Pojem fotosyntéza v biológii. Biologický proces fotosyntézy a jeho význam v prírode

Fotosyntéza prebieha v rastlinách (hlavne v ich listoch) na svetle. Ide o proces, pri ktorom z oxidu uhličitého a vody vzniká organická látka glukóza (jeden z druhov cukrov). Ďalej sa glukóza v bunkách premení na zložitejšiu látku, škrob. Glukóza aj škrob sú sacharidy.

Proces fotosyntézy neprodukuje len organickú hmotu, ale ako vedľajší produkt vzniká aj kyslík.

Oxid uhličitý a voda sú anorganické látky, zatiaľ čo glukóza a škrob sú organické. Preto sa často hovorí, že fotosyntéza je proces tvorby organických látok z anorganických látok vo svetle. Len rastliny, niektoré jednobunkové eukaryoty a niektoré baktérie sú schopné fotosyntézy. V bunkách zvierat a húb takýto proces neexistuje, takže sú nútené absorbovať z životné prostredie organické látky. V tomto ohľade sa rastliny nazývajú autotrofy a zvieratá a huby sa nazývajú heterotrofy.

Proces fotosyntézy v rastlinách prebieha v chloroplastoch, ktoré obsahujú zelený pigment chlorofyl.

Aby sa fotosyntéza mohla uskutočniť, potrebujete:

    chlorofyl,

    oxid uhličitý.

Počas procesu fotosyntézy sa tvoria:

    organická hmota,

    kyslík.

Rastliny sú prispôsobené na zachytávanie svetla. Pre veľa bylinné rastliny listy sa zbierajú do takzvanej bazálnej ružice, kedy si listy navzájom netienia. Pre stromy je charakteristická listová mozaika, v ktorej listy rastú tak, aby si navzájom čo najmenej tienili. V rastlinách sa čepele listov môžu otáčať smerom k svetlu v dôsledku ohýbania listových stopiek. S tým všetkým sú tieňomilné rastliny, ktoré môžu rásť len v tieni.

Voda na fotosyntézu vstupuje do listov z koreňov pozdĺž stonky. Preto je dôležité, aby rastlina prijímala dostatočné množstvo vlhkosť. S nedostatkom vody a nejako minerály proces fotosyntézy je inhibovaný.

Oxid uhličitý na fotosyntézu je prijímaný priamo zo vzduchu listami. Kyslík, ktorý rastlina produkuje pri fotosyntéze, sa naopak uvoľňuje do ovzdušia. Výmenu plynov uľahčujú medzibunkové priestory (priestor medzi bunkami).

Organické látky vznikajúce pri fotosyntéze sa čiastočne využívajú v samotných listoch, ale hlavne prúdia do všetkých ostatných orgánov a premieňajú sa na iné organické látky, využívajú sa v energetickom metabolizme a premieňajú sa na rezervné živiny.

Definícia

Fotosyntéza- proces syntézy organických látok z anorganických (voda a oxid uhličitý) pomocou energie slnečného žiarenia.

Prvé experimenty s fotosyntézou uskutočnil Joseph Priestley v 18. storočí, keď upozornil na „kazenie“ vzduchu v uzavretej nádobe s horiacou sviečkou (vzduch už nedokázal podporovať horenie, zvieratá do nej boli umiestnené udusený) a jeho „náprava“ rastlinami. Priestley dospel k záveru, že rastliny produkujú kyslík, ktorý je potrebný na dýchanie a spaľovanie.

Definícia

Fototrofy- organizmy využívajúce fotosyntézu.

Väčšina rastlín a niektoré baktérie sú fotoautotrofy.

fotosyntetické pigmenty

Fotosyntéza sa môže vykonávať iba s pomocou určitých látok - pigmenty.

Fotosyntetické pigmenty vyššie rastliny sú rozdelené do dvoch skupín: chlorofylov A karotenoidy.

Úlohou týchto pigmentov je absorbovať svetlo a premieňať jeho energiu na chemickú energiu. Pigmenty sú lokalizované v membránach chloroplastov a chloroplasty sú zvyčajne usporiadané v bunke tak, že ich membrány sú v pravom uhle k svetelnému zdroju, čo zabezpečuje maximálnu absorpciu svetla.

Údaje o prítomnosti chlorofylu d v červených riasach nie sú v súčasnosti potvrdené – zrejme pri pokusoch boli vzorky kontaminované sinicami, v ktorých sa tento typ chlorofylu skutočne vyskytuje. V mnohých zdrojoch však stále nájdete informácie o prítomnosti chlorofylu d v červených riasach.

V rastlinách sa na fotosyntéze podieľa pigment chlorofyl, ktorý je obsiahnutý v chloroplastoch na membránach tylakoidy. Chlorofyl dáva chloroplastom a celej rastline zelenú farbu.

Z hľadiska svojej chemickej štruktúry sa chlorofyl podobá krvnej bielkovine hemoglobínu. Má rovnaký porfyrínový kruh, iba hemoglobín má v strede tohto kruhu atóm železa, zatiaľ čo chlorofyl má atóm železa. horčík. Porfyrínový kruh je takmer plochá platňa, z ktorej vychádzajú dva organické reťazce, z ktorých jeden je veľmi dlhý, prebieha pod uhlom a s jeho pomocou je na membrány pripevnený chlorofyl.

Jedinečná vlastnosť chlorofylu: dokáže absorbovať energiu slnečného žiarenia a prechádzať do vzrušeného stavu.

Chlorofyly absorbujú najmä červené a modrofialové svetlo. Odrážajú zelené svetlo, a preto dodávajú rastlinám charakteristickú zelenú farbu, pokiaľ nie je maskovaná inými pigmentmi. Existuje niekoľko foriem tohto pigmentu, ktoré sa líšia umiestnením v membráne. Každá forma sa mierne líši od ostatných v polohe absorpčného maxima v červenej oblasti; toto maximum môže byť napríklad pri 670, 680, 690 alebo 700 nm.

Chlorofyl a- jediný pigment, ktorý sa nachádza vo všetkých fotosyntetických rastlinách a zohráva ústrednú úlohu pri fotosyntéze.

Absorpčné spektrá chlorofylov a a b a spektrum karotenoidov.

Karotenoidy- žlté, červené a oranžové pigmenty. Dodávajú farbu kvetom a plodom rastlín. Karotenoidy sú neustále prítomné v listoch, ale sú neviditeľné kvôli prítomnosti chlorofylu. Ale na jeseň, keď je chlorofyl zničený, sú karotenoidy jasne viditeľné. Dodávajú listom ich žltú a červenú farbu.

Funkcie karotenoidov:

    absorbovať slnečné svetlo(najmä v krátkovlnnej - modrofialovej - časti spektra) a absorbovaná energia sa prenáša na chlorofyl;

    chrániť chlorofyl pred prebytočným svetlom a pred oxidáciou kyslíkom uvoľneným počas fotosyntézy.

Bakteriálne pigmenty

V baktériách sú fotosyntetickými pigmentmi bakteriochlorofyl, fykobilíny a karotenoidy.

fykobilíny- červené a modré pigmenty (využívajú zelenú časť slnečného spektra) nachádzajúce sa v cyanobaktériách a niektorých riasach. Fykobilíny sú zastúpené pigmentmi fykocyanín, fykoerytrín(oxidovaný fykokyanín) a alofykokyanín.

Červené riasy obsahujú najmä fykoerytrín, zatiaľ čo sinice obsahujú fykocyanín.

Na rozdiel od chlorofylov a karotenoidov umiestnených v membránach sú fykobilíny koncentrované v špeciálnych granulách ( fykobilizómy), úzko spojené s tylakoidnými membránami. Fykobilíny tvoria silné zlúčeniny s proteínmi (fykobilínové proteíny). Spojenie medzi fykobilínmi a proteínmi ničí iba kyselina. Predpokladá sa, že karboxylové skupiny pigmentu sa viažu na aminoskupiny proteínu.

Fykobilíny absorbujú lúče v zelenej a žltej časti slnečného spektra. Toto je časť spektra, ktorá leží medzi dvoma hlavnými absorpčnými líniami chlorofylu.

Porovnanie absorpčných spektier fykobilínov so spektrálnym zložením svetla, v ktorom prebieha fotosyntéza u siníc a červených rias, ukazuje, že sú si veľmi blízke. To naznačuje, že fykobilíny absorbujú svetelnú energiu a podobne ako karotenoidy ju prenášajú do molekuly chlorofylu, po ktorej sa využívajú v procese fotosyntézy.

Prítomnosť fykobilínov v riasach je príkladom evolučnej adaptácie na využitie oblastí slnečného spektra, ktoré prenikajú cez hrúbku morská voda(chromatické prispôsobenie). Ako je známe, červené lúče, zodpovedajúce hlavnej absorpčnej línii chlorofylu, sú absorbované pri prechode vodným stĺpcom. Zelené lúče prenikajú najhlbšie a nie sú absorbované chlorofylom, ale fykobilínmi.

Začiatkom 70. rokov 20. storočia. Ďalší fotosyntetický pigment bol objavený v halofilných (žijúcich v slanej vode) archaea - bakteriorodopsín.

fotosyntéza

Proces fotosyntézy zahŕňa 2 fázy:

fáza svetla:

    vo svetle;

    na tylakoidných membránach;

tmavá fáza:

    vo svetle a v tme;

    v stróme chloroplastu.

Svetelná fáza fotosyntézy

Chloroplasty obsahujú veľa molekúl chlorofylu. Samotný proces sa vyskytuje v približne 1% molekúl chlorofylu. Ďalšie molekuly chlorofylu, karotenoidov a iných látok tvoria špeciálne anténne a svetlozberné komplexy (LHC). Rovnako ako antény absorbujú svetelné kvantá a prenášajú excitáciu do špeciálnych reakčných centier. Tieto centrá sa nachádzajú vo fotosystémoch, z ktorých rastliny majú dve: fotosystém II A fotosystém I. Obsahujú špeciálne molekuly chlorofylu: vo fotosystéme II - P680 a vo fotosystéme I - P700. Pohlcujú svetlo presne tejto vlnovej dĺžky (680 a 700 nm).

    Molekuly chlorofylu dvoch fotosystémov absorbujú kvantá svetla. Jeden elektrón každého z nich sa presunie na vyššiu energetickú hladinu (vzrušený).

    Excitované elektróny majú veľmi vysokú energiu. Odlamujú sa a vstupujú do špeciálneho reťazca transportérov v tylakoidných membránach - molekuly NADP +, čím sa premieňajú na redukovaný NADP. Takto sa svetelná energia premení na energiu redukovaného nosiča.

    V molekulách chlorofylu sa namiesto elektrónov po ich odstránení vytvárajú „diery“ s kladným nábojom.

    Fotosystém I dopĺňa stratu elektrónov prostredníctvom systému transportu elektrónov z fotosystému II.

    Fotosystém II odoberá elektrón z vody ( fotolýza vody) a vznikajú vodíkové ióny.

    Fotolýza vody- proces rozkladu vody pod vplyvom slnečného žiarenia.

    Vedľajším produktom rozkladu vody je kyslík, ktorý sa uvoľňuje do atmosféry.

    $Н^+$ vzniknuté pri fotolýze vody sa prenesú do tylakoidnej dutiny.

    V dutine tylakoidu sa hromadí veľký prebytok vodíkových iónov, čo vedie k vytvoreniu strmého koncentračného gradientu týchto iónov na membráne tylakoidu.

    Používa ho enzým ATP syntetáza na syntézu ATP z ADP a fosfátu.

    Vodíkové ióny $H^+$ sú prenášané cez membránu redukovaným transportérom NADP (nikotínamid adenín dinukleotid fosfát) za vzniku NADP*H.

Svetelná energia sa teda ukladá vo svetelnej fáze fotosyntézy vo forme dvoch typov molekúl: redukovaného transportéra NADP*H a vysokoenergetickej zlúčeniny ATP. Kyslík uvoľnený pri tomto procese je z hľadiska fotosyntézy vedľajším produktom.

Úloha svetelnej fázy:

    prenos vodíkových protónov cez nosný systém s tvorbou energie ATP;

    tvorba NADP*H;

    uvoľňovanie molekulárneho kyslíka do atmosféry.

Temná fáza fotosyntézy

Pre tmavú fázu fotosyntézy sú potrebné zložky ATP a NADP*H (zo svetlej fázy), oxid uhličitý (z atmosféry) a voda. Vyskytuje sa v stróme chloroplastu.

V temnej fáze za účasti ATP a NADP*H sa $CO_2$ redukuje na glukózu ($C_6H_(12)O_6$).

Hoci svetlo nie je pre tento proces potrebné, podieľa sa na jeho regulácii.

Rastlina neustále absorbuje oxid uhličitý z atmosféry. Na tento účel sú na povrchu listu špeciálne štruktúry - stomata. Keď sa otvoria, $CO_2$ vstúpi do listu, rozpustí sa vo vode a pomocou NADP a ATP sa redukuje na glukózu.

Prebytočná glukóza sa ukladá akoškrob. Práve vo forme týchto organických látok rastlina akumuluje energiu. Len malá časť z nich zostáva v plechu a používa sa pre jeho potreby. Zvyšok uhľohydrátov prechádza cez sitové rúrky floém v celej rastline a ide presne tam, kde je energia najviac potrebná, ako sú rastové body.

Calvinov cyklus

Prvou reakciou, ku ktorej dochádza bez použitia energie, je pridanie $CO_2$ k pentóze, aktivovanej dvoma zvyškami kyseliny fosforečnej – ribulózabisfosfátom.

Výsledná slabá šesťuhlíková zlúčenina sa rozpadne a vytvorí dve molekuly kyseliny fosfoglycerovej.

Kyselina fosfoglycerová sa redukuje pomocou NADP*H na fosfoglyceraldehyd, pričom spotrebuje molekulu ATP.

Dve molekuly fosfoglyceraldehydu sa v dôsledku reakcií reverzných ku glykolýze premenia na molekulu glukózy.

Druhá časť fosfoglyceraldehydu v dôsledku série transformácií dáva pôvodné množstvo ribulóza bisfosfátu.

Dochádza tak k cyklickému procesu premeny látok, pričom každá otáčka takéhoto cyklu zahŕňa 6 molekúl $CO_2$ a vzniká jedna molekula glukózy. Tento cyklus je pomenovaný po svojom objaviteľovi Calvinov cyklus (redukčný pentózofosfátový cyklus).

C3 a C4 fotosyntéza

Počas tmavej fázy väčšina rastlín reaguje Calvinov cyklus vznikajú dve molekuly trojuhlíkovej zlúčeniny (kyselina 3-fosfoglycerová) a z nich glukóza. Vytvorenie jednej molekuly glukózy vyžaduje 6 cyklov otáčok, 6 $CO_2$, 12 NADP*H a 18 ATP.

Tento typ fotosyntézy sa nazýva C3 fotosyntéza.

C4 fotosyntézaúčinnejšie v trópoch, kde horúce podnebie vyžaduje, aby boli prieduchy uzavreté, čo bráni vstupu $CO_2$ do listu. V dôsledku toho k niektorým reakciám dochádza nie v mezofyle listu, ale v bunkách výstelky cievneho zväzku.

Na syntézu 1 molekuly glukózy je potrebných nie 18, ale 30 ATP.

Fotosyntézu C4 využíva asi 7 600 druhov rastlín, z ktorých všetky sú kvitnúce rastliny: mnohé obilniny (61 % druhov vrátane pestovaných - kukurica, cukrová trstina a cirok), hviezdicový, husí, láskavec, niektoré ostrice, astrovité, krížokveté a eufória.

O CAM fotosyntéza(Angličtina) Metabolizmus kyseliny Crassulaceae- kyslý metabolizmus Crassulaceae) dochádza k oddeleniu akumulácie $C0_2$ a Calvinovho cyklu nie v priestore, ako v C4, ale v čase. V noci sa malát hromadí vo vakuolách buniek podľa mechanizmu podobného tomu, ktorý je opísaný vyššie, s otvorenými prieduchmi, cez deň s uzavretými prieduchmi prebieha Calvinov cyklus. Tento mechanizmus vám umožňuje čo najviac šetriť vodou, ale má nižšiu účinnosť ako C4 aj C3. Má opodstatnenie pri tolerancii stresu životná stratégia(pri prudko sa meniacich podmienkach).

Celková rovnica pre fotosyntézu je nasledovná:

6CO 2 + 6H 2 O+ svetelná energia → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

Význam fotosyntézy

    Fotosyntéza je hlavným zdrojom organickej hmoty na Zemi, to znamená, že poskytuje živým organizmom hmotu a energiu.

    Slúži ako zdroj kyslíka, ktorý tvorí 20 % zemskej atmosféry. Všetok vzdušný kyslík vzniká fotosyntézou. Pred objavením sa organizmov, ktoré vykonávali fotosyntézu a uvoľňovali kyslík (asi pred 3 miliardami rokov), zemská atmosféra tento plyn neobsahovala.

chemosyntéza

Definícia

Chemosyntéza- spôsob autotrofnej výživy, pri ktorom je zdrojom energie pre syntézu organických látok oxidácia anorganických zlúčenín.

Len niektoré baktérie a archaea sú klasifikované ako chemosyntetiká (chemotrofy).

Fenomén chemosyntézy objavil v roku 1887 ruský vedec S. N. Vinogradsky.

Proces chemosyntézy, pri ktorej vzniká organická hmota z $CO_2$, prebieha podobne ako pri tmavej fáze fotosyntézy, využíva sa len ATP, ktorý sa nezíska z solárna energia a z energie chemické väzby anorganická látka (pri oxidácii síry, železa, amoniaku atď.).

Vďaka aktivite chemosyntetických baktérií sa v prírode hromadia veľké zásoby ľadovej a slatinnej rudy.

chemosyntetické baktérie

    Nitrifikačné baktérie získavať energiu na syntézu organických látok oxidáciou amoniaku na dusík a potom na kyselinu dusičnú:

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

    Sírne baktérie získať energiu oxidácia sírovodíka na sírany:

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.

    Vodíkové baktérie získať energiu oxidáciou vodíka na vodu:

2$H_(2)$ + $O_2$ → 2$H_(2)O$ + Q.

    Železné baktérie získať energiu oxidáciou $Fe^(2+)$ na $Fe^(3+)$:

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

Pri tejto reakcii sa uvoľňuje málo energie, takže železité baktérie oxidujú veľké množstvo železnatého železa.

Energia získaná pri oxidačných reakciách anorganických zlúčenín sa premieňa na energiu makroenergetických väzieb ATP.

Úloha chemosyntetík

    podieľať sa na cykle síry, dusíka, železa atď.;

    ničiť toxické látky v prírode: amoniak a sírovodík;

    nitrifikačné baktérie premieňajú amoniak na dusitany a dusičnany, ktoré sú absorbované rastlinami;

    sírne baktérie sa používajú na čistenie odpadových vôd.

Chemoorganoheterotrofy

Chemoorganoheterotrofy- organizmy, ktoré využívajú energiu získanú oxidáciou organických látok v potravinách pri procese dýchania na syntézu vlastných organických látok. Chemoorganoheterotrofy zahŕňajú zvieratá, huby a niektoré baktérie (napríklad baktérie viažuce uzlíky dusík).

$

1. Je fotosyntéza procesom plastového alebo energetického metabolizmu? prečo?

Fotosyntéza sa týka procesov metabolizmu plastov, pretože sprevádzané:

● syntézou zložitých organických zlúčenín z jednoduchších látok, a to: glukóza (C 6 H 12 O 6) sa syntetizuje z anorganických látok (H 2 O a CO 2);

● absorpcia svetelnej energie.

2. V ktorých organelách rastlinná bunka Prebieha fotosyntéza? Čo je to fotosystém? Akú funkciu plnia fotosystémy?

Fotosyntéza prebieha v zelených plastidoch – chloroplastoch.

Fotosystémy sú špeciálne pigmentovo-proteínové komplexy umiestnené v membránach chloroplastových tylakoidov. Existujú dva typy fotosystémov – fotosystém I a fotosystém II. Každý z nich obsahuje svetelnú anténu tvorenú molekulami pigmentu, reakčným centrom a nosičmi elektrónov.

Anténa na zber svetla funguje ako lievik: molekuly pigmentu absorbujú svetlo a prenášajú všetku zozbieranú energiu do reakčného centra, kde sa nachádza molekula pasce reprezentovaná chlorofylom a. Po absorbovaní energie prechádza molekula pasce do excitovaného stavu a dáva jeden zo svojich elektrónov špeciálnemu nosiču, t.j. oxiduje. Fotosystémy teda plnia funkciu pohlcovania svetla a premeny svetelnej energie na chemickú energiu.

3. Aký význam má fotosyntéza na Zemi? Prečo by bola existencia biosféry nemožná bez fototrofných organizmov?

Fotosyntéza je jediný proces na planéte, počas ktorého sa svetelná energia Slnka premieňa na energiu chemických väzieb syntetizovaných organických látok. Východiskovými zlúčeninami pre syntézu organických látok sú v tomto prípade energeticky chudobné anorganické látky – oxid uhličitý a voda.

Organické zlúčeniny vznikajúce pri fotosyntéze sa prenášajú ako súčasť potravy z fototrofných organizmov na bylinožravce, potom na mäsožravce, ktoré sú zdrojom energie a stavebného materiálu pre syntézu ďalších látok, pre tvorbu nových buniek a štruktúr. V dôsledku toho sú vďaka aktivite fototrofov uspokojené nutričné ​​potreby heterotrofných organizmov.

Fotosyntéza je navyše zdrojom molekulárneho kyslíka potrebného na dýchanie väčšiny živých organizmov. Z kyslíka vytvoreného a udržiavaného ozónová vrstva chráni živé organizmy planéty pred škodlivými účinkami krátkovlnného ultrafialového žiarenia. Vďaka fotosyntéze sa udržiava relatívne konštantný obsah CO 2 v atmosfére.

4. Charakterizujte svetlú a tmavú fázu fotosyntézy podľa plánu:

1) miesto úniku; 2) východiskové materiály; 3) prebiehajúce procesy; 4) konečné produkty.

Aké produkty svetlej fázy fotosyntézy sa využívajú v tmavej fáze?

Svetelná fáza fotosyntézy.

1) Miesto úniku: tylakoidné membrány.

2) Východiskové látky: H 2 O, oxidovaný NADP (NADP +), ADP, H 3 PO 4. Pre vznik svetelnej fázy sú nevyhnutné aj fotosyntetické pigmenty (chlorofyly a pod.), ktoré však nemožno nazvať východiskovými látkami svetelnej fázy.

3) Prebiehajúce procesy: absorpcia svetla fotosystémami, fotolýza vody, transport elektrónov von z tylakoidu a akumulácia protónov vo vnútri tylakoidu (t.j. objavenie sa elektrochemického potenciálu na membráne tylakoidu), syntéza ATP, redukcia z NADP+.

4) Konečné produkty: ATP, redukovaný NADP (NADP H+H +), vedľajší produkt - molekulárny kyslík (O 2).

Temná fáza fotosyntézy.

1) Miesto úniku: stróma chloroplastu.

2) Východiskové látky: CO 2, ATP, redukovaný NADP (NADP H+H +).

3) Prebiehajúce procesy: syntéza glukózy (redukcia CO 2 na organické látky), pri ktorej dochádza k hydrolýze ATP a oxidácii NADP H+H +.

4) Konečné produkty: glukóza (C 6 H 12 O 6), oxidovaný NADP (NADP +), ADP, H 3 PO 4.

V tmavej fáze fotosyntézy sa využívajú produkty svetlej fázy ako NADP H+H + (slúži ako zdroj atómov vodíka pre syntézu glukózy) a ATP (slúži ako zdroj energie pre syntézu glukózy).

5. Porovnajte fotosyntézu a aeróbne dýchanie. Označte podobnosti a rozdiely.

Podobnosti:

● Komplexné viacstupňové procesy prebiehajúce za účasti enzýmov.

● Fotosyntéza a konečné (kyslíkové) štádium aeróbneho dýchania prebieha v dvojmembránových organelách (chloroplasty, resp. mitochondrie).

● Redoxné procesy, ktoré sú sprevádzané prenosom elektrónov pozdĺž elektrónových transportných reťazcov vnútorných membrán zodpovedajúcich organel, objavením sa potenciálového rozdielu na týchto membránach, prácou ATP syntetázy a syntézy ATP.

rozdiely:

● Proces fotosyntézy sa týka metabolizmu plastov, pretože je sprevádzaná syntézou organických látok z anorganických a vyskytuje sa pri absorpcii svetelnej energie. Proces aeróbneho dýchania sa týka energetického metabolizmu, pretože komplexné organické látky sa rozkladajú a uvoľňuje sa v nich obsiahnutá energia.

● Fotosyntéza prebieha iba v bunkách fototrofných organizmov a aeróbne dýchanie sa vyskytuje v bunkách väčšiny živých organizmov (vrátane fototrofov).

● Rôzne východiskové materiály a finálne produkty. Ak vezmeme do úvahy súhrnné rovnice fotosyntézy a aeróbneho dýchania, vidíme, že produkty fotosyntézy sú vlastne východiskovými materiálmi pre aeróbne dýchanie a naopak.

● NAD a FAD slúžia ako nosiče vodíkových atómov v procese dýchania a NADP pri fotosyntéze.

A (alebo) iné významné vlastnosti.

6. Človek denne spotrebuje približne 430 g kyslíka. Priemerne veľký strom absorbuje asi 30 kg oxidu uhličitého ročne. Koľko stromov je potrebných na to, aby jeden človek získal kyslík?

● Za rok človek spotrebuje: 430 g × 365 = 156 950 g kyslíka.

● Vypočítajme chemické množstvo oxidu uhličitého absorbovaného za rok jedným stromom:

M (C02) = 12 + 16 x 2 = 44 g/mol. n (C02) = m: M = 30 000 g: 44 g/mol ≈ 681,8 mol.

● Súhrnná rovnica fotosyntézy:

6CO2 + 6H20 → C6H1206 + 602

Absorpcia 6 mólov oxidu uhličitého je sprevádzaná uvoľnením 6 mólov kyslíka. To znamená, že pri absorpcii 681,8 mólov oxidu uhličitého za rok strom uvoľní 681,8 mólov kyslíka.

● Nájdite množstvo kyslíka uvoľneného stromom za rok:

M(02) = 16 x 2 = 32 g/mol. m (02) = n × M = 681,8 mol × 32 g/mol = 21 817,6 g

● Určme, koľko stromov je potrebných na to, aby jeden človek získal kyslík. Počet stromov = 156 950 g: 21 817,6 ≈ 7,2 stromov.

Odpoveď: Na poskytnutie kyslíka jednej osobe bude v priemere potrebných 7,2 stromov (prijateľné odpovede by boli „8 stromov“ alebo „7 stromov“).

7. Výskumníci rozdelili rastliny pšenice do dvoch skupín a pestovali ich v laboratóriu za rovnakých podmienok, okrem toho, že rastliny v prvej skupine boli osvetlené červeným svetlom a rastliny v druhej skupine boli osvetlené zeleným svetlom. V ktorej skupine rastlín prebiehala fotosyntéza intenzívnejšie? S čím to súvisí?

Fotosyntéza prebiehala intenzívnejšie v rastlinách osvetlených červeným svetlom. Je to spôsobené tým, že hlavné fotosyntetické pigmenty - chlorofyly - intenzívne absorbujú červené svetlo (ako aj modrofialovú časť spektra) a odrážajú zelenú, čo určuje zelenú farbu týchto pigmentov.

8*. Akým experimentom sa dá dokázať, že kyslík uvoľnený počas fotosyntézy sa tvorí práve z molekúl vody, a nie z molekúl oxidu uhličitého alebo akejkoľvek inej látky?

Ak sa na fotosyntézu použije voda značená rádioaktívnym kyslíkom (molekuly obsahujú kyslíkový rádionuklid namiesto stabilného nuklidu 16O), potom možno rádioaktívnu značku detegovať v uvoľnenom molekulárnom kyslíku. Ak na fotosyntézu použijete akúkoľvek inú látku obsahujúcu rádionuklid kyslíka, potom uvoľnený O2 nebude obsahovať rádioaktívnu značku. Najmä rádioaktívny kyslík obsiahnutý v molekulách absorbovaného oxidu uhličitého sa bude nachádzať v syntetizovaných organických látkach, ale nie v zložení O 2 .

*Úlohy označené hviezdičkou vyžadujú od študentov, aby predložili rôzne hypotézy. Preto by sa mal učiteľ pri známkovaní sústrediť nielen na tu uvedenú odpoveď, ale brať do úvahy každú hypotézu, posudzovať biologické myslenie žiakov, logiku ich uvažovania, originalitu myšlienok a pod. Po tomto je vhodné oboznámiť študentov s danou odpoveďou.

Fotosyntéza je proces syntézy organických látok z anorganických pomocou svetelnej energie. V drvivej väčšine prípadov fotosyntézu uskutočňujú rastliny pomocou bunkových organel ako napr chloroplasty s obsahom zeleného pigmentu chlorofyl.

Ak by rastliny neboli schopné syntetizovať organickú hmotu, potom by takmer všetky ostatné organizmy na Zemi nemali čo jesť, pretože zvieratá, huby a mnohé baktérie nedokážu syntetizovať organické látky z anorganických. Nasávajú len hotové, rozdeľujú ich na jednoduchšie, z ktorých opäť zostavujú zložité, ale už charakteristické pre ich telo.

To je prípad, ak o fotosyntéze a jej úlohe hovoríme veľmi stručne. Aby sme pochopili fotosyntézu, musíme si povedať viac: aké konkrétne anorganické látky sa používajú, ako prebieha syntéza?

Na fotosyntézu sú potrebné dve anorganické látky – oxid uhličitý (CO 2) a voda (H 2 O). Prvý je absorbovaný zo vzduchu nadzemnými časťami rastlín najmä cez prieduchy. Voda pochádza z pôdy, odkiaľ ju vodivý systém rastliny dodáva do fotosyntetických buniek. Fotosyntéza tiež vyžaduje energiu fotónov (hν), ale nemožno ich pripísať hmote.

Celkovo pri fotosyntéze vzniká organická hmota a kyslík (O2). Organickou hmotou sa najčastejšie rozumie glukóza (C6H12O6).

Organické zlúčeniny z väčšej časti pozostávajú z atómov uhlíka, vodíka a kyslíka. Nachádzajú sa v oxide uhličitom a vode. Počas fotosyntézy sa však uvoľňuje kyslík. Jeho atómy sa berú z vody.

Stručne a všeobecne, rovnica pre reakciu fotosyntézy sa zvyčajne píše takto:

6CO2 + 6H20 → C6H1206 + 602

Ale táto rovnica neodráža podstatu fotosyntézy a nerobí ju zrozumiteľnou. Pozri, hoci rovnica je vyvážená, celkový počet atómov vo voľnom kyslíku je 12. Ale povedali sme, že pochádzajú z vody a je ich len 6.

V skutočnosti prebieha fotosyntéza v dvoch fázach. Prvý sa volá svetlo, druhý - tmavé. Takéto názvy sú spôsobené tým, že svetlo je potrebné iba pre svetlú fázu, tmavá fáza je nezávislá od jeho prítomnosti, ale to neznamená, že sa vyskytuje v tme. Svetlá fáza sa vyskytuje na membránach tylakoidov chloroplastu a tmavá fáza sa vyskytuje v stróme chloroplastu.

Počas svetelnej fázy nedochádza k viazaniu CO 2 . Všetko, čo sa deje, je zachytávanie slnečnej energie komplexmi chlorofylu, jej ukladanie do ATP a využitie energie na redukciu NADP na NADP*H2. Tok energie zo svetlom excitovaného chlorofylu zabezpečujú elektróny prenášané pozdĺž elektrónového transportného reťazca enzýmov zabudovaných do tylakoidných membrán.

Vodík pre NADP pochádza z vody, ktorá sa slnečným žiarením rozkladá na atómy kyslíka, vodíkové protóny a elektróny. Tento proces sa nazýva fotolýza. Na fotosyntézu nie je potrebný kyslík z vody. Atómy kyslíka z dvoch molekúl vody sa spájajú a vytvárajú molekulárny kyslík. Reakčná rovnica pre svetelnú fázu fotosyntézy stručne vyzerá takto:

H2O + (ADP+P) + NADP → ATP + NADP*H2 + ½O2

K uvoľňovaniu kyslíka teda dochádza počas svetelnej fázy fotosyntézy. Počet molekúl ATP syntetizovaných z ADP a kyseliny fosforečnej na fotolýzu jednej molekuly vody môže byť rôzny: jedna alebo dve.

Takže ATP a NADP*H2 prichádzajú zo svetlej fázy do tmavej fázy. Tu sa energia prvého a redukčná sila druhého vynakladajú na viazanie oxidu uhličitého. Toto štádium fotosyntézy nemožno vysvetliť jednoducho a stručne, pretože neprebieha tak, že sa šesť molekúl CO 2 spojí s vodíkom uvoľneným z molekúl NADP*H 2 za vzniku glukózy:

6CO2 + 6NADP*H2 →C6H1206 + 6NADP
(reakcia nastáva s výdajom energie ATP, ktorá sa rozkladá na ADP a kyselinu fosforečnú).

Uvedená reakcia je len zjednodušením, aby bola ľahšie pochopiteľná. V skutočnosti sa molekuly oxidu uhličitého viažu po jednej a spájajú už pripravenú päťuhlíkovú organickú látku. Vzniká nestabilná šesťuhlíková organická látka, ktorá sa rozkladá na trojuhlíkové molekuly sacharidov. Niektoré z týchto molekúl sa používajú na resyntézu pôvodnej päťuhlíkovej látky na viazanie CO 2 . Táto resyntéza je zabezpečená Calvinov cyklus. Menšina uhľohydrátových molekúl obsahujúcich tri atómy uhlíka opúšťa cyklus. Z nich a iných látok sa syntetizujú všetky ostatné organické látky (sacharidy, tuky, bielkoviny).

To znamená, že z temnej fázy fotosyntézy vychádzajú trojuhlíkové cukry, nie glukóza.

Fotosyntéza je súbor procesov premeny svetelnej energie na energiu chemických väzieb organických látok za účasti fotosyntetických farbív.

Tento typ výživy je typický pre rastliny, prokaryoty a niektoré typy jednobunkových eukaryotov.

Počas prirodzenej syntézy sa uhlík a voda v interakcii so svetlom premieňajú na glukózu a voľný kyslík:

6CO2 + 6H2O + svetelná energia → C6H12O6 + 6O2

Moderná fyziológia rastlín chápe pojem fotosyntéza ako fotoautotrofnú funkciu, čo je súbor procesov absorpcie, premeny a využitia kvánt svetelnej energie pri rôznych nespontánnych reakciách, vrátane premeny oxidu uhličitého na organickú hmotu.

Fázy

Fotosyntéza v rastlinách sa vyskytuje v listoch prostredníctvom chloroplastov- poloautonómne dvojmembránové organely patriace do triedy plastidov. Plochý tvar plechových dosiek zaisťuje kvalitnú absorpciu a plné využitie svetelnej energie a oxidu uhličitého. Voda potrebná na prirodzenú syntézu pochádza z koreňov cez tkanivo, ktoré vedie vodu. Výmena plynov prebieha difúziou cez prieduchy a čiastočne cez kutikulu.

Chloroplasty sú vyplnené bezfarebnou strómou a preniknuté lamelami, ktoré pri vzájomnom spojení vytvárajú tylakoidy. Práve v nich prebieha fotosyntéza. Cyanobaktérie samotné sú chloroplasty, takže aparát na prirodzenú syntézu v nich nie je oddelený do samostatnej organely.

Fotosyntéza pokračuje za účasti pigmentov, čo sú zvyčajne chlorofyly. Niektoré organizmy obsahujú ďalší pigment, karotenoid alebo fykobilín. Prokaryoty majú pigment bakteriochlorofyl a tieto organizmy po dokončení prirodzenej syntézy neuvoľňujú kyslík.

Fotosyntéza prechádza dvoma fázami – svetlou a tmou. Každý z nich je charakterizovaný určitými reakciami a vzájomne sa ovplyvňujúcimi látkami. Pozrime sa bližšie na proces fáz fotosyntézy.

Svetlo

Prvá fáza fotosyntézy charakterizované tvorbou vysokoenergetických produktov, ktorými sú ATP, zdroj bunkovej energie, a NADP, redukčné činidlo. Na konci etapy vzniká ako vedľajší produkt kyslík. Svetelná fáza sa nevyhnutne vyskytuje pri slnečnom svetle.

Proces fotosyntézy prebieha v tylakoidných membránach za účasti proteínov transportujúcich elektróny, ATP syntetázy a chlorofylu (alebo iného pigmentu).

Fungovanie elektrochemických reťazcov, cez ktoré sa prenášajú elektróny a čiastočne vodíkové protóny, sa tvorí v zložitých komplexoch tvorených pigmentmi a enzýmami.

Popis procesu svetelnej fázy:

  1. Keď slnečné svetlo dopadá na čepele listov rastlinných organizmov, elektróny chlorofylu v štruktúre dosiek sú excitované;
  2. V aktívnom stave častice opúšťajú molekulu pigmentu a pristávajú na vonkajšej strane tylakoidu, ktorý je negatívne nabitý. K tomu dochádza súčasne s oxidáciou a následnou redukciou molekúl chlorofylu, ktoré odoberajú ďalšie elektróny z vody vstupujúcej do listov;
  3. Potom nastáva fotolýza vody s tvorbou iónov, ktoré darujú elektróny a premieňajú sa na OH radikály, ktoré sa môžu zúčastniť ďalších reakcií;
  4. Tieto radikály sa potom spájajú a vytvárajú molekuly vody a voľného kyslíka uvoľneného do atmosféry;
  5. Tylakoidná membrána získava kladný náboj na jednej strane vďaka vodíkovému iónu a na druhej strane záporný náboj vďaka elektrónom;
  6. Pri dosiahnutí rozdielu 200 mV medzi stranami membrány prechádzajú protóny cez enzým ATP syntetázu, čo vedie k premene ADP na ATP (proces fosforylácie);
  7. S atómovým vodíkom uvoľneným z vody sa NADP + redukuje na NADP H2;

Zatiaľ čo voľný kyslík sa počas reakcií uvoľňuje do atmosféry, ATP a NADP H2 sa podieľajú na temnej fáze prirodzenej syntézy.

Tmavý

Povinnou zložkou pre túto fázu je oxid uhličitý, z ktorého rastliny neustále absorbujú vonkajšie prostredie cez prieduchy v listoch. Procesy tmavej fázy prebiehajú v stróme chloroplastu. Keďže v tomto štádiu nie je potrebné veľké množstvo slnečnej energie a počas svetelnej fázy sa vytvorí dostatok ATP a NADP H2, reakcie v organizmoch môžu prebiehať vo dne aj v noci. Procesy v tomto štádiu prebiehajú rýchlejšie ako v predchádzajúcom.

Súhrn všetkých procesov prebiehajúcich v temnej fáze je prezentovaný vo forme jedinečného reťazca postupných premien oxidu uhličitého pochádzajúceho z vonkajšieho prostredia:

  1. Prvou reakciou v takomto reťazci je fixácia oxidu uhličitého. Prítomnosť enzýmu RiBP-karboxyláza prispieva k rýchlemu a hladkému priebehu reakcie, ktorej výsledkom je vznik šesťuhlíkovej zlúčeniny, ktorá sa rozpadne na 2 molekuly kyseliny fosfoglycerovej;
  2. Potom nastáva pomerne zložitý cyklus, vrátane určitého počtu reakcií, po ktorých sa kyselina fosfoglycerová premení na prírodný cukor – glukózu. Tento proces sa nazýva Calvinov cyklus;

Spolu s cukrom dochádza aj k tvorbe mastných kyselín, aminokyselín, glycerolu a nukleotidov.

Podstata fotosyntézy

Z tabuľky porovnávajúcej svetlé a tmavé fázy prirodzenej syntézy môžete stručne opísať podstatu každej z nich. Svetelná fáza sa vyskytuje v grane chloroplastu s povinným zahrnutím svetelnej energie do reakcie. Reakcie zahŕňajú zložky, ako sú proteíny prenosu elektrónov, ATP syntetáza a chlorofyl, ktoré pri interakcii s vodou vytvárajú voľný kyslík, ATP a NADP H2. Pre tmavú fázu, ktorá sa vyskytuje v stróme chloroplastu, slnečné svetlo nie je potrebné. ATP a NADP H2 získané v predchádzajúcej fáze pri interakcii s oxidom uhličitým tvoria prírodný cukor (glukózu).

Ako je možné vidieť z vyššie uvedeného, ​​fotosyntéza sa javí ako pomerne zložitý a viacstupňový jav, vrátane mnohých reakcií, ktoré zahŕňajú rôzne látky. V dôsledku prirodzenej syntézy sa získava kyslík, ktorý je nevyhnutný pre dýchanie živých organizmov a ich ochranu pred ultrafialovým žiarením tvorbou ozónovej vrstvy.