fotosintez

1.

ФОТОСИНТЕЗ
Фотосинтез – ( от греческих слов photos - свет и synthesis –
создание) – процесс образования органических соединений из
неорганических (СO2 и H20) под действием энергии
солнечного излучения. В ходе фотосинтеза энергия солнечных
лучей превращается в энергию химических связей
Фотосинтез происходит в тех организмах, в клетках которых
содержатся пигменты, улавливающие свет (высшие растения,
водоросли, цианобактерии, некоторые простейшие)
Пигменты фотосинтеза:
1)Хлорофилл (от греч. chloros –зеленый, phyllon – лист),
пигмент зеленого цвета.
2)Каротиноиды (каротины и ксантофиллы), пигменты
красного оранжевого, желтого цвета.
Почему фотосинтез окислительно – восстановительный
процесс?
Окислительно – восстановительные реакции – это реакции в
ходе которых происходит перенос электронов или атомов
водорода (H) от донора к акцептору. Пи этом донор окисляется,
а акцептор восстанавливается. При фотосинтезе углекислый
газ (СO2) восстанавливается до глюкозы, а вода (H20) до
кислорода (O2).
Помним из химии: донор – кто отдает, акцептор – кто
принимает =)
Строение хлоропласта
Хлорофилл и каротиноиды располагаются в мембранах
тилакоидов.
Пигменты поглощают энергию солнечного света с разной
длиной волны и превращают ее в энергию химических
связей.
Хлорофилл поглощает – красные и сине-фиолетовые
лучи спектра.
Каротиноиды – поглощают только сине-феолетовые лучи,
а полученную энегрию передают на хлорофилл, а также
защищают хлорофилл от разрушения светом и от
окисления кислородом.
В клетках обязательно должны быть переносчики электронов и
вещества запасающие энергию. Переносчиками электронов
являются цитохромы (железосодержащие белки), НАДФ
(никотинамидадениндинуклеотидфосфат), который присоединяя
атом водорода (H) восстанавливается до НАДФ – H, энергия
запасается в виде молекулы АТФ
Наружная мембрана – гладкая
Внутренняя – образует мембранные мешочки – тилакоиды
Тилакоиды лежат друг на друге и образуют граны
Внутренняя полость хлоропласта называется строма
Термин «Фотосинтез» был предложен в в XIX в.
Вильгельмом Пфеффером

2.

Фотосинтез состоит из 2х фаз
Световая
(протекает на
мембранах тилакоидов
хлоропластов)
Темновая
(протекает в строме)
В световой фазе
образуется свободный
кислород (О2),
восстанавливается
НАДФ – H,
накапливается энергия
(АТФ)
В темновой фазе
образуется глюкоза
ФОТОСИСТЕМЫ
Пигменты фотосинтеза располагаются группами,
которые называют фотосистемами

3.

4.

Светофая фаза фотосинтеза
Этапы светофой фазы:
1.Энергия солнечных лучей поглощается хлорофиллом и переводит его
молекулу в возбужденное состояние, т.е. электрон в молекуле хлорофилла
переходит на более высокий энергетический уровень;
2.Электрон в фотосистеме I находится на удаленной орбитали (на
высоком энергетическом уровне) недолго, накопив энергию, хлорофилл
отдает энергию акцептору (переносчику электронов) –
P430 (железосодержащий белок);
3.Далее богатый энергией электрон передается по цепи переноса
электронов на НАДФ, который восстанавливается до НАДФ-H;
4. Хлорофилл в реакционном центре фотосистемы I находится в
окисленном состоянии, т.к. он отдал свой электрон, из-за этого возникает
энергетическая дыра;
5.Энергетическая дыра в фотосистеме I заполняется электронами из
фотосистемы II;
6.Под действием света электрон хлорофилла реакционного центра R680
фотосистемы II переходит в возбужденное состояние, захватывается
акцептором Z;
7.По цепи переноса электроны передаются на хлорофилл фотосистемы I,
и теперь уже в фотосистеме II образуется электронная дыра;
8. Электронная дыра в реакционном центре R680 фотосистемы II
заполняется электронами, входящими в состав молекулы воды и
происходит ФОТОЛИЗ ВОДЫ
9. При фотолизе воды возникают протоны и электроны, которые
возмещают электроны, потерянные молекулами хлорофилла P680
10. Перемещаясь от фотосистемы к фотосистеме по цепи переносчиков
электронов, в ходе окислительно-восстановительных реакций, электрон
отдает избыточную энергию которая идет на синтез молекулы АТФ - т.е.
происходит фотосинтетическое фосфорилирование
Фотолиз воды – расщепление воды под
действием солнечного света в хлоропласте.
При фотолизе воды – свободный кислород
(О2) через устьице листа выделяется в
атмосферу, протоны (H+) скапливаются с
внутренней стороны мембраны тилакоидов,
а электроны - с внешней. В результате по обе
стороны мембраны накапливаются
противоположные заряды. При достижении
критической разницы, часть протонов
проталкивается на внешнюю сторону
мембраны через канал АТФ-синтетазы. В
результате этого выделяется энергия,
которая используется для фосфорилирования
молекул АДФ и образование молекул АТФ.
Протоны, попав на поверхность мембраны
тилакоидов, соединяются с электронами и
образуют атомарный водород, который
используется для восстановления молекулыпереносчика НАДФ. Благодаря этому
окисленная форма - НАФД превращается в
восстановленную – НАДФ –Н.

5.

Темновая фаза фотосинтеза
Происходит в строме хлоропластов
Темновая фаза – циклический процесс,
в ходе которого углекислый газ (СO2)
восстанавливается до глюкозы (С6H12О6)
Обязательное условие темновой фазы – достаточное количество АТФ и НАДФ – Н
Установлено, что для синтеза 1 молекулы глюкозы требуется
18 молекул АТФ и 12 молекул НАДФ - Н
Этапы темновой фазы фотосинтеза:
1.В хлоропласты из атмосферы поступает углекислый газ (СO2);
2. Углекислый газ вовлекается в ЦИКЛ КАЛЬВИНА:
3.Углекислый газ (СO2) соединяется с производным 5-углерододного
соединения сахара (рибозы) – рибулодифосфатом (РДФ). РДФ всегда
присутствует в строме;
4. В резулттате взаимодействия СO2 + РДФ образуется нестойкое
6-углеродное соединение, которое распадается на
2 молекулы 3-углеродной фосфоглицериновой кислоты ФГК;
5. ФГК восстанавливается до фосфоглицеринового альдегида ФГА.
На данном этапе используются продукты образованные в световую
фазу:
НАДФ – Н и АТФ (источник энергии)
Из 6 молекул РДФ и 6 молекул СО2 образуется 12 молекул ФГА
6. Две молекулы ФГА выходят из цикла используются для синтеза
6-углеродного соединения фруктозо-6-фосфат, которое далее
превращается в глюкозу;
7. Остальные 10 молекул ФГА вступают в процесс, ведущий к
образованию РДФ – первичного акцептора СО2;
Благодаря Циклу Кальвина
обеспечивается
непрерывность реакций
темновой фазы.
Кроме углеводов, в цикле Кальвина
из ФГК могут образовываться
аминокислоты, в т.ч. аланин,
глицин, серин, а из них белки.
В отсутствие света растения потребляют
атмосферный кислород и окисляют
запасенные днем глюкозу, фруктозу,
крахмал и т.д.

6.

Взаимосвязь световой и темновой фазы фотосинтеза
Экспериментами доказано, что свет необходим
только на первых этапах фотосинтеза –
возбуждении пигментов. Остальные процессы
могут идти и в темноте, главное условие
процессов которые происходят в темноте –
наличие в среде АТФ и НАДФ – Н
(которые образуются в световой фазе).
Если прекратить освещение, фиксация
углекислого газа некоторое время будет
продолжаться, а затем полностью
прекратиться, однако если в среду добавить
АТФ и НАДФ – Н, синтез глюкозы
возобновится даже в полной темноте, т.о.
можно сделать вывод о взаимосвязи световой и
темновой фаз.
Космическая роль зеленых растений (К.А. Тимирязев)
Фотосинтез – единственный процесс, в ходе которого энергия солнечного излучения улавливается и остается на Земле,
превращаясь в энергию химических связей органических соединений, в этом и заключается по мнению К.А. Тимирязева
«космическая роль зеленых растений», т.к.:
1)благодаря созданному растениями органическому веществу существуют все остальные живые организмы: бактерии,
животные, гриб, человек;
2)на протяжении миллионов лет часть образовавшихся в ходе фотосинтеза органических соединений исключалась из
круговорота веществ и консервировалась в виде каменного угля, торфа, нефти, газа;
3)фотосинтез способствует освобождению атмосферы от избыточного количества углекислого газа и как следствие
уменьшению парникового эффекта и сдерживанию общего потепления климата;
4)выделяемый растениями кислород поддерживает озоновый слой атмосферы, который защищает Землю от
коротковолновых ультрафиолетовых лучей.
Факторы способствующие повышению эффективности фотосинтеза:
1)оптимальное количество влаги в почве и углекислого газа в атмосфере 2)световой режим 3)наличие в почве элементов
минерального питания 4)оптимальная для фотосинтеза температура (+25 +30) 5)здоровые листья растаний, с большим
количество устьиц 6)чистая окружающая среда, т.к. пыль и сажа приводят к снижению эффективности фотосинтеза

7.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ФОТОСИНТЕЗА
Ян Ван Гельмонт
Опыт с ивой в глиняном горшке. Ян Гельмонт насыпал в горшок
высушенной в печи почвы, смочил ее водой и посадил побег ивы
массой 2,25 кг. Каждый день он поливал дерево чистой дождевой
водой. Через 5 лет Ян Гельмонт очистил корни ивы от почвы,
взвесил содержимое горшка и извлеченное из него растение.
Оказалось, что за время эксперимента масса ивы увеличилась на
74,4 кг, в то время как масса почвы уменьшилась только на 57
грамм. На основании данных был сделан вывод: все вещества в
растении образуются из воды, которой он поливал иву, а не из почвы
- «водная теория питания растений»
В 1771 г. эксперимент Дж. Пристли
Вопрос: почему воздух полей и лесов чище, чем городской?
Предположение: растения очищают воздух от веществ, выделяемых при дыхании людьми и животными, а также
предприятиями.
Опыт: под стеклянный колпак Дж. Пристли положил под стеклянный колпак растение мяты, зажженную свечу и мышь
Обнаружил, что растение исправляет воздух, испорченный горением свечи или дыханием мыши и при этом мышь спокойно
дышит под колпаком. Однако, в 1771г. кислород еще не был открыт, и объяснить причину по которой воздух становится
пригодным для дыхания ученый не смог.
В 1776г. Шлее повторил опыт Дж. Пристли но не получил описанного ранее результата.
Объяснить неудачу смог Ингенхауз – он отметил, что Пристли проводил эксперименты при ярком свете, а Шлее при слабом
освещении. Ингенхауз доказал что воздух очищается зелеными частями растений, когда они находятся на свету.
1782г. Ж. Сенебье доказал, что растения не только выделяют кислород, а также поглощают углекислый газ в качестве
источника углерода. Поглощение СО2 было названо «углеродным питанием растений»

8.

ХЕМОСИНТЕЗ
Хемосинтез (от греч. Chemeia – химия и synthesis – cоздание) – Открыл процесс хемосинтеза – С.Н. Виноградский
процесс образования органических веществ из
Хемосинтез характерен только для бактерий
неорганических путем их окисления.
Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак,
1887г. С.Н. Виноградский доказал, что серобактерии
образующийся при гниении органических остатков
способны развиваться при наличии в среде, лишь
сначала до азотистой кислоты, а затем до азотной
сероводорода и воздуха. Используя сероводород,
кислоты. Азотная кислота реагируя с минеральными
серобактерии откладывают в клетках шарики серы.
соединениями почвы, превращается в соли азотной
При отсутствии сероводорода эта сера окисляется до
кислоты (нитриты), которые усваиваются растениями.
серной кислоты. Выделяемая энергия окисления идет
на образование органических веществ
Железобактерии используют энергию, которая
высвобождается при окислении
двухвалентного железа в трехвалентное
Водородные бактерии окисляют водород, который
образуется при разложении органических остатков
микроорганизмами почвы в бескислородных условиях
Метанобактерии используют энегрию которая
выделяется при восстановлении углекислого газа из
метана
Хемосинтез в клетке бактерии происходит в мезосомах
(складки цитоплазматической мембраны бактерий,
образующиеся при использовании химических методов
фиксации во время подготовки образцов к
электронной микроскопии )
Значение хемосинтеза:
1.Образование органических веществ из
неорганических;
2.Обогащение почвы нитратами и нитритами;
3.Круговорот веществ: S, N, Fe и т.д.
4.Утилизация ядовитых веществ;
5. Получение кормового белка;
6.Очистка промышленных сточных вод

9.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССОВ
ДЫХАНИЯ И ФОТОСИНТЕЗА В КЛЕТКАХ РАСТЕНИЙ
Дыхание
Фотосинтез
Отношение к солнечному свету
Происходит и на свету, в темноте
Только на свету
Место осуществления процесса
Все живые клетки
(цитоплазма и митохондрии)
Только зеленые клетки (хлорофилл)
Основные этапы процесса
3 этапа: подготовительный, гликолиз
(бескислородный), кислородный
(аэробное дыхание)
2 фазы: световая и темновая
Исходные вещества
Органические вещества и кислород
Углекислый газ и вода
Конечные продукты
Углекислый газ и вода
Органические вещества и кислород
Место образования АТФ
Митохондрии
Хлоропласты
Превращение энергии
Энергия высвобождается
(преобразуется энергия химических
связей органических веществ в
энергию макроэргических связей
АТФ)
Энергия поглощается (преобразуется
энергия солнечного света в энергию
химических связей органических
веществ)