фотосинтез и хемосинтез 10 (1)

1. Фотосинтез и хемосинтез

10 класс

2. Фотосинтез

Это
процесс
первичного
синтеза
органических
веществ
из
неорганических (углекислого газа и
воды), осуществляемый с помощью
энергии Солнца.

3. Из истории фотосинтеза - 17 век

4.

5. Марчелло Мальпиги 1667 г.

Если оторвать у проростков тыквы
зародышевые листочки, то растение
перестает развиваться.
То есть для развития растений
необходим солнечный свет

6. Джозеф Пристли 1772 г.

Под
стеклянный колпак, под которым потухла
свеча он поместил мяту и оставил на некоторое
время.
Растение не погибло, а наоборот дало новые
листья.
Когда через некоторое время Пристли внес туда
лучинку, то она ярко вспыхнула, что говорит о
наличии под колпаком кислорода.

7. Опыт Пристли

8.

9.

10.

11. Строение хлоропласта листа

Размер 10 мкм. Дисковидная форма. Число варьируется
от 1 до 40. Внутренняя мембрана образует плоские
пузырьки – тилакоиды. Стопки тилакоидов – граны.
Ферменты, восстанавливающие углекислый газ до
глюкозы находятся в строме.

12. Основной пигмент хлоропластов - хлорофилл

По структуре напоминает пигмент
эритроцитов человека и животных – гем.

13. Строение хлорофилла

Основой является
порфириновое кольцо, в
котором 4 пиррольных
гетероцикла соединены
между собой.
Пиррольные кольца
координированы с атомом
магния.
Длинная боковая
гидрофобная цепь (С20Н39)
служит для закрепления
молекулы в липидном слое
мембраны тилакоида
и для придания ей
определенной
ориентации.

14. Формы хлорофиллов

Спектры хлорофиллов А и В
находятся в разных областях.
В фотосинтезе участвуют и
каротиноиды и фикобилины
(как вспомогательные
пигменты у высших растений и
водорослей)

15. Фотосинтезирующие пигменты

1. Хлорофилл а -
2. Хлорофилл b
3. Каротиноиды

16. Задание олимпиады

Осуществление процесса фотосинтеза невозможно без
хлоропластов. Каждый хлоропласт содержит пигментную
систему, представленную двумя типами пигментов:
зелеными – ………………………….……………..и желтыми –
……………………………………………. В процессе фотосинтеза
световая энергия перед преобразованием в химическую
энергию поглощается пигментами. Пигменты,
локализованные в пластидах, поглощают свет видимой
части спектра ……………………… нм. Пигменты поглощают
видимый свет не полностью, а избирательно, т.е. каждый
пигмент имеет свой характерный спектр поглощения. На
рисунке изображены спектры поглощения пигментов
хлорофилла, укажите какой спектр - характерен для
какого пигмента Длина волны, нм.

17. Решение задания

Осуществление процесса фотосинтеза невозможно без
хлоропластов.
Каждый хлоропласт содержит пигментную систему,
представленную двумя типами пигментов:
зелеными –(хлорофиллами а и b) и желтыми –
(каротиноидами).
В процессе фотосинтеза световая энергия перед
преобразованием в химическую энергию поглощается
пигментами. Пигменты, локализованные в пластидах,
поглощают свет видимой части спектра (380-720 нм).
Пигменты поглощают видимый свет не полностью, а
избирательно, т.е. каждый пигмент имеет свой
характерный спектр поглощения.

18.

На рисунке изображены спектры поглощения пигментов
хлорофилла, укажите какой спектр - характерен для
какого пигмента:
1. Хлорофилл а
2. Хлорофилл b
3. Каротиноиды

19.

20. Фотосинтезирующие пигменты

1) Хлорофиллы окрашены в различные оттенки зеленого цвета:
Хлорофилл а имеет сине-зеленую окраску
Хлорофилл b — желто-зеленую.
Это связано с тем, что хлорофиллы поглощают свет преимущественно в
сине-фиолетовой и красной частях спектра и отражают
световые волны, дающие при смешивании зеленый цвет.*
2) Каротиноиды:
Каротин – оранжевый
Ксантофилл - желтый
Поглощают сине-фиолетовую часть спектра
3) Фикобилины:
Фикоциан - сине-фиолетовый
Фикоэритрин – фиолетово-красный
Поглощают зеленую часть спектра

21.

22.

23.

24.

25.

26.

27. Общая Схема фотосинтеза

28.

29.

Световая фаза (Пояснения к предыдущему слайду)
ФС 1 (Р700) – фотохимический центр, Р – пигмент, поглощающий длину
волны 700 нм (есть у растений, сине-зеленых и фотосинтезирующих
бактерий – зеленых и пурпурных)
Образовавшаяся «дыра» от электрона заполняется из ФС 2 (Р680) (есть у
растений и сине-зеленых)
ФС 2 компенсирует электроны благодаря фотолизу воды.
Кислород является побочным продуктом данной реакции и выделяется в
атмосферу (это тот кислород, которым мы дышим)

30.

31. Световая фаза

Фотолиз
идет на внутренней мембране
тилакоида и ионы водорода скапливаются
там (Н+ - резервуар)
Через специальные протонные каналы ионы
водорода переходят в строму хлоропласта
Каналы
связаны с ферментом АТФсинтетазой, катализирующей синтез АТФ
НАДФ+
принимает
ионы водорода
восстанавливается до НАДФ * 2Н
и

32. В световую фазу протекают процессы

1.
Возбуждение хлорофилла и перемещение
электронов по фотосинтетическим системам
2. Фотолиз воды и образование кислорода
3. Синтез молекул АТФ (ФС II)
4.
Соединение водорода со специальным
переносчиком НАДФ+ и образование НАДФ *2Н
(никотинамидадениннуклеотидфосфат
востановленный)(ФС I)

33. Мэлвин Кальвин изучил темновую фазу фотосинтеза

процессы
темновых
реакций
фотосинтеза открыты в 1957 г.
В
1961
году
–
получена
Нобелевская премия в области
химии «за исследование усвоения
двуокиси углерода растениями»

34.

35. Темновая фаза

В строму хлоропласта поступают НАДФ*2Н, АТФ из световой
фазы, СО2 из атмосферы
Цикл Кальвина (С3 путь):
1. Карбоксилирование –присоединение СО2 к
Рибулозобифосфату (РиБФ – 5С сахар)
2. Образование 2 молекул фосфоглицериновой кислоты
(ФГК)- 3С (триоза)
3. Через ряд реакций ФГК преобразуется в глюкозу
(используется энергия АТФ, НАДФ*2Н)
Кроме глюкозы , в процессе фотосинтеза образуются
аминокислоты, глицерин, жирные кислоты, нуклеотиды

36. Во время темновой стадии

1. Две триозы идут на синтез глюкозы
2. Триозы могут использоваться на синтез
аминокислот, глицерина и высших
жирных кислот
3. Часть триоз стимулируют повтор цикла
Кальвина
6СО2 + 12 НАДФ*2Н + 12 АТФ = С6Н12О6 +
12 НАДФ+ + 12 АДФ + 12 Фн

37.

38. Путь Хэтча- Слэка (С4 путь)

Первыми продуктами фотосинтеза являются 4С соединения
1.
Карбоксилирование
–
присоединение
СО2
к
фосфоенолпирувату (ФЕП, 3С), в результате образуется
оксалоацетат (4С)
2. Оксалоацетат превращается в малат
3. В клетках обкладки малат
декарбоксилируется,
дегидрируется, образуется пируват, СО2 и НАДФ*2Н
4. Пируват возвращается в клетки мезофилла и регенерирует в
ФЕП (за счет энергии АТФ)
5. СО2 вновь фиксируется РиБФ с образованием ФГК
С4 растения - кукуруза, сорго, просо, сахарный тростник

39.

40.

41.

42.

43.

44.

45.

46.

47.

48. С4 растения

19 семейств цветковых (3-однодольные, 16-двудольные)
Практически все С4 растения адаптированы к высокой инсоляции,
повышенным температурам и засухе.
С4 растения
процветают даже
губительны для многих С3-видов
при
температурах,
которые

49. Темновая фаза фотосинтеза (строма)

1. Из углекислого газа, поступающего из атмосферы и
воды осуществляются циклические процессы (цикл
Кальвина)
2. Происходит восстановление
углерода водородом
НАДФ *2Н за счет энергии АТФ
3. Синтез глюкозы
Так как в каждом цикле присоединяется только 1
молекула СО2 , то чтобы получить глюкозу цикл должен
повториться 6 раз

50.

51. Сущность фотосинтеза

52. Влияние на скорость фотосинтеза

1. Длина световой волны (лучше всего синяя и
красная части спектра)
2. Степень освещенности
3. Концентрация СО2 (в теплицах скорость выше)
4. Температура (25-30 С оптимальна)
5. Наличие воды

53.

54. Значение фотосинтеза

Продукты фотосинтеза – органические вещества –
используются организмами:
1.
Для построения клеток
2.
Как источник энергии для процессов жизнедеятельности
Человек использует созданные растениями вещества:
1.
В качестве продуктов питания (плоды, семена и т.д.)
2.
В качестве источников энергии (уголь, торф древесина)
3.
Как строительный материал в производстве мебели и т.д.

55.

56. Сравнительная характеристика фотосинтеза и дыхания эукариот

Признак
Фотосинтез
Дыхание
Уравнение
реакции
6 СО2 + 6Н2О +
энергия света =
С6Н12О6 + 6 О2
С6Н12О6 + 6 О2 =
6 СО2 + 6Н2О +
энергия (АТФ)
Исходные
вещества
Углекислый газ,
вода
Органические
вещества,
кислород
Продукты реакции Органические
вещества,
Углекислый газ,
вода

57. Сравнительная характеристика фотосинтеза и дыхания эукариот

Признак
Фотосинтез
Дыхание
Превращение энергии Превращение энергии Превращение энергии
света в энергию
химических связей
химических связей
органических
органических
веществ в энергию
веществ
макроэргических
связей АТФ
Важнейшие этапы
Световая и темновая
фазы (включая цикл
Кальвина)
Неполное окисление
(гликолиз) и полное
окисление (цикл
Кребса)

58.

59.

Назовите факторы, влияющие на интенсивность фотосинтеза.
1. Освещение, содержание хлорофилла. Чем больше, тем эффективнее идет
процесс фотосинтеза.
2. Температура. Сказывается на работе ферментов в реакциях фотосинтеза.
3. Содержание СО2 в воздухе. Повышение содержания СО2 увеличивает
интенсивность.
4. Вода. При водном дефиците интенсивность фотосинтеза снижается из-за
закрытия устьиц.
5. Минеральное питание. Исключение любого элемента питания сказывается
отрицательно.
6. Возраст листа и растения. В молодых листьях и растениях идет быстрее.
Назовите элементы минерального питания, необходимые для фотосинтеза.
1. Фосфор - на всех этапах фотосинтеза принимают участие
фосфорилированные соединения.
2. Калий принимает участие в открывании устьиц (и активирует процессы
фосфорилирования).
3. Магний входит в состав хлорофиллов (реакции карбоксилирования и
восстановления НАДФ).
(4) Марганец участвует в фотолизе, азот - в образовании пигментов, железо в синтезе хлорофиллов.

60.

Экспериментатор решил изучить влияние температуры на
активность фотосинтеза. В ходе эксперимента он изменял
температуру, показатели концентрации CO2 и интенсивности
освещения
не
менялись.
Результаты
исследования
экспериментатор
зафиксировал
в
виде
графика.
Какие
параметры
задаются
экспериментатором
(независимые
переменные), а какой параметр меняется в зависимости от этого
(зависимая переменная)? Объясните результаты эксперимента.
Как изменение температуры влияет на активность фотосинтеза?
Почему?
.

61.

Пояснение.
1. Независимые переменные (задаваемые
экспериментатором) — температура, концентрация
CO2 и интенсивность освещения.
2. Зависимая переменная (изменяющаяся в
результате эксперимента) — активность фотосинтеза.
3. При повышении температуры активность
фотосинтеза сначала растёт, но начиная с
определённой температуры стремительно снижается.
4. В световой и темновой стадии фотосинтеза
участвуют белки-ферменты.
5. Активность ферментов при повышении температуры
возрастает.
6. При достижении высоких температур белки
денатурируют. Денатурируя, белки меняют структуру и
как результат, теряют способность участвовать в
реакциях фотосинтеза

62.

22. Экспериментатор решил проанализировать вещества, содержащиеся в
листьях. В ходе эксперимента он закрыл лист с двух сторон черной бумагой
так, чтобы была прикрыта только его часть (рис. А). Растение он выставил на
свет. Через сутки исследуемый лист экспериментатор срезал, прокипятил,
выдержал в горячем спирте. В завершение эксперимента, он обработал лист
раствором йода. Область листа, которая была не закрыта бумагой окрасилась
в синий цвет. Какие параметры задаются экспериментатором (независимые
переменные), а какие параметры меняются в зависимости от этого
(зависимые переменные)? Объясните результаты опыта. Для каких целей лист
выдерживается в горячем спирте? Почему открытая часть листа поменяла
цвет после обработки раствором йода, а незакрытая нет? Почему в
эксперименте используется раствор йода?

63.

Пояснение.Элементы ответа:
1. Независимые переменные (задаваемые экспериментатором) —
наличие света, концентрация растворов, температура воды и спирта,
время, проведённое растением на свету (должно быть указано не менее
двух переменных, одна из которых — свет).
2.
Зависимые
переменные
(изменяющиеся
в
результате
эксперимента) — разрушение хлорофилла, цвет листа, накопление
крахмала в незакрытой части листа.
3. Лист выдерживается в горячем спирте, чтобы разрушить хлорофилл
и обесцветить лист.
4. На свету идёт процесс фотосинтеза, в результате которого
образуются углеводы. Углеводы в виде крахмала накапливаются в
амилопластах (крахмальных зёрнах).
5. В неосвещённой части листа через какое-то время прекращаются
процессы фотосинтеза. Как результат в этой области не запасается
крахмал.
6. Качественной реакцией на крахмал является его реакция с йодом. Те
части листа, которые были освещены изменили, окрасились в синий,
потому что в них был крахмал. Те части листа, которые были закрыты,
не окрасились.

64.

22. Экспериментатор решил исследовать пигментный состав листьев герани. Для
этого он произвёл спиртовую вытяжку пигментов из листа. Каплю вытяжки он
поместил на специальную бумагу (рис. А). После высыхания пигментной капли,
экспериментатор опустил бумажку в смесь растворителей (ацетон, этанол,
петролейный эфир в соотношении 2:3:100) (рис. Б). Через 45 минут
экспериментатор наблюдал полное разделение пигментов. Разделённые
пигменты он пронумеровал (рис. В). Полоска 1 — жёлто-зелёного цвета, 2 — синезелёного, 3 — жёлтого, 4 — оранжевого. Какие параметры задаются
экспериментатором (независимые переменные), а какой параметр меняется в
зависимости от этого (зависимая переменная)? Какой метод использовал
экспериментатор для разделения пигментов? На чём основан этот метод? Какие
пигменты находятся под номерами 1,2,3,4?

65.

1. Независимые (задаваемая экспериментатором) переменные —
соотношение компонентов смеси растворителя для разделения
пигментов, время проведения эксперимента.
2. Зависимая переменная (изменяющаяся в результате
эксперимента) — разная скорость движения пигментов.
3. Для разделения пигментов использовался метод хроматографии
ИЛИ бумажной хроматографии.
4. Метод основан на разной скорости движения веществ смеси через
адсорбент в зависимости от их способности связываться с его
частицами.
5. 1 — хлорофилл b (жз), 2 — хлорофилл a (сз), 3 — ксантофилл (ж), 4 —
каротин (ор.)
ИЛИ 1 — хлорофилл b, 2 — хлорофилл a, 3,4 — каротиноиды.
Полоска 1 — жёлто-зелёного цвета, 2 — сине-зелёного, 3 — жёлтого, 4 —
оранжевого.

66.

Багрянки обитают на глубине. Почему они способны к фотосинтезу, если толща
воды поглощает лучи красной части спектра? Какие растения поглощают лучи
зеленой части спектра?
1. Для фотосинтеза необходима энергия лучей красной и синей части спектра
(видимая часть спектра).
2. Клетки багрянок содержат красный пигмент, поглощающий лучи синей части
спектра.
3. Большинство зеленых растений поглощают красные лучи, зеленый спектр
необходим для фотосинтеза растений с плотным покровом (базилик) или со
складчатой структурой листьев (салат).

67. Хемосинтез

Процесс синтеза органических веществ из неорганических за счет энергии
окисления неорганических веществ
Открыт в 1889-1890 г. русским
микробиологом
Сергеем Николаевичем
Виноградским
(в др. источниках 1887 год)

68.

69. Нитрифицирующие бактерии (нитрозомонас и нитробактер)

2 NH3 + 3 O2 = 2 HNO2 + 2H2O + 662 кДж/моль
2 HNO2 + O2 =
2 HNO3 + 101 кДж/моль
Данные реакции
протекают в разных
группах
нитрифицирующих
бактерий

70. Серобактерии (бежиатоа и триотрикс)

2H2S + O2 = 2 H2O + 2S + Q
2S +3O2 + 2 H2O = 2H2SO4 + Q
На две реакции 666 кДж/моль.
Серобактерии обитают в Черном море на глубине 200 м.

71. Водородные бактерии

2H2 + O2 = 2H2O + Q
Вся энергия в этих процессах запасается в виде АТФ

72. Железобактерии (кренотрикс и лептотрикс)

4FeCO3 +
O2 + H2O = 4Fe(OH)3 + 4CO2 + Q
Все хемосинтетики являются облигатными аэробами,
так как используют кислород воздуха

73.

74. Значение хемосинтеза

1. Нитрифицирующие и денитрифицирующие участвуют в круговороте
азота, повышают плодородие почвы
2. Клубеньковые бактерии (ризобиум), живущие на корнях бобовых
растений связывают атмосферный азот

75. Значение хемосинтеза

Железобактерии участвовали в образовании
железных и марганцевых руд планеты
Водородные бактерии используются для получения
пищевого и кормового белка
Водородные бактерии используют для регенерации
атмосферы (например, на
водоочистительных станциях при
биологической очистки воды)