ფოტოსინთეზის კონცეფცია ბიოლოგიაში. ფოტოსინთეზის ბიოლოგიური პროცესი და მისი მნიშვნელობა ბუნებაში

ფოტოსინთეზი ხდება მცენარეებში (ძირითადად მათ ფოთლებში) შუქზე. ეს არის პროცესი, რომლის დროსაც ორგანული ნივთიერება გლუკოზა (შაქრის ერთ-ერთი სახეობა) წარმოიქმნება ნახშირორჟანგისა და წყლისგან. შემდეგ უჯრედებში გლუკოზა გარდაიქმნება უფრო რთულ ნივთიერებად, სახამებელად. გლუკოზაც და სახამებელიც ნახშირწყლებია.

ფოტოსინთეზის პროცესი არა მხოლოდ წარმოქმნის ორგანულ ნივთიერებებს, არამედ წარმოქმნის ჟანგბადს, როგორც ქვეპროდუქტს.

ნახშირორჟანგი და წყალი არაორგანული ნივთიერებებია, ხოლო გლუკოზა და სახამებელი ორგანული. ამიტომ ხშირად ამბობენ, რომ ფოტოსინთეზი არის სინათლეზე არაორგანული ნივთიერებებისგან ორგანული ნივთიერებების წარმოქმნის პროცესი. მხოლოდ მცენარეებს, ზოგიერთ ერთუჯრედიან ევკარიოტს და ზოგიერთ ბაქტერიას შეუძლიათ ფოტოსინთეზი. ცხოველებისა და სოკოების უჯრედებში ასეთი პროცესი არ არის, ამიტომ ისინი იძულებულნი არიან შთანთქონ გარემოორგანული ნივთიერებები. ამ მხრივ მცენარეებს ავტოტროფებს უწოდებენ, ცხოველებსა და სოკოებს კი ჰეტეროტროფებს.

მცენარეებში ფოტოსინთეზის პროცესი ხდება ქლოროპლასტებში, რომლებიც შეიცავს მწვანე პიგმენტს ქლოროფილს.

ასე რომ, ფოტოსინთეზისთვის საჭიროა:

ქლოროფილი,

ნახშირორჟანგი.

ფოტოსინთეზის პროცესში წარმოიქმნება შემდეგი:

ორგანული ნივთიერებები,

ჟანგბადი.

მცენარეები ადაპტირებულია სინათლის დასაჭერად.ბევრისთვის ბალახოვანი მცენარეებიფოთლებს აგროვებენ ეგრეთ წოდებულ ბაზალურ როზეტში, როცა ფოთლები ერთმანეთს არ ჩრდილავს. ხეებს ახასიათებს ფოთლის მოზაიკა, რომლის დროსაც ფოთლები ისე იზრდება, რომ ერთმანეთს რაც შეიძლება ნაკლებად დაჩრდილონ. მცენარეებში, ფოთლის პირები შეიძლება მობრუნდეს სინათლისკენ, ფოთლის ფოთლის მოხრის გამო. ამ ყველაფერთან ერთად არის ჩრდილების მოყვარული მცენარეები, რომლებიც მხოლოდ ჩრდილში იზრდება.

ფოტოსინთეზისთვის განკუთვნილი წყალი ფოთლებში შედის ღეროს გასწვრივ ფესვებიდან.აქედან გამომდინარე, მნიშვნელოვანია, რომ მცენარე იღებს საკმარისი რაოდენობითტენიანობა. წყლის უკმარისობით და ზოგიერთი მინერალებიფოტოსინთეზის პროცესი შეფერხებულია.

ნახშირორჟანგი ფოტოსინთეზისთვის მიიღება პირდაპირ ჰაერიდან ფოთლებით.ჟანგბადი, რომელსაც მცენარე გამოიმუშავებს ფოტოსინთეზის დროს, პირიქით, ჰაერში გამოიყოფა. გაზის გაცვლას ხელს უწყობს უჯრედშორისი სივრცეები (უჯრედებს შორის სივრცეები).

ფოტოსინთეზის პროცესში წარმოქმნილი ორგანული ნივთიერებები ნაწილობრივ გამოიყენება ფოთლებში, მაგრამ ძირითადად მიედინება ყველა სხვა ორგანოში და გარდაიქმნება სხვა ორგანულ ნივთიერებებად, გამოიყენება ენერგიის მეტაბოლიზმში და გარდაიქმნება სარეზერვო საკვებ ნივთიერებებად.

განმარტება

ფოტოსინთეზი- ორგანული ნივთიერებების სინთეზის პროცესი არაორგანული ნივთიერებებისგან (წყალი და ნახშირორჟანგი) მზის ენერგიის გამოყენებით.

ფოტოსინთეზზე პირველი ექსპერიმენტები ჩაატარა ჯოზეფ პრისტლიმ მე-18 საუკუნეში, როდესაც მან ყურადღება გაამახვილა ჰაერის „გაფუჭებაზე“ დალუქულ ჭურჭელში ანთებული სანთლით (ჰაერს აღარ შეეძლო წვის შენარჩუნება, მასში მოთავსებული ცხოველები. დაახრჩო) და მისი „შესწორება“ მცენარეებით. პრისტლიმ დაასკვნა, რომ მცენარეები აწარმოებენ ჟანგბადს, რომელიც აუცილებელია სუნთქვისა და წვისთვის.

განმარტება

ფოტოტროფები- ორგანიზმები, რომლებიც იყენებენ ფოტოსინთეზს.

მცენარეების უმეტესობა და ზოგიერთი ბაქტერია ფოტოავტოტროფებია.

ფოტოსინთეზური პიგმენტები

ფოტოსინთეზი შეიძლება განხორციელდეს მხოლოდ გარკვეული ნივთიერებების დახმარებით - პიგმენტები.

ფოტოსინთეზური პიგმენტები უმაღლესი მცენარეებიიყოფა ორ ჯგუფად: ქლოროფილებიდა კაროტინოიდები.

ამ პიგმენტების როლი არის სინათლის შთანთქმა და მისი ენერგიის ქიმიურ ენერგიად გადაქცევა. პიგმენტები ლოკალიზებულია ქლოროპლასტების გარსებში, ქლოროპლასტები კი ჩვეულებრივ უჯრედშია მოწყობილი ისე, რომ მათი გარსები სწორი კუთხით იყოს სინათლის წყაროსთან, რაც უზრუნველყოფს სინათლის მაქსიმალურ შთანთქმას.

წითელ წყალმცენარეებში ქლოროფილის d არსებობის შესახებ მონაცემები ამჟამად არ არის დადასტურებული - როგორც ჩანს, ექსპერიმენტებში ნიმუშები დაბინძურებული იყო ციანობაქტერიებით, რომლებშიც რეალურად გვხვდება ამ ტიპის ქლოროფილი. თუმცა, ბევრ წყაროში მაინც შეგიძლიათ იპოვოთ ინფორმაცია წითელ წყალმცენარეებში ქლოროფილის d-ის არსებობის შესახებ.

მცენარეებში ფოტოსინთეზი მოიცავს პიგმენტ ქლოროფილს, რომელიც შეიცავს ქლოროპლასტებს მემბრანებზე. თილაკოიდები. ქლოროფილი აძლევს ქლოროპლასტს და მთელ მცენარეს მათ მწვანე ფერს.

ქიმიური სტრუქტურის მიხედვით, ქლოროფილი წააგავს სისხლის ცილას ჰემოგლობინს. მას აქვს იგივე პორფირინის რგოლი, მხოლოდ ჰემოგლობინს აქვს რკინის ატომი ამ რგოლის ცენტრში, ხოლო ქლოროფილს აქვს რკინის ატომი. მაგნიუმი. პორფირინის რგოლი თითქმის ბრტყელი ფირფიტაა, საიდანაც ორი ორგანული ჯაჭვი ვრცელდება, რომელთაგან ერთი ძალიან გრძელია, კუთხით ვრცელდება და მისი დახმარებით გარსებზე ქლოროფილია მიმაგრებული.

ქლოროფილის უნიკალური თვისება: მას შეუძლია მზის ენერგიის შთანთქმა, აღგზნებულ მდგომარეობაში გადაქცევა.

ქლოროფილები შთანთქავს ძირითადად წითელ და ლურჯ-იისფერ შუქს. ისინი ასახავს მწვანე შუქს და, შესაბამისად, ანიჭებენ მცენარეებს დამახასიათებელ მწვანე ფერს, თუ ის არ არის დაფარული სხვა პიგმენტებით. არსებობს ამ პიგმენტის რამდენიმე ფორმა, რომლებიც განსხვავდება მემბრანაში მდებარეობით. თითოეული ფორმა ოდნავ განსხვავდება სხვებისგან წითელ რეგიონში შთანთქმის მაქსიმალური პოზიციით; მაგალითად, ეს მაქსიმუმი შეიძლება იყოს 670, 680, 690 ან 700 ნმ.

ქლოროფილი ა- ერთადერთი პიგმენტი, რომელიც გვხვდება ყველა ფოტოსინთეზურ მცენარეში და ცენტრალურ როლს ასრულებს ფოტოსინთეზში.

ქლოროფილების a და b შთანთქმის სპექტრები და კაროტინოიდების სპექტრი.

კაროტინოიდები- ყვითელი, წითელი და ნარინჯისფერი პიგმენტები. ისინი ფერს ანიჭებენ მცენარეების ყვავილებსა და ნაყოფებს. კაროტინოიდები მუდმივად გვხვდება ფოთლებში, მაგრამ უხილავია ქლოროფილის არსებობის გამო. მაგრამ შემოდგომაზე, როდესაც ქლოროფილი განადგურებულია, კაროტინოიდები აშკარად ჩანს. ისინი ფოთლებს ყვითელ და წითელ ფერს ანიჭებენ.

კაროტინოიდების ფუნქციები:

შთანთქავს მზის სინათლე(განსაკუთრებით მოკლე ტალღაში - ლურჯი-იისფერი - სპექტრის ნაწილი) და აბსორბირებული ენერგია გადადის ქლოროფილში;

იცავს ქლოროფილს ჭარბი სინათლისაგან და ფოტოსინთეზის დროს გამოთავისუფლებული ჟანგბადის დაჟანგვისგან.

ბაქტერიების პიგმენტები

ბაქტერიებში ფოტოსინთეზური პიგმენტებია ბაქტერიოქლოროფილი, ფიკობილინი და კაროტინოიდები.

ფიკობილინები- წითელი და ლურჯი პიგმენტები (გამოიყენეთ მზის სპექტრის მწვანე ნაწილი) ნაპოვნი ციანობაქტერიებსა და ზოგიერთ წყალმცენარეებში. ფიკობილინები წარმოდგენილია პიგმენტებით ფიკოციანინი, ფიკოერიტრინი(დაჟანგული ფიკოციანინი) და ალოფიკოციანინი.

წითელი წყალმცენარეები ძირითადად შეიცავს ფიკოერიტრინს, ხოლო ციანობაქტერიები შეიცავს ფიკოციანინს.

მემბრანებში მდებარე ქლოროფილებისა და კაროტინოიდებისგან განსხვავებით, ფიკობილინი კონცენტრირებულია სპეციალურ გრანულებში ( ფიკობილიზომები), მჭიდრო კავშირშია თილაკოიდურ მემბრანებთან. ფიკობილინები ქმნიან ძლიერ ნაერთებს ცილებთან (ფიკობილინის ცილები). ფიკობილინებსა და ცილებს შორის კავშირი ანადგურებს მხოლოდ მჟავას. ვარაუდობენ, რომ პიგმენტის კარბოქსილის ჯგუფები უკავშირდებიან ცილის ამინო ჯგუფებს.

ფიკობილინი შთანთქავს სხივებს მზის სპექტრის მწვანე და ყვითელ ნაწილებში. ეს არის სპექტრის ნაწილი, რომელიც მდებარეობს ქლოროფილის ორ მთავარ შთანთქმის ხაზს შორის.

ფიკობილინის შთანთქმის სპექტრების შედარება სინათლის სპექტრულ შემადგენლობასთან, რომელშიც ფოტოსინთეზი ხდება ციანობაქტერიებსა და წითელ წყალმცენარეებში, აჩვენებს, რომ ისინი ძალიან ახლოს არიან. ეს იმაზე მეტყველებს, რომ ფიკობილინი შთანთქავს სინათლის ენერგიას და კაროტინოიდების მსგავსად გადასცემს მას ქლოროფილის მოლეკულაში, რის შემდეგაც იგი გამოიყენება ფოტოსინთეზის პროცესში.

წყალმცენარეებში ფიკობილინის არსებობა არის ევოლუციური ადაპტაციის მაგალითი მზის სპექტრის უბნების გამოყენებასთან, რომლებიც სისქეში აღწევს. ზღვის წყალი(ქრომატული ადაპტაცია). როგორც ცნობილია, წითელი სხივები, რომლებიც შეესაბამება ქლოროფილის ძირითად შთანთქმის ხაზს, შეიწოვება წყლის სვეტში გავლისას. მწვანე სხივები ყველაზე ღრმად აღწევს და შეიწოვება არა ქლოროფილით, არამედ ფიკობილინებით.

1970-იანი წლების დასაწყისში. კიდევ ერთი ფოტოსინთეზური პიგმენტი აღმოაჩინეს ჰალოფილურ (მარილ წყალში მცხოვრებ) არქეებში - ბაქტერიოროდოპსინი.

ფოტოსინთეზი

ფოტოსინთეზის პროცესი მოიცავს 2 ფაზას:

მსუბუქი ფაზა:

სინათლეში;

თილაკოიდურ გარსებზე;

ბნელი ფაზა:

სინათლეში და სიბნელეში;

ქლოროპლასტის სტრომაში.

ფოტოსინთეზის მსუბუქი ფაზა

ქლოროპლასტები შეიცავს უამრავ ქლოროფილის მოლეკულას. პროცესი თავისთავად ხდება ქლოროფილის მოლეკულების დაახლოებით 1%-ში. ქლოროფილის, კაროტინოიდების და სხვა ნივთიერებების სხვა მოლეკულები ქმნიან სპეციალურ ანტენის და სინათლის მოსავლის კომპლექსებს (LHC). ისინი, ანტენების მსგავსად, შთანთქავენ სინათლის კვანტებს და აგზნებას გადასცემენ სპეციალურ რეაქციის ცენტრებს. ეს ცენტრები განლაგებულია ფოტოსისტემებში, რომელთაგან მცენარეებს აქვთ ორი: ფოტოსისტემა IIდა ფოტოსისტემა I. ისინი შეიცავენ სპეციალურ ქლოროფილის მოლეკულებს: შესაბამისად, II ფოტოსისტემაში - P680 და ფოტოსისტემა I-ში - P700. ისინი შთანთქავენ ზუსტად ამ ტალღის სიგრძის (680 და 700 ნმ) სინათლეს.

ორი ფოტოსისტემის ქლოროფილის მოლეკულები შთანთქავს სინათლის კვანტს. თითოეული მათგანის თითო ელექტრონი გადადის უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე (აღელვებს).

აღგზნებულ ელექტრონებს აქვთ ძალიან მაღალი ენერგია. ისინი წყდებიან და შედიან თილაკოიდურ მემბრანებში გადამტანების სპეციალურ ჯაჭვში - NADP + მოლეკულებში, აქცევენ მათ შემცირებულ NADP-ად. ამრიგად, სინათლის ენერგია გარდაიქმნება შემცირებული მატარებლის ენერგიად.

ქლოროფილის მოლეკულებში, ელექტრონების ადგილას მათი მოცილების შემდეგ, იქმნება დადებითი მუხტის მქონე "ხვრელები".

ფოტოსისტემა I ავსებს ელექტრონების დაკარგვას ელექტრონის ტრანსპორტირების სისტემის მეშვეობით II ფოტოსისტემადან.

ფოტოსისტემა II იღებს ელექტრონს წყლიდან ( წყლის ფოტოლიზი), და წარმოიქმნება წყალბადის იონები.

წყლის ფოტოლიზი- წყლის დაშლის პროცესი მზის გავლენის ქვეშ.

წყლის დაშლის გვერდითი პროდუქტია ჟანგბადი, რომელიც გამოიყოფა ატმოსფეროში.

წყლის ფოტოლიზის დროს წარმოქმნილი $Н^+$ გადადის თილაკოიდის ღრუში.

თილაკოიდის ღრუში გროვდება წყალბადის იონების დიდი ჭარბი რაოდენობა, რაც იწვევს თილაკოიდურ მემბრანაზე ამ იონების ციცაბო კონცენტრაციის გრადიენტის შექმნას.

მას იყენებს ფერმენტ ATP სინთეტაზა ATP-ის სინთეზირებისთვის ADP-დან და ფოსფატიდან.

წყალბადის იონები $H^+$ გადაეცემა მემბრანაში შემცირებული NADP გადამყვანით (ნიკოტინამიდ ადენინ დინუკლეოტიდ ფოსფატი) NADP*H-ის წარმოქმნით.

ამრიგად, სინათლის ენერგია ინახება ფოტოსინთეზის მსუბუქ ფაზაში ორი ტიპის მოლეკულის სახით: შემცირებული გადამზიდავი NADP*H და მაღალენერგეტიკული ნაერთი ATP. ამ პროცესის დროს გამოთავისუფლებული ჟანგბადი არის გვერდითი პროდუქტი ფოტოსინთეზის თვალსაზრისით.

სინათლის ფაზის როლი:

წყალბადის პროტონების გადატანა გადამზიდავი სისტემის მეშვეობით ATP ენერგიის წარმოქმნით;

NADP*H-ის ფორმირება;

მოლეკულური ჟანგბადის გათავისუფლება ატმოსფეროში.

ფოტოსინთეზის ბნელი ეტაპი

ფოტოსინთეზის ბნელი ფაზისთვის საჭირო კომპონენტებია ATP და NADP*H (მსუბუქი ფაზიდან), ნახშირორჟანგი (ატმოსფეროდან) და წყალი. გვხვდება ქლოროპლასტის სტრომაში.

ბნელ ფაზაში, ATP და NADP*H მონაწილეობით, $CO_2$ მცირდება გლუკოზამდე ($C_6H_(12)O_6$).

მიუხედავად იმისა, რომ სინათლე არ არის საჭირო ვარჯიშისთვის ეს პროცესი, ის ჩართულია მის რეგულირებაში.

მცენარე მუდმივად შთანთქავს ნახშირორჟანგს ატმოსფეროდან. ამ მიზნით ფოთლის ზედაპირზე არის სპეციალური სტრუქტურები - სტომატები. როდესაც ისინი გაიხსნება, $CO_2$ შედის ფოთოლში, იხსნება წყალში და მცირდება გლუკოზამდე NADP-ისა და ATP-ის დახმარებით.

ჭარბი გლუკოზა ინახება როგორცსახამებელი. სწორედ ამ ორგანული ნივთიერებების სახით აგროვებს მცენარე ენერგიას. მათი მხოლოდ მცირე ნაწილი რჩება ფურცელში და გამოიყენება მისი საჭიროებისთვის. დანარჩენი ნახშირწყლები გადის sieve მილები phloem მთელ მცენარეში და მიდის ზუსტად იქ, სადაც ენერგია ყველაზე მეტად არის საჭირო, როგორიცაა ზრდის წერტილები.

კალვინის ციკლი

პირველი რეაქცია, რომელიც ხდება ენერგიის გამოყენების გარეშე, არის $CO_2$-ის დამატება პენტოზაში, რომელიც გააქტიურებულია ორი ფოსფორმჟავას ნარჩენებით - რიბულოზა ბიფოსფატით.

შედეგად მიღებული სუსტი ექვსნახშირბადის ნაერთი იშლება და წარმოიქმნება ფოსფოგლიცერინის მჟავის ორი მოლეკულა.

ფოსფოგლიცერინის მჟავა NADP*H-ით მცირდება ფოსფოგლიცერალდეჰიდამდე, რაც მოიხმარს ATP მოლეკულას.

ფოსფოგლიცერალდეჰიდის ორი მოლეკულა, გლიკოლიზის საწინააღმდეგო რეაქციების შედეგად, გარდაიქმნება გლუკოზის მოლეკულად.

ფოსფოგლიცერალდეჰიდის მეორე ნაწილი, გარდაქმნების სერიის შედეგად, იძლევა რიბულოზა ბიფოსფატის თავდაპირველ რაოდენობას.

ამრიგად, ხდება ნივთიერებების ტრანსფორმაციის ციკლური პროცესი, ასეთი ციკლის ყოველი რევოლუცია მოიცავს 6 $CO_2$ მოლეკულას და წარმოიქმნება გლუკოზის ერთი მოლეკულა. ამ ციკლს მისი აღმომჩენის სახელი ეწოდა კალვინის ციკლი (რედუქციური პენტოზა ფოსფატის ციკლი).

C3 და C4 ფოტოსინთეზი

ბნელ ფაზაში მცენარეთა უმეტესობა რეაგირებს კალვინის ციკლიწარმოიქმნება სამნახშირბადოვანი ნაერთის (3-ფოსფოგლიცერინის მჟავა) ორი მოლეკულა და მათგან გლუკოზა. ერთი გლუკოზის მოლეკულის ფორმირებისთვის საჭიროა 6 ციკლური რევოლუცია, 6 $CO_2$, 12 NADP*H და 18 ATP.

ამ ტიპის ფოტოსინთეზს ე.წ C3 ფოტოსინთეზი.

C4 ფოტოსინთეზიუფრო ეფექტურია ტროპიკებში, სადაც ცხელი კლიმატიმოითხოვს სტომატის დახურვას, რაც ხელს უშლის $CO_2$-ის შემოსვლას ფოთოლში. შედეგად, ზოგიერთი რეაქცია ხდება არა ფოთლის მეზოფილში, არამედ სისხლძარღვთა შეკვრის გარსის უჯრედებში.

გლუკოზის 1 მოლეკულის სინთეზისთვის საჭიროა არა 18, არამედ 30 ATP.

C4 ფოტოსინთეზს იყენებს დაახლოებით 7600 სახეობის მცენარე, რომელთაგან ყველა აყვავებული მცენარეა: ბევრი მარცვლეული (სახეობათა 61%, მათ შორის კულტივირებული - სიმინდი, შაქრის ლერწამი და სორგო), დიანთუსი, ბატი, ამარანტასი, ზოგიერთი ჯიში, ასტერა, ჯვარცმული. და ეიფორბია.

ზე CAM ფოტოსინთეზი(ინგლისური) Crassulaceae მჟავას მეტაბოლიზმი- Crassulaceae-ის მჟავა მეტაბოლიზმი) ხდება $C0_2$-ის დაგროვების და კალვინის ციკლის გამოყოფა არა სივრცეში, როგორც C4-ში, არამედ დროში. ღამით, მალატი გროვდება უჯრედების ვაკუოლებში, ზემოთ აღწერილი მექანიზმის მიხედვით, დღისით ღია სტომატით, კალვინის ციკლი ხდება. ეს მექანიზმი საშუალებას გაძლევთ დაზოგოთ წყალი მაქსიმალურად, მაგრამ ეფექტურობით ჩამოუვარდება როგორც C4, ასევე C3. იგი გამართლებულია სტრესის ტოლერანტობით ცხოვრების სტრატეგია(მკვეთრად ცვალებად პირობებში).

ფოტოსინთეზის საერთო განტოლება შემდეგია:

6CO 2 + 6H 2 O+ სინათლის ენერგია → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

ფოტოსინთეზის მნიშვნელობა

ფოტოსინთეზი არის ორგანული ნივთიერებების მთავარი წყარო დედამიწაზე, ანუ ის უზრუნველყოფს ცოცხალ ორგანიზმებს მატერიით და ენერგიით.

ის ემსახურება ჟანგბადის წყაროს, რომელიც შეადგენს დედამიწის ატმოსფეროს 20%-ს. მთელი ატმოსფერული ჟანგბადი წარმოიქმნება ფოტოსინთეზის შედეგად. ორგანიზმების გამოჩენამდე, რომლებიც ახორციელებდნენ ფოტოსინთეზს და გამოყოფდნენ ჟანგბადს (დაახლოებით 3 მილიარდი წლის წინ), დედამიწის ატმოსფერო არ შეიცავდა ამ გაზს.

ქიმიოსინთეზი

განმარტება

ქიმიოსინთეზი- ავტოტროფიული კვების მეთოდი, რომელშიც ორგანული ნივთიერებების სინთეზისთვის ენერგიის წყაროა არაორგანული ნაერთების დაჟანგვა.

მხოლოდ ზოგიერთი ბაქტერია და არქეა კლასიფიცირდება როგორც ქიმიოსინთეზი (ქიმიოტროფები).

ქიმიოსინთეზის ფენომენი აღმოაჩინა 1887 წელს რუსმა მეცნიერმა ს.ნ. ვინოგრადსკიმ.

ქიმიოსინთეზის პროცესი, რომელშიც ორგანული ნივთიერებები წარმოიქმნება $CO_2$-დან, მიმდინარეობს ფოტოსინთეზის ბნელი ფაზის მსგავსად, გამოიყენება მხოლოდ ATP, რომელიც არ არის მიღებული. მზის ენერგიადა ენერგიისგან ქიმიური ობლიგაციებიარაორგანული ნივთიერება (გოგირდის, რკინის, ამიაკის და ა.შ. დაჟანგვის დროს).

ქიმიოსინთეზური ბაქტერიების აქტივობის წყალობით ბუნებაში გროვდება მარილისა და ჭაობის მადნის დიდი მარაგი.

ქიმიოსინთეზური ბაქტერიები

ნიტრიფიცირებული ბაქტერიებიმიიღეთ ენერგია ორგანული ნივთიერებების სინთეზისთვის ამიაკის აზოტად და შემდეგ აზოტმჟავამდე დაჟანგვით:

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

გოგირდის ბაქტერიამიიღეთ ენერგია სულფატებად წყალბადის სულფიდის დაჟანგვა:

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.

წყალბადის ბაქტერიაენერგიის მიღება წყალბადის წყალში დაჟანგვით:

2$H_(2)$ + $O_2$ → 2$H_(2)O$ + Q.

რკინის ბაქტერიამიიღეთ ენერგია $Fe^(2+)$$Fe^(3+)$-მდე დაჟანგვით:

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

ამ რეაქციის დროს გამოიყოფა მცირე ენერგია, ამიტომ რკინის ბაქტერიები ჟანგავს დიდი რაოდენობით შავი რკინას.

არაორგანული ნაერთების ჟანგვის რეაქციებში მიღებული ენერგია გარდაიქმნება ატფ-ის მაკროენერგეტიკული ბმების ენერგიად.

ქიმიოსინთეზის როლი

მონაწილეობა გოგირდის, აზოტის, რკინის და ა.შ. ციკლში;

ბუნებაში ტოქსიკური ნივთიერებების განადგურება: ამიაკი და წყალბადის სულფიდი;

ნიტრიფიკაციული ბაქტერიები გარდაქმნის ამიაკს ნიტრიტებად და ნიტრატებად, რომლებიც შეიწოვება მცენარეების მიერ;

გოგირდის ბაქტერიები გამოიყენება ჩამდინარე წყლების გასაწმენდად.

ქიმიოორგანოჰეტეროტროფები

ქიმიოორგანოჰეტეროტროფები- ორგანიზმები, რომლებიც იყენებენ საკვებში ორგანული ნივთიერებების დაჟანგვის შედეგად მიღებულ ენერგიას სუნთქვის პროცესში საკუთარი ორგანული ნივთიერებების სინთეზირებისთვის. ქიმიოორგანოჰეტეროტროფები მოიცავს ცხოველებს, სოკოებს და ზოგიერთ ბაქტერიას (მაგალითად, კვანძების აზოტის დამფიქსირებელი ბაქტერიები).

$

1. ფოტოსინთეზი პლასტიკური თუ ენერგეტიკული ცვლის პროცესია? რატომ?

ფოტოსინთეზი ეხება პლასტიკური მეტაბოლიზმის პროცესებს, რადგან თან ახლავს:

● რთული ორგანული ნაერთების სინთეზი მეტი მარტივი ნივთიერებები, კერძოდ: გლუკოზა (C 6 H 12 O 6) სინთეზირებულია არაორგანული ნივთიერებებისგან (H 2 O და CO 2);

● სინათლის ენერგიის შთანთქმა.

2. რომელ ორგანელებში მცენარეული უჯრედიხდება ფოტოსინთეზი? რა არის ფოტოსისტემა? რა ფუნქციას ასრულებს ფოტოსისტემები?

ფოტოსინთეზი ხდება მწვანე პლასტიდებში - ქლოროპლასტებში.

ფოტოსისტემები არის სპეციალური პიგმენტურ-ცილოვანი კომპლექსები, რომლებიც განლაგებულია ქლოროპლასტის თილაკოიდების გარსებში. არსებობს ორი სახის ფოტოსისტემა - ფოტოსისტემა I და ფოტოსისტემა II. თითოეული მათგანი მოიცავს სინათლის მოსავლის ანტენას, რომელიც წარმოიქმნება პიგმენტის მოლეკულებით, რეაქციის ცენტრით და ელექტრონის მატარებლებით.

სინათლის მომპოვებელი ანტენა ძაბრის მსგავსად ფუნქციონირებს: პიგმენტის მოლეკულები შთანთქავენ სინათლეს და მთელ შეგროვებულ ენერგიას გადასცემენ რეაქციის ცენტრში, სადაც მდებარეობს ქლოროფილით წარმოდგენილი ხაფანგის მოლეკულა. ენერგიის შთანთქმის შემდეგ, ხაფანგის მოლეკულა გადადის აღგზნებულ მდგომარეობაში და თავის ერთ-ერთ ელექტრონს აძლევს სპეციალურ მატარებელს, ე.ი. იჟანგება. ამრიგად, ფოტოსისტემები ასრულებენ სინათლის შთანთქმის და სინათლის ენერგიის ქიმიურ ენერგიად გადაქცევის ფუნქციას.

3. რა მნიშვნელობა აქვს ფოტოსინთეზს დედამიწაზე? რატომ იქნებოდა ბიოსფეროს არსებობა შეუძლებელი ფოტოტროფული ორგანიზმების გარეშე?

ფოტოსინთეზი ერთადერთი პროცესია პლანეტაზე, რომლის დროსაც მზის სინათლის ენერგია გარდაიქმნება სინთეზირებული ორგანული ნივთიერებების ქიმიური ბმების ენერგიად. ამ შემთხვევაში ორგანული ნივთიერებების სინთეზის საწყისი ნაერთებია ენერგიით ღარიბი არაორგანული ნივთიერებები - ნახშირორჟანგი და წყალი.

ფოტოსინთეზის დროს წარმოქმნილი ორგანული ნაერთები საკვების შემადგენლობაში გადადის ფოტოტროფული ორგანიზმებიდან ბალახისმჭამელებში, შემდეგ მტაცებლებში, რაც ენერგიის წყაროა და სამშენებლო მასალასხვა ნივთიერებების სინთეზისთვის, ახალი უჯრედებისა და სტრუქტურების ფორმირებისთვის. შესაბამისად, ფოტოტროფების აქტივობის წყალობით ჰეტეროტროფული ორგანიზმების კვებითი მოთხოვნილებები დაკმაყოფილებულია.

გარდა ამისა, ფოტოსინთეზი არის მოლეკულური ჟანგბადის წყარო, რომელიც აუცილებელია ცოცხალი ორგანიზმების უმეტესობის სუნთქვისთვის. წარმოქმნილი და შენარჩუნებული ჟანგბადისგან ოზონის შრეიცავს პლანეტის ცოცხალ ორგანიზმებს მოკლე ტალღის ულტრაიისფერი გამოსხივების მავნე ზემოქმედებისგან. ფოტოსინთეზის წყალობით ატმოსფეროში CO 2-ის შედარებით მუდმივი შემცველობა შენარჩუნებულია.

4. გეგმის მიხედვით დაახასიათეთ ფოტოსინთეზის ღია და ბნელი ფაზები:

1) გაჟონვის მდებარეობა; 2) საწყისი მასალები; 3) მიმდინარე პროცესები; 4) საბოლოო პროდუქტები.

ფოტოსინთეზის მსუბუქი ფაზის რომელი პროდუქტები გამოიყენება ბნელ ფაზაში?

მსუბუქი ფაზაფოტოსინთეზი.

1) გაჟონვის ადგილი: თილაკოიდური გარსები.

2) საწყისი ნივთიერებები: H 2 O, დაჟანგული NADP (NADP +), ADP, H 3 PO 4. ფოტოსინთეზური პიგმენტები (ქლოროფილები და სხვ.) ასევე აუცილებელია სინათლის ფაზის წარმოქმნისთვის, მაგრამ მათ არ შეიძლება ვუწოდოთ სინათლის ფაზის საწყისი ნივთიერებები.

3) მიმდინარე პროცესები: სინათლის შთანთქმა ფოტოსისტემების მიერ, წყლის ფოტოლიზი, ელექტრონების ტრანსპორტირება თილაკოიდის გარეთ და პროტონების დაგროვება თილაკოიდის შიგნით (ანუ თილაკოიდის მემბრანაზე ელექტროქიმიური პოტენციალის გამოჩენა), ატფ-ის სინთეზი, შემცირება. NADP +.

4) საბოლოო პროდუქტები: ATP, შემცირებული NADP (NADP H+H +), ქვეპროდუქტი - მოლეკულური ჟანგბადი (O 2).

ფოტოსინთეზის ბნელი ეტაპი.

1) გაჟონვის ადგილი: ქლოროპლასტის სტრომა.

2) საწყისი ნივთიერებები: CO 2, ATP, შემცირებული NADP (NADP H+H +).

3) მიმდინარე პროცესები: გლუკოზის სინთეზი (CO 2-ის დაქვეითება ორგანულ ნივთიერებებამდე), რომლის დროსაც ხდება ATP ჰიდროლიზი და NADP H+H + დაჟანგვა.

4) საბოლოო პროდუქტები: გლუკოზა (C 6 H 12 O 6), დაჟანგული NADP (NADP +), ADP, H 3 PO 4.

ფოტოსინთეზის ბნელ ფაზაში გამოიყენება მსუბუქი ფაზის პროდუქტები, როგორიცაა NADP H+H+ (ემსახურება წყალბადის ატომების წყაროს გლუკოზის სინთეზისთვის) და ATP (ენერგიის წყაროს გლუკოზის სინთეზისთვის).

5. შეადარეთ ფოტოსინთეზი და აერობული სუნთქვა. მიუთითეთ მსგავსება და განსხვავებები.

მსგავსება:

● კომპლექსური მრავალსაფეხურიანი პროცესები, რომლებიც მოიცავს ფერმენტებს.

● ფოტოსინთეზი და აერობული სუნთქვის საბოლოო (ჟანგბადის) ეტაპი ხდება ორმემბრანულ ორგანელებში (შესაბამისად ქლოროპლასტები და მიტოქონდრიები).

● რედოქს პროცესები, რომლებსაც თან ახლავს ელექტრონების გადატანა შესაბამისი ორგანელების შიდა მემბრანების ელექტრონების ტრანსპორტირების ჯაჭვების გასწვრივ, ამ მემბრანებზე პოტენციური სხვაობის გამოჩენა, ატფ-სინთეტაზის მუშაობა და ატფ-ის სინთეზი.

განსხვავებები:

● ფოტოსინთეზის პროცესი ეხება პლასტიკურ მეტაბოლიზმს, რადგან თან ახლავს ორგანული ნივთიერებების სინთეზი არაორგანულიდან და ხდება სინათლის ენერგიის შთანთქმით. აერობული სუნთქვის პროცესი ეხება ენერგეტიკულ მეტაბოლიზმს, ვინაიდან რთული ორგანული ნივთიერებები იშლება და მათში არსებული ენერგია გამოიყოფა.

● ფოტოსინთეზი ხდება მხოლოდ ფოტოტროფული ორგანიზმების უჯრედებში, ხოლო აერობული სუნთქვა ხდება ცოცხალი ორგანიზმების უმეტესობის (მათ შორის ფოტოტროფების) უჯრედებში.

● სხვადასხვა საწყისი მასალები და საბოლოო პროდუქტები. თუ გავითვალისწინებთ ფოტოსინთეზისა და აერობული სუნთქვის შემაჯამებელ განტოლებებს, დავინახავთ, რომ ფოტოსინთეზის პროდუქტები რეალურად არის საწყისი მასალა აერობული სუნთქვისთვის და პირიქით.

● NAD და FAD ემსახურებიან წყალბადის ატომების მატარებლებს სუნთქვის პროცესში, ხოლო NADP ფოტოსინთეზში.

და (ან) სხვა მნიშვნელოვანი თვისებები.

6. ადამიანი დღეში დაახლოებით 430 გ ჟანგბადს მოიხმარს. საშუალო ზომის ხე წელიწადში დაახლოებით 30 კგ ნახშირორჟანგს შთანთქავს. რამდენი ხეა საჭირო ერთი ადამიანის ჟანგბადის უზრუნველსაყოფად?

● წელიწადში ადამიანი მოიხმარს: 430 გ × 365 = 156 950 გ ჟანგბადს.

● გამოვთვალოთ ნახშირორჟანგის ქიმიური რაოდენობა, რომელიც შთანთქავს წელიწადში ერთი ხე:

M (CO 2) = 12 + 16 × 2 = 44 გ/მოლი. n (CO 2) = m: M = 30,000 გ: 44 გ/მოლი ≈ 681.8 მოლი.

● ფოტოსინთეზის შემაჯამებელი განტოლება:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

6 მოლი ნახშირორჟანგის შეწოვას თან ახლავს 6 მოლი ჟანგბადის გამოყოფა. ეს ნიშნავს, რომ წელიწადში 681,8 მოლი ნახშირორჟანგი შთანთქავს, ხე გამოყოფს 681,8 მოლ ჟანგბადს.

● ვიპოვოთ ჟანგბადის მასა, რომელიც გამოყოფს ხეს წელიწადში:

M (O 2) = 16 × 2 = 32 გ/მოლი. მ (O 2) = n × M = 681,8 მოლი × 32 გ/მოლი = 21,817,6 გ

● განვსაზღვროთ რამდენი ხეა საჭირო ერთი ადამიანის ჟანგბადით უზრუნველყოფისთვის. ხეების რაოდენობა = 156,950 გ: 21,817,6 ≈ 7,2 ხე.

პასუხი: ერთი ადამიანის ჟანგბადით უზრუნველყოფისთვის, საშუალოდ, 7,2 ხე იქნება საჭირო (მიღებული პასუხები იქნება „8 ხე“ ან „7 ხე“).

7. მკვლევარებმა ხორბლის მცენარეები ორ ჯგუფად დაყვეს და იმავე პირობებში იზრდნენ ლაბორატორიაში, გარდა იმისა, რომ პირველი ჯგუფის მცენარეები წითელი შუქით იყო განათებული, ხოლო მეორე ჯგუფის მცენარეები მწვანე შუქით. მცენარეთა რომელ ჯგუფში მიმდინარეობდა ფოტოსინთეზი უფრო ინტენსიურად? რასთან არის ეს დაკავშირებული?

ფოტოსინთეზი უფრო ინტენსიურად მიმდინარეობდა წითელი შუქით განათებულ მცენარეებში. ეს გამოწვეულია იმით, რომ ძირითადი ფოტოსინთეზური პიგმენტები - ქლოროფილები - ინტენსიურად შთანთქავს წითელ შუქს (ისევე, როგორც სპექტრის ლურჯ-იისფერ ნაწილს) და ასახავს მწვანეს, რაც განსაზღვრავს ამ პიგმენტების მწვანე ფერს.

8*. რა ექსპერიმენტის გამოყენება შეიძლება იმის დასამტკიცებლად, რომ ფოტოსინთეზის დროს გამოთავისუფლებული ჟანგბადი წარმოიქმნება ზუსტად წყლის მოლეკულებისგან და არა ნახშირორჟანგის ან სხვა ნივთიერების მოლეკულებისგან?

თუ ფოტოსინთეზის ჩასატარებლად გამოიყენება რადიოაქტიური ჟანგბადით ეტიკეტირებული წყალი (მოლეკულები შეიცავს ჟანგბადის რადიონუკლიდს სტაბილური ნუკლიდის 16 O-ის ნაცვლად), მაშინ რადიოაქტიური ეტიკეტი შეიძლება გამოვლინდეს გამოთავისუფლებულ მოლეკულურ ჟანგბადში. თუ ფოტოსინთეზისთვის იყენებთ ჟანგბადის რადიონუკლიდის შემცველ ნებისმიერ სხვა ნივთიერებას, გამოთავისუფლებული O2 არ შეიცავს რადიოაქტიურ ეტიკეტს. კერძოდ, შთანთქმული ნახშირორჟანგის მოლეკულებში შემავალი რადიოაქტიური ჟანგბადი გვხვდება სინთეზირებულ ორგანულ ნივთიერებებში, მაგრამ არა O 2-ის შემადგენლობაში.

*ვარსკვლავით მონიშნული ამოცანები მოსწავლეებს მოითხოვს სხვადასხვა ჰიპოთეზის წამოყენებას. ამიტომ მარკირებისას მასწავლებელმა ყურადღება უნდა გაამახვილოს არა მხოლოდ აქ მოცემულ პასუხზე, არამედ გაითვალისწინოს თითოეული ჰიპოთეზა, შეაფასოს მოსწავლეთა ბიოლოგიური აზროვნება, მათი მსჯელობის ლოგიკა, იდეების ორიგინალურობა და ა.შ. ამის შემდეგ მიზანშეწონილია. გააცნოს მოსწავლეებს მოცემული პასუხი.

ფოტოსინთეზიარის ორგანული ნივთიერებების სინთეზის პროცესი არაორგანულიდან სინათლის ენერგიის გამოყენებით. უმეტეს შემთხვევაში, ფოტოსინთეზს მცენარეები ახორციელებენ უჯრედული ორგანელების გამოყენებით, როგორიცაა ქლოროპლასტებიმწვანე პიგმენტის შემცველი ქლოროფილი.

თუ მცენარეებს არ შეეძლოთ ორგანული ნივთიერებების სინთეზირება, მაშინ დედამიწაზე თითქმის ყველა სხვა ორგანიზმს არაფერი ექნებოდა საჭმელი, რადგან ცხოველებს, სოკოებს და ბევრ ბაქტერიას არ შეუძლიათ ორგანული ნივთიერებების სინთეზირება არაორგანულიდან. ისინი მხოლოდ მზას შთანთქავენ, ყოფენ უფრო მარტივებად, საიდანაც ისევ აწყობენ რთულს, მაგრამ უკვე დამახასიათებელს მათი სხეულისთვის.

ეს ის შემთხვევაა, თუ ძალიან მოკლედ ვისაუბრებთ ფოტოსინთეზზე და მის როლზე. ფოტოსინთეზის გასაგებად, მეტი უნდა ვთქვათ: რა კონკრეტული არაორგანული ნივთიერებები გამოიყენება, როგორ ხდება სინთეზი?

ფოტოსინთეზისთვის საჭიროა ორი არაორგანული ნივთიერება - ნახშირორჟანგი (CO 2) და წყალი (H 2 O). პირველი შეიწოვება ჰაერიდან მცენარეთა მიწისზედა ნაწილებით, ძირითადად, სტომატის მეშვეობით. წყალი მოდის ნიადაგიდან, საიდანაც მცენარის გამტარი სისტემით გადაეცემა ფოტოსინთეზურ უჯრედებს. ასევე, ფოტოსინთეზისთვის საჭიროა ფოტონების ენერგია (hν), მაგრამ ისინი არ შეიძლება მიეკუთვნებოდეს მატერიას.

მთლიანობაში, ფოტოსინთეზი წარმოქმნის ორგანულ ნივთიერებებს და ჟანგბადს (O2). როგორც წესი, ორგანული ნივთიერებები ყველაზე ხშირად ნიშნავს გლუკოზას (C 6 H 12 O 6).

ორგანული ნაერთები ძირითადადშედგება ნახშირბადის, წყალბადის და ჟანგბადის ატომებისგან. ისინი გვხვდება ნახშირორჟანგში და წყალში. თუმცა, ფოტოსინთეზის დროს ჟანგბადი გამოიყოფა. მისი ატომები აღებულია წყლისგან.

მოკლედ და ზოგადად, ფოტოსინთეზის რეაქციის განტოლება ჩვეულებრივ იწერება შემდეგნაირად:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

მაგრამ ეს განტოლება არ ასახავს ფოტოსინთეზის არსს და არ ხდის მას გასაგებს. შეხედეთ, თუმცა განტოლება დაბალანსებულია, მასში ატომების ჯამური რაოდენობა თავისუფალ ჟანგბადში არის 12. მაგრამ ჩვენ ვთქვით, რომ ისინი წყლიდან მოდის და მათგან მხოლოდ 6 არის.

სინამდვილეში, ფოტოსინთეზი ხდება ორ ფაზაში. პირველს ე.წ სინათლე, მეორე - ბნელი. ასეთი სახელები განპირობებულია იმით, რომ სინათლე საჭიროა მხოლოდ სინათლის ფაზისთვის, ბნელი ფაზა დამოუკიდებელია მისი არსებობისგან, მაგრამ ეს არ ნიშნავს რომ ის სიბნელეში ჩნდება. სინათლის ფაზა ხდება ქლოროპლასტის თილაკოიდების გარსებზე, ხოლო ბნელი ფაზა ხდება ქლოროპლასტის სტრომაში.

სინათლის ფაზაში CO 2-ის შებოჭვა არ ხდება. მხოლოდ ის ხდება, რომ მზის ენერგია ითვისება ქლოროფილის კომპლექსებით, ინახება ATP-ში და ენერგია გამოიყენება NADP-მდე NADP*H2-მდე დასაყვანად. შუქით აღგზნებული ქლოროფილის ენერგიის ნაკადი უზრუნველყოფილია თილაკოიდურ მემბრანებში ჩაშენებული ფერმენტების ელექტრონული სატრანსპორტო ჯაჭვის გასწვრივ გადაცემული ელექტრონებით.

NADP-ისთვის წყალბადი მოდის წყლიდან, რომელიც მზის შუქით იშლება ჟანგბადის ატომებად, წყალბადის პროტონებად და ელექტრონებად. ამ პროცესს ე.წ ფოტოლიზი. წყლიდან ჟანგბადი არ არის საჭირო ფოტოსინთეზისთვის. ჟანგბადის ატომები ორი წყლის მოლეკულიდან გაერთიანდება და ქმნის მოლეკულურ ჟანგბადს. ფოტოსინთეზის მსუბუქი ფაზის რეაქციის განტოლება მოკლედ ასე გამოიყურება:

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

ამრიგად, ჟანგბადის გამოყოფა ხდება ფოტოსინთეზის სინათლის ფაზაში. ATP მოლეკულების რაოდენობა, რომლებიც სინთეზირებულია ADP-დან და ფოსფორის მჟავიდან ერთი წყლის მოლეკულის ფოტოლიზზე, შეიძლება განსხვავებული იყოს: ერთი ან ორი.

ასე რომ, ATP და NADP*H 2 მოდის სინათლის ფაზიდან ბნელ ფაზაში. აქ პირველის ენერგია და მეორის აღმდგენი ძალა იხარჯება ნახშირორჟანგის შეკავშირებაზე. ფოტოსინთეზის ეს ეტაპი არ შეიძლება აიხსნას მარტივად და მოკლედ, რადგან ის არ მიმდინარეობს ისე, რომ ექვსი CO 2 მოლეკულა გაერთიანდეს NADP*H 2 მოლეკულებისგან გამოთავისუფლებულ წყალბადთან და წარმოქმნას გლუკოზა:

6CO 2 + 6NADP*H 2 →C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(რეაქცია ხდება ენერგიის ATP ხარჯვით, რომელიც იშლება ADP-ად და ფოსფორის მჟავად).

მოცემული რეაქცია მხოლოდ გამარტივებაა, რათა გაადვილდეს მისი გაგება. ფაქტობრივად, ნახშირორჟანგის მოლეკულები ერთმანეთს უერთდებიან და უერთდებიან უკვე მომზადებულ ხუთნახშირბადიან ორგანულ ნივთიერებას. წარმოიქმნება არასტაბილური ექვსნახშირბადიანი ორგანული ნივთიერება, რომელიც იშლება სამ ნახშირბადის ნახშირწყლების მოლეკულებად. ამ მოლეკულებიდან ზოგიერთი გამოიყენება ორიგინალური ხუთნახშირბადის ნივთიერების ხელახალი სინთეზისთვის CO 2-ის დასაკავშირებლად. ეს ხელახალი სინთეზი უზრუნველყოფილია კალვინის ციკლი. ნახშირწყლების მოლეკულების უმცირესობა, რომელიც შეიცავს სამ ნახშირბადის ატომს, გამოდის ციკლიდან. ყველა სხვა ორგანული ნივთიერება (ნახშირწყლები, ცხიმები, ცილები) სინთეზირდება მათგან და სხვა ნივთიერებებისგან.

ეს არის, ფაქტობრივად, სამი ნახშირბადოვანი შაქარი და არა გლუკოზა, გამოდის ფოტოსინთეზის ბნელი ფაზადან.

ფოტოსინთეზი არის ორგანული ნივთიერებების ქიმიური ბმების ენერგიად სინათლის ენერგიის ფორმირების პროცესების ერთობლიობა ფოტოსინთეზური საღებავების მონაწილეობით.

ამ ტიპის კვება დამახასიათებელია მცენარეებისთვის, პროკარიოტებისთვის და ზოგიერთი ტიპის ერთუჯრედიანი ევკარიოტებისთვის.

ბუნებრივი სინთეზის დროს ნახშირბადი და წყალი სინათლესთან ურთიერთქმედებისას გარდაიქმნება გლუკოზად და თავისუფალ ჟანგბადად:

6CO2 + 6H2O + სინათლის ენერგია → C6H12O6 + 6O2

თანამედროვე მცენარეთა ფიზიოლოგიას ესმის ფოტოსინთეზის კონცეფცია, როგორც ფოტოავტოტროფიული ფუნქცია, რომელიც წარმოადგენს სინათლის ენერგიის კვანტების შთანთქმის, ტრანსფორმაციისა და გამოყენების პროცესების ერთობლიობას სხვადასხვა არასპონტანურ რეაქციებში, მათ შორის ნახშირორჟანგის ორგანულ ნივთიერებებად გადაქცევაში.

ფაზები

ფოტოსინთეზი მცენარეებში გვხვდება ფოთლებში ქლოროპლასტების მეშვეობით- ნახევრად ავტონომიური ორმემბრანიანი ორგანელები, რომლებიც მიეკუთვნებიან პლასტიდების კლასს. ფურცლის ფირფიტების ბრტყელი ფორმა უზრუნველყოფს სინათლის ენერგიისა და ნახშირორჟანგის მაღალი ხარისხის შეწოვას და სრულ გამოყენებას. ბუნებრივი სინთეზისთვის საჭირო წყალი ფესვებიდან მოდის წყლის გამტარ ქსოვილის მეშვეობით. გაზის გაცვლა ხდება დიფუზიის გზით სტომატის და ნაწილობრივ კუტიკულის მეშვეობით.

ქლოროპლასტები ივსება უფერო სტრომით და შეაღწია ლამელებით, რომლებიც ერთმანეთთან შეერთებისას წარმოქმნიან თილაკოიდებს. სწორედ მათში ხდება ფოტოსინთეზი. თავად ციანობაქტერიები არიან ქლოროპლასტები, ამიტომ მათში ბუნებრივი სინთეზის აპარატი არ არის გამოყოფილი ცალკე ორგანელად.

მიმდინარეობს ფოტოსინთეზი პიგმენტების მონაწილეობით, რომლებიც, როგორც წესი, ქლოროფილებია. ზოგიერთი ორგანიზმი შეიცავს სხვა პიგმენტს, კაროტინოიდს ან ფიკობილინს. პროკარიოტებს აქვთ პიგმენტი ბაქტერიოქლოროფილი და ეს ორგანიზმები არ ათავისუფლებენ ჟანგბადს ბუნებრივი სინთეზის დასრულების შემდეგ.

ფოტოსინთეზი გადის ორ ფაზას - სინათლისა და ბნელის. თითოეულ მათგანს ახასიათებს გარკვეული რეაქციები და ურთიერთქმედება ნივთიერებები. მოდით უფრო ახლოს მივხედოთ ფოტოსინთეზის ფაზების პროცესს.

სინათლე

ფოტოსინთეზის პირველი ეტაპიახასიათებს მაღალენერგეტიკული პროდუქტების წარმოქმნით, რომლებიც არის ATP, ფიჭური ენერგიის წყარო და NADP, შემცირების აგენტი. სტადიის ბოლოს, ჟანგბადი იწარმოება როგორც გვერდითი პროდუქტი. სინათლის ეტაპი აუცილებლად ხდება მზის შუქით.

ფოტოსინთეზის პროცესი ხდება თილაკოიდურ მემბრანებში, ელექტრონის სატრანსპორტო ცილების, ატფ სინთეტაზის და ქლოროფილის (ან სხვა პიგმენტის) მონაწილეობით.

ელექტროქიმიური ჯაჭვების ფუნქციონირება, რომლის მეშვეობითაც ელექტრონები და ნაწილობრივ წყალბადის პროტონები გადადის, წარმოიქმნება პიგმენტებითა და ფერმენტებით წარმოქმნილ კომპლექსურ კომპლექსებში.

მსუბუქი ფაზის პროცესის აღწერა:

1. როდესაც მზის შუქი მცენარეული ორგანიზმების ფოთლის პირებს ეცემა, ფირფიტების სტრუქტურაში ქლოროფილის ელექტრონები აღფრთოვანებულია;
2. აქტიურ მდგომარეობაში ნაწილაკები ტოვებენ პიგმენტის მოლეკულას და ეშვებიან თილაკოიდის გარე მხარეს, რომელიც უარყოფითად არის დამუხტული. ეს ერთდროულად ხდება ქლოროფილის მოლეკულების დაჟანგვასთან და შემდგომ შემცირებასთან, რომლებიც ფოთლებში შემავალი წყლის შემდეგ ელექტრონებს ართმევენ;
3. შემდეგ ხდება წყლის ფოტოლიზი იონების წარმოქმნით, რომლებიც ჩუქნიან ელექტრონებს და გარდაიქმნებიან OH რადიკალებად, რომლებსაც შეუძლიათ მონაწილეობა მიიღონ შემდგომ რეაქციებში;
4. ეს რადიკალები შემდეგ გაერთიანდებიან და წარმოქმნიან წყლის მოლეკულებს და ატმოსფეროში გამოთავისუფლებულ თავისუფალ ჟანგბადს;
5. თილაკოიდური მემბრანა ერთ მხარეს წყალბადის იონის გამო იძენს დადებით მუხტს, ხოლო მეორე მხარეს უარყოფით მუხტს ელექტრონების გამო;
6. როდესაც მემბრანის გვერდებს შორის 200 მვ სხვაობა მიიღწევა, პროტონები გადიან ფერმენტ ATP სინთეტაზას, რაც იწვევს ADP-ის ATP-ად გარდაქმნას (ფოსფორილირების პროცესი);
7. წყლიდან გამოთავისუფლებული ატომური წყალბადით NADP + მცირდება NADP H2-მდე;

მაშინ როცა თავისუფალი ჟანგბადი გამოიყოფა ატმოსფეროში რეაქციების დროს, ATP და NADP H2 მონაწილეობენ ბუნებრივი სინთეზის ბნელ ფაზაში.

ბნელი

ამ ეტაპისთვის სავალდებულო კომპონენტია ნახშირორჟანგი., საიდანაც მცენარეები მუდმივად შთანთქავენ გარე გარემოფოთლებში სტომატის მეშვეობით. ბნელი ფაზის პროცესები ხდება ქლოროპლასტის სტრომაში. ვინაიდან ამ ეტაპზე ბევრი მზის ენერგია არ არის საჭირო და საკმარისი იქნება ATP და NADP H2 წარმოებული სინათლის ფაზაში, ორგანიზმებში რეაქციები შეიძლება მოხდეს როგორც დღისით, ასევე ღამით. პროცესები ამ ეტაპზე უფრო სწრაფად ხდება, ვიდრე წინა.

ბნელ ფაზაში მიმდინარე ყველა პროცესის მთლიანობა წარმოდგენილია გარე გარემოდან მომდინარე ნახშირორჟანგის თანმიმდევრული გარდაქმნების უნიკალური ჯაჭვის სახით:

1. პირველი რეაქცია ასეთ ჯაჭვში არის ნახშირორჟანგის ფიქსაცია. ფერმენტ RiBP-კარბოქსილაზას არსებობა ხელს უწყობს რეაქციის სწრაფ და გლუვ მიმდინარეობას, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ექვსნახშირბადოვანი ნაერთი, რომელიც იშლება ფოსფოგლიცერინის მჟავას 2 მოლეკულად;
2. შემდეგ ხდება საკმაოდ რთული ციკლი, მათ შორის გარკვეული რაოდენობის რეაქციები, რომლის დასრულების შემდეგ ფოსფოგლიცერინის მჟავა გარდაიქმნება ბუნებრივ შაქარში - გლუკოზაში. ამ პროცესს კალვინის ციკლი ეწოდება;

შაქართან ერთად წარმოქმნაც ხდება ცხიმოვანი მჟავებიამინომჟავები, გლიცერინი და ნუკლეოტიდები.

ფოტოსინთეზის არსი

ბუნებრივი სინთეზის მსუბუქი და ბნელი ფაზების შედარების ცხრილიდან შეგიძლიათ მოკლედ აღწეროთ თითოეული მათგანის არსი. სინათლის ფაზა ხდება ქლოროპლასტის გრანაში, რეაქციაში სინათლის ენერგიის სავალდებულო ჩართვით. რეაქციები მოიცავს ისეთ კომპონენტებს, როგორიცაა ელექტრონის გადაცემის ცილები, ატფ სინთეტაზა და ქლოროფილი, რომლებიც წყალთან ურთიერთქმედებისას წარმოქმნიან თავისუფალ ჟანგბადს, ATP და NADP H2. ბნელი ფაზისთვის, რომელიც ხდება ქლოროპლასტის სტრომაში, მზის შუქი არ არის საჭირო. წინა ეტაპზე მიღებული ATP და NADP H2 ნახშირორჟანგთან ურთიერთობისას წარმოქმნიან ბუნებრივ შაქარს (გლუკოზას).

როგორც ზემოაღნიშნულიდან ჩანს, ფოტოსინთეზი საკმაოდ რთული და მრავალსაფეხურიანი ფენომენია, მათ შორის მრავალი რეაქცია, რომელიც მოიცავს სხვადასხვა ნივთიერებებს. ბუნებრივი სინთეზის შედეგად მიიღება ჟანგბადი, რომელიც აუცილებელია ცოცხალი ორგანიზმების სუნთქვისა და ულტრაიისფერი გამოსხივებისგან დაცვისთვის ოზონის შრის წარმოქმნით.