogène en eau :

2$H_(2)$ + $O_2$ → 2$H_(2)O$ + Q.

Bactéries du fer obtenir de l'énergie en oxydant $Fe^(2+)$ en $Fe^(3+)$ :

4$Fe(HCO_(3))2 + 6$H_(2)O$ + $0_2$ → 4$Fe(OH)_(3)$ + 4$H_(2)CO_(3)$ +4$CO_(2)$ + Q.

Au cours de cette réaction, peu d’énergie est libérée, donc les bactéries ferreuses oxydent une grande quantité de fer ferreux.

L'énergie obtenue dans les réactions d'oxydation des composés inorganiques est convertie en énergie des liaisons macroénergétiques de l'ATP.

Le rôle des chimiosynthétiques

participer au cycle du soufre, de l'azote, du fer, etc. ;

détruire les substances toxiques dans la nature : ammoniac et sulfure d'hydrogène ;

les bactéries nitrifiantes convertissent l'ammoniac en nitrites et nitrates, qui sont absorbés par les plantes ;

les bactéries soufrées sont utilisées pour le traitement des eaux usées.

Chimioorganohétérotrophes

Chimioorganohétérotrophes- les organismes qui utilisent l'énergie obtenue par l'oxydation des substances organiques contenues dans les aliments pendant le processus de respiration pour synthétiser leurs propres substances organiques. Les chimioorganohétérotrophes comprennent les animaux, les champignons et certaines bactéries (par exemple, les bactéries nodulaires fixatrices d'azote).

1. La photosynthèse est-elle un processus de métabolisme plastique ou énergétique ? Pourquoi?

La photosynthèse fait référence aux processus du métabolisme plastique car accompagné par:

● par la synthèse de composés organiques complexes à partir de substances plus simples, à savoir : le glucose (C 6 H 12 O 6) est synthétisé à partir de substances inorganiques (H 2 O et CO 2) ;

● absorption de l'énergie lumineuse.

2. Dans quels organites cellule de plante La photosynthèse a-t-elle lieu ? Qu'est-ce qu'un photosystème ? Quelle fonction remplissent les photosystèmes ?

La photosynthèse se produit dans les plastes verts - les chloroplastes.

Les photosystèmes sont des complexes pigment-protéines spéciaux situés dans les membranes des thylakoïdes chloroplastiques. Il existe deux types de photosystèmes : le photosystème I et le photosystème II. Chacun d’eux comprend une antenne captrice de lumière formée de molécules de pigment, d’un centre de réaction et de porteurs d’électrons.

L'antenne récupératrice de lumière fonctionne comme un entonnoir : les molécules de pigment absorbent la lumière et transfèrent toute l'énergie collectée vers le centre de réaction, où se trouve la molécule piège représentée par la chlorophylle a. Après avoir absorbé l'énergie, la molécule piège passe dans un état excité et donne l'un de ses électrons à un porteur spécial, c'est-à-dire s'oxyde. Ainsi, les photosystèmes remplissent la fonction d'absorber la lumière et de convertir l'énergie lumineuse en énergie chimique.

3. Quelle est l’importance de la photosynthèse sur Terre ? Pourquoi l’existence de la biosphère serait-elle impossible sans organismes phototrophes ?

La photosynthèse est le seul processus sur la planète au cours duquel l'énergie lumineuse du Soleil est convertie en énergie des liaisons chimiques des substances organiques synthétisées. Dans ce cas, les composés de départ pour la synthèse de substances organiques sont des substances inorganiques pauvres en énergie - le dioxyde de carbone et l'eau.

Les composés organiques formés lors de la photosynthèse sont transférés dans le cadre de la nourriture des organismes phototrophes aux herbivores, puis aux carnivores, étant une source d'énergie et un matériau de construction pour la synthèse d'autres substances, pour la formation de nouvelles cellules et structures. Ainsi, grâce à l'activité des phototrophes, les besoins nutritionnels des organismes hétérotrophes sont satisfaits.

De plus, la photosynthèse est une source d’oxygène moléculaire nécessaire à la respiration de la plupart des organismes vivants. De l'oxygène formé et maintenu couche d'ozone, protégeant les organismes vivants de la planète des effets nocifs du rayonnement ultraviolet à ondes courtes. Grâce à la photosynthèse, une teneur relativement constante en CO 2 dans l'atmosphère est maintenue.

4. Caractériser les phases claires et sombres de la photosynthèse selon le plan :

1) emplacement de la fuite ; 2) matières premières ; 3) les processus en cours ; 4) produits finaux.

Quels produits de la phase claire de la photosynthèse sont utilisés dans la phase sombre ?

Phase lumineuse de la photosynthèse.

1) Lieu de fuite : membranes thylakoïdes.

2) Substances de départ : H 2 O, NADP oxydé (NADP +), ADP, H 3 PO 4. Les pigments photosynthétiques (chlorophylles, etc.) sont également nécessaires à l'apparition de la phase lumineuse, mais ils ne peuvent pas être appelés substances initiales de la phase lumineuse.

3) Processus en cours : absorption de la lumière par les photosystèmes, photolyse de l'eau, transport d'électrons vers l'extérieur du thylacoïde et accumulation de protons à l'intérieur du thylacoïde (c'est-à-dire apparition d'un potentiel électrochimique sur la membrane des thylacoïdes), synthèse d'ATP, réduction du NADP+.

4) Produits finaux : ATP, NADP réduit (NADP H+H +), sous-produit - oxygène moléculaire (O 2).

Phase sombre de la photosynthèse.

1) Lieu de fuite : stroma chloroplastique.

2) Substances initiales : CO 2, ATP, NADP réduit (NADP H+H +).

3) Processus en cours : synthèse du glucose (réduction du CO 2 en substances organiques), au cours de laquelle se produisent l'hydrolyse de l'ATP et l'oxydation du NADP H+H +.

4) Produits finaux : glucose (C 6 H 12 O 6), NADP oxydé (NADP +), ADP, H 3 PO 4.

Dans la phase sombre de la photosynthèse, des produits de la phase claire tels que le NADP H+H + (sert de source d'atomes d'hydrogène pour la synthèse du glucose) et l'ATP (sert de source d'énergie pour la synthèse du glucose) sont utilisés.

5. Comparez la photosynthèse et la respiration aérobie. Indiquez les similitudes et les différences.

Similitudes:

● Processus complexes à plusieurs étapes impliquant des enzymes.

● La photosynthèse et l'étape finale (oxygène) de la respiration aérobie se produisent dans les organelles à double membrane (respectivement chloroplastes et mitochondries).

● Les processus redox, qui s'accompagnent du transfert d'électrons le long des chaînes de transport d'électrons des membranes internes des organites correspondants, de l'apparition d'une différence de potentiel sur ces membranes, du travail de l'ATP synthétase et de la synthèse de l'ATP.

Différences:

● Le processus de photosynthèse fait référence au métabolisme plastique car s'accompagne de la synthèse de substances organiques à partir de substances inorganiques et se produit avec l'absorption de l'énergie lumineuse. Le processus de respiration aérobie fait référence au métabolisme énergétique, car les substances organiques complexes sont décomposées et l'énergie qu'elles contiennent est libérée.

● La photosynthèse se produit uniquement dans les cellules des organismes phototrophes et la respiration aérobie se produit dans les cellules de la plupart des organismes vivants (y compris les organismes phototrophes).

● Diverses matières premières et produits finaux. Si nous considérons les équations récapitulatives de la photosynthèse et de la respiration aérobie, nous pouvons voir que les produits de la photosynthèse sont en fait les matières premières de la respiration aérobie et vice versa.

● Le NAD et le FAD servent de porteurs d'atomes d'hydrogène dans le processus de respiration, et le NADP dans la photosynthèse.

Et (ou) d'autres fonctionnalités importantes.

6. Une personne consomme environ 430 g d'oxygène par jour. Un arbre de taille moyenne absorbe environ 30 kg de dioxyde de carbone par an. Combien d’arbres faut-il pour fournir de l’oxygène à une personne ?

● En un an, une personne consomme : 430 g × 365 = 156 950 g d'oxygène.

● Calculons la quantité chimique de dioxyde de carbone absorbée chaque année par un arbre :

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

● Équation récapitulative de la photosynthèse :

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

L'absorption de 6 moles de dioxyde de carbone s'accompagne de la libération de 6 moles d'oxygène. Cela signifie qu'en absorbant 681,8 moles de dioxyde de carbone par an, l'arbre libère 681,8 moles d'oxygène.

● Trouvons la masse d'oxygène libérée par l'arbre par an :

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

● Déterminons combien d'arbres sont nécessaires pour fournir de l'oxygène à une personne. Nombre d'arbres = 156 950 g : 21 817,6 ≈ 7,2 arbres.

Réponse : Pour fournir de l'oxygène à une personne, il faudra en moyenne 7,2 arbres (les réponses acceptables seraient « 8 arbres » ou « 7 arbres »).

7. Les chercheurs ont divisé les plants de blé en deux groupes et les ont cultivés en laboratoire dans les mêmes conditions, sauf que les plantes du premier groupe étaient éclairées par une lumière rouge et les plantes du deuxième groupe étaient éclairées par une lumière verte. Dans quel groupe de plantes la photosynthèse s'est-elle déroulée de manière plus intensive ? A quoi est-ce lié ?

La photosynthèse s'est déroulée plus intensément chez les plantes éclairées par la lumière rouge. Cela est dû au fait que les principaux pigments photosynthétiques - les chlorophylles - absorbent intensément la lumière rouge (ainsi que la partie bleu-violet du spectre) et réfléchissent le vert, qui détermine la couleur verte de ces pigments.

8*. Quelle expérience peut être utilisée pour prouver que l'oxygène libéré lors de la photosynthèse est formé précisément à partir de molécules d'eau, et non de molécules de dioxyde de carbone ou de toute autre substance ?

Si de l'eau marquée avec de l'oxygène radioactif est utilisée pour effectuer la photosynthèse (les molécules contiennent un radionucléide oxygène au lieu du nucléide stable 16 O), alors le marqueur radioactif peut être détecté dans l'oxygène moléculaire libéré. Si vous utilisez une autre substance contenant un radionucléide d’oxygène pour la photosynthèse, l’O2 libéré ne contiendra pas de marqueur radioactif. En particulier, l'oxygène radioactif contenu dans les molécules de dioxyde de carbone absorbées se retrouvera dans les substances organiques synthétisées, mais pas dans la composition de l'O 2.

*Les tâches marquées d'un astérisque demandent à l'étudiant d'émettre diverses hypothèses. Par conséquent, lors de la notation, l'enseignant doit se concentrer non seulement sur la réponse donnée ici, mais aussi prendre en compte chaque hypothèse, en évaluant la pensée biologique des élèves, la logique de leur raisonnement, l'originalité des idées, etc. Après cela, il est conseillé familiariser les élèves avec la réponse donnée.

Photosynthèse est le processus de synthèse de substances organiques à partir de substances inorganiques en utilisant l'énergie lumineuse. Dans la grande majorité des cas, la photosynthèse est réalisée par les plantes à l'aide d'organites cellulaires comme chloroplastes contenant du pigment vert chlorophylle.

Si les plantes n'étaient pas capables de synthétiser la matière organique, presque tous les autres organismes sur Terre n'auraient rien à manger, puisque les animaux, les champignons et de nombreuses bactéries ne peuvent pas synthétiser des substances organiques à partir de substances inorganiques. Ils n'absorbent que les prêts à l'emploi, les divisent en plus simples, à partir desquels ils assemblent à nouveau des complexes, mais déjà caractéristiques de leur corps.

C’est le cas si l’on parle très brièvement de la photosynthèse et de son rôle. Pour comprendre la photosynthèse, il faut en dire plus : quelles substances inorganiques spécifiques sont utilisées, comment se produit la synthèse ?

La photosynthèse nécessite deux substances inorganiques : le dioxyde de carbone (CO 2) et l'eau (H 2 O). Le premier est absorbé depuis l’air par les parties aériennes des plantes, principalement par l’intermédiaire des stomates. L'eau provient du sol, d'où elle est acheminée vers les cellules photosynthétiques par le système conducteur de la plante. De plus, la photosynthèse nécessite l’énergie des photons (hν), mais ceux-ci ne peuvent être attribués à la matière.

Au total, la photosynthèse produit de la matière organique et de l'oxygène (O2). Généralement, la matière organique désigne le plus souvent le glucose (C 6 H 12 O 6).

Composés organiques pour la plupart sont constitués d’atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène. On les trouve dans le dioxyde de carbone et l'eau. Cependant, lors de la photosynthèse, de l'oxygène est libéré. Ses atomes proviennent de l'eau.

En bref et de manière générale, l'équation de la réaction de la photosynthèse s'écrit généralement comme suit :

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Mais cette équation ne reflète pas l’essence de la photosynthèse et ne la rend pas compréhensible. Regardez, bien que l'équation soit équilibrée, le nombre total d'atomes dans l'oxygène libre est de 12. Mais nous avons dit qu'ils viennent de l'eau, et il n'y en a que 6.

En fait, la photosynthèse se déroule en deux phases. Le premier s'appelle lumière, deuxième - sombre. De tels noms sont dus au fait que la lumière n'est nécessaire que pour la phase claire, la phase sombre est indépendante de sa présence, mais cela ne signifie pas qu'elle se produit dans l'obscurité. La phase claire se produit sur les membranes des thylakoïdes du chloroplaste et la phase sombre se produit dans le stroma du chloroplaste.

Pendant la phase lumineuse, la liaison du CO 2 ne se produit pas. Tout ce qui se produit est la capture de l'énergie solaire par des complexes chlorophylliens, son stockage dans l'ATP et l'utilisation de l'énergie pour réduire le NADP en NADP*H 2 . Le flux d'énergie de la chlorophylle excitée par la lumière est assuré par des électrons transmis le long de la chaîne de transport d'électrons des enzymes intégrées aux membranes thylakoïdes.

L’hydrogène du NADP provient de l’eau, qui est décomposée par la lumière du soleil en atomes d’oxygène, en protons d’hydrogène et en électrons. Ce processus est appelé photolyse. L'oxygène de l'eau n'est pas nécessaire à la photosynthèse. Les atomes d'oxygène de deux molécules d'eau se combinent pour former de l'oxygène moléculaire. L’équation de réaction pour la phase légère de la photosynthèse ressemble brièvement à ceci :

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

Ainsi, la libération d'oxygène se produit pendant la phase légère de la photosynthèse. Le nombre de molécules d'ATP synthétisées à partir de l'ADP et de l'acide phosphorique par photolyse d'une molécule d'eau peut être différent : une ou deux.

Ainsi, l'ATP et le NADP*H 2 passent de la phase claire à la phase sombre. Ici, l'énergie du premier et le pouvoir réducteur du second sont dépensés pour lier le dioxyde de carbone. Cette étape de la photosynthèse ne peut pas être expliquée de manière simple et concise car elle ne se déroule pas de telle manière que six molécules de CO 2 se combinent à l'hydrogène libéré par les molécules de NADP*H 2 pour former du glucose :

6CO 2 + 6NADP*H 2 →C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(la réaction se produit avec une dépense d'énergie ATP, qui se décompose en ADP et acide phosphorique).

La réaction donnée n’est qu’une simplification pour la rendre plus facile à comprendre. En fait, les molécules de dioxyde de carbone se lient une à une, rejoignant ainsi la substance organique à cinq carbones déjà préparée. Une substance organique instable à six carbones se forme, qui se décompose en molécules de glucides à trois carbones. Certaines de ces molécules sont utilisées pour resynthétiser la substance originale à cinq carbones afin de lier le CO 2 . Cette resynthèse est assurée Cycle de Calvin. Une minorité de molécules glucidiques contenant trois atomes de carbone sortent du cycle. Toutes les autres substances organiques (glucides, graisses, protéines) sont synthétisées à partir d'elles et d'autres substances.

Autrement dit, ce sont les sucres à trois carbones, et non le glucose, qui sortent de la phase sombre de la photosynthèse.

La photosynthèse est un ensemble de processus permettant de transformer l'énergie lumineuse en énergie de liaisons chimiques de substances organiques avec la participation de colorants photosynthétiques.

Ce type de nutrition est caractéristique des plantes, des procaryotes et de certains types d'eucaryotes unicellulaires.

Lors de la synthèse naturelle, le carbone et l'eau, en interaction avec la lumière, sont transformés en glucose et en oxygène libre :

6CO2 + 6H2O + énergie lumineuse → C6H12O6 + 6O2

La physiologie végétale moderne comprend le concept de photosynthèse comme une fonction photoautotrophe, qui est un ensemble de processus d'absorption, de transformation et d'utilisation des quanta d'énergie lumineuse dans diverses réactions non spontanées, y compris la conversion du dioxyde de carbone en matière organique.

Phases

Photosynthèse chez les plantes se produit dans les feuilles à travers les chloroplastes- des organites semi-autonomes à double membrane appartenant à la classe des plastes. La forme plate des plaques assure une absorption de haute qualité et une utilisation complète de l'énergie lumineuse et du dioxyde de carbone. L’eau nécessaire à la synthèse naturelle provient des racines via les tissus conducteurs d’eau. Les échanges gazeux se font par diffusion à travers les stomates et en partie à travers la cuticule.

Les chloroplastes sont remplis de stroma incolore et pénétrés de lamelles qui, lorsqu'elles sont reliées les unes aux autres, forment des thylakoïdes. C'est en eux que se produit la photosynthèse. Les cyanobactéries elles-mêmes sont des chloroplastes, de sorte que l'appareil de synthèse naturelle qu'elles contiennent n'est pas séparé en un organite distinct.

La photosynthèse se déroule avec la participation de pigments, qui sont généralement des chlorophylles. Certains organismes contiennent un autre pigment, un caroténoïde ou phycobiline. Les procaryotes possèdent le pigment bactériochlorophylle et ces organismes ne libèrent pas d'oxygène une fois la synthèse naturelle terminée.

La photosynthèse passe par deux phases : claire et sombre. Chacun d'eux est caractérisé par certaines réactions et substances en interaction. Examinons de plus près le processus des phases de photosynthèse.

Lumière

Première phase de la photosynthèse caractérisé par la formation de produits à haute teneur énergétique, qui sont l'ATP, la source d'énergie cellulaire, et le NADP, l'agent réducteur. À la fin de l’étape, de l’oxygène est produit comme sous-produit. L'étape lumineuse se produit nécessairement avec la lumière du soleil.

Le processus de photosynthèse se produit dans les membranes thylakoïdes avec la participation de protéines de transport d'électrons, d'ATP synthétase et de chlorophylle (ou autre pigment).

Le fonctionnement des chaînes électrochimiques, à travers lesquelles sont transférés des électrons et partiellement des protons d'hydrogène, se forme dans des complexes complexes formés de pigments et d'enzymes.

Description du processus de la phase légère :

Lorsque la lumière du soleil frappe les limbes des feuilles des organismes végétaux, les électrons de la chlorophylle présents dans la structure des plaques sont excités ;
À l’état actif, les particules quittent la molécule de pigment et atterrissent sur la face externe du thylakoïde, qui est chargé négativement. Cela se produit simultanément à l'oxydation et à la réduction ultérieure des molécules de chlorophylle, qui enlèvent les prochains électrons de l'eau entrant dans les feuilles ;
Ensuite, la photolyse de l'eau se produit avec la formation d'ions qui donnent des électrons et sont convertis en radicaux OH qui peuvent participer à d'autres réactions ;
Ces radicaux se combinent ensuite pour former des molécules d’eau et de l’oxygène libre libérés dans l’atmosphère ;
La membrane thylakoïde acquiert d'un côté une charge positive due à l'ion hydrogène, et de l'autre côté une charge négative due aux électrons ;
Lorsqu'une différence de 200 mV est atteinte entre les côtés de la membrane, les protons traversent l'enzyme ATP synthétase, ce qui conduit à la conversion de l'ADP en ATP (processus de phosphorylation) ;
Avec l'hydrogène atomique libéré de l'eau, le NADP + est réduit en NADP H2 ;

Alors que l'oxygène libre est libéré dans l'atmosphère lors des réactions, l'ATP et le NADP H2 participent à la phase sombre de la synthèse naturelle.

Sombre

Un composant obligatoire pour cette étape est le dioxyde de carbone, que les plantes absorbent constamment environnement externeà travers les stomates des feuilles. Les processus de la phase sombre ont lieu dans le stroma du chloroplaste. Puisqu'à ce stade, beaucoup d'énergie solaire n'est pas nécessaire et qu'il y aura suffisamment d'ATP et de NADP H2 produits pendant la phase lumineuse, des réactions dans les organismes peuvent se produire de jour comme de nuit. Les processus à ce stade se déroulent plus rapidement qu'au précédent.

L'ensemble de tous les processus se produisant dans la phase sombre se présente sous la forme d'une chaîne unique de transformations séquentielles du dioxyde de carbone provenant de l'environnement extérieur :

La première réaction dans une telle chaîne est la fixation du dioxyde de carbone. La présence de l'enzyme RiBP-carboxylase contribue au déroulement rapide et fluide de la réaction, qui aboutit à la formation d'un composé à six carbones qui se décompose en 2 molécules d'acide phosphoglycérique ;
Se produit alors un cycle assez complexe, comprenant un certain nombre de réactions, à l'issue desquelles l'acide phosphoglycérique est transformé en sucre naturel - le glucose. Ce processus est appelé le cycle de Calvin ;

Parallèlement au sucre, il se produit également la formation d'acides gras, d'acides aminés, de glycérol et de nucléotides.

L'essence de la photosynthèse

À partir du tableau comparant les phases claires et sombres de la synthèse naturelle, vous pouvez décrire brièvement l'essence de chacune d'elles. La phase lumineuse se produit dans le grana du chloroplaste avec l'inclusion obligatoire d'énergie lumineuse dans la réaction. Les réactions impliquent des composants tels que les protéines de transfert d'électrons, l'ATP synthétase et la chlorophylle qui, lorsqu'elles interagissent avec l'eau, forment de l'oxygène libre, de l'ATP et du NADP H2. Pour la phase sombre, qui se produit dans le stroma du chloroplaste, la lumière du soleil n’est pas nécessaire. L'ATP et le NADP H2 obtenus à l'étape précédente, lorsqu'ils interagissent avec le dioxyde de carbone, forment du sucre naturel (glucose).

Comme le montre ce qui précède, la photosynthèse semble être un phénomène plutôt complexe et en plusieurs étapes, comprenant de nombreuses réactions impliquant différentes substances. Grâce à la synthèse naturelle, on obtient l'oxygène, nécessaire à la respiration des organismes vivants et à leur protection contre les rayons ultraviolets grâce à la formation de la couche d'ozone.