Фотосинтез. История изучения вопросв фотосинтеза

1. Урок - лекция

2.

«Природа поставила себе задачей уловить на лету
притекающий на Землю свет, превратить эту
подвижнейшую из сил природы в твердую форму
и собрать ее в запас. Для этого она покрыла
земную кору организмами, которые в течение
своей жизни поглощают солнечный свет и
превращают потребляемую таким образом силу в
непрерывно нарастающий запас химической
разности. Эти организмы - растения»
Роберт Майер

3. Основополагающий вопрос

Какова роль
растений в биосфере?

4. Проблемные вопросы

Как энергия кванта света преобразуется в энергию
того первичного вещества, которое потом дает
энергию для синтеза органических веществ?
Почему растения ночью «отдыхают», несмотря на
то, что недостатка в электромагнитных излучениях, попадающих на листья, нет: земля сама излучает инфракрасные лучи, да и растение в процессе
своей жизнедеятельности также их излучает?

5. Опорные точки урока

История изучения процесса фотосинтеза
Фотосистемы
Особенности строения листьев
Строение хлоропластов
Фазы фотосинтеза
- световая фаза
- темновая фаза
Общая схема фотосинтеза
Влияние на скорость фотосинтеза различных
факторов
Значение фотосинтеза

6. Основные понятия урока

Фотосинтез
фотосистема
Хлоропласты
Тилакоиды
Граны
Строма
Ламеллы
Световая фаза
Темновая фаза
Фосфорилирование
Цикл Кальвина

7. История изучения процесса фотосинтеза

Ян ван Гельмонт. XVII век. Эксперимент по
выращиванию ивы в кадке. Вывод: растение
образует все вещества из воды.
Мерчелло Мальпиги. 1667 год. Растение
перестает развиваться, если у проростков
тыквы оборвать первые зародышевые
листочки. Вывод: под действием солнечных
лучей в листьях растений происходят какие-то
преобразования и испаряется вода.

8.

Опыт Ван Гельмонта.
2,3 кг
80 кг
растение увеличилось в
размерах и массе за 5 лет
на 74 кг
76,3кг
79 кг 943 г

9. История изучения процесса фотосинтеза

Середина XVIII века. Шарль Бонне решал
проблему: откуда берется воздух,
покрывающий листья растений, погруженных
воду и выставленных на солнце. Вывод:
растение не играет существенной роли в
процессе выделения воздуха, он собирается из
воды на поверхности листа. (?)
Джозеф Пристли. 1772 год. Знаменитый опыт
со свечой и мятой. Вывод: растение улучшает
воздух и делает его пригодным для дыхания и
горения. Первое предположение о роли света в
жизнедеятельности растений.

10. Опыты Джозефа Пристли 1771г.

11. История изучения процесса фотосинтеза

Жан Сенебье. 1800 год. Установил, что листья
разлагают углекислый газ под действием солнечного света.
Вторая половина XIX века. Получена спиртовая вытяжка зеленого цвета с сильной кроваво-красной флюоресценцией. Это вещество
названо хлорофиллом.
Роберт Майер. Вывод: количество отлагающегося в растениях углерода должно зависеть от
количества падающего на растение света.

12. История изучения процесса фотосинтеза

Климент Аркадьевич Тимирязев.
Исследовал влияние различных участков
солнечного света процесс фотосинтеза.
Вывод: процесс фотосинтеза идет
интенсивно в красных лучах; интенсивность
фотосинтеза соответствует поглощению
света хлорофиллом; усваивая углерод,
растение усваивает и солнечный свет,
переводя его энергию в энергию
органических веществ.
Лондонское королевское общество.1903 год.
Лекция «Космическая роль растений»

13. Фотосистемы

Фотосистема – I. Фотосинтезирующие
бактерии.
СО2 + 2Н2S + световая энергия (СН2О)+Н2О+2S
Фотосистема – II. От сине-зеленых
водорослей до настоящих растений.
СО2 +2Н2О +световая энергия (СН2О) +Н2О+О2

14. Особенности строения листьев

Плоские, широкие,
большая поверхность
Эпидермис – бесцветный защитный слой с
устьицами
Тонкостенные клетки
ассимиляционной ткани
Сосудисто-волокнистые
пучки

15.

Локализация
фотосинтетичес
кого аппарата в
клетке зеленого
растения

16.

ГРАНА
СТРОМА
ТИЛАКОИД
ЛЮМЕН
ВАКУОЛЬ
ХЛОРОПЛАС
Т
ЯДРО

17. Строение хлоропластов

Двумембранные
органоиды
Внутренняя часть строма
Тилакоиды – мембраные
компоненты, образующие граны
Ламеллы (одиночные
тилакоиды) соединяют
граны
У высших растений
эллиптической формы
В зависимости от
освещенности меняют
свое положение

18. Строение хлоропластов

Хлоропласт –
двумембранный
органоид
двояковыпуклой
формы. Это
обеспечивает лучшее
поглощение света.
Цвет зависит от
наличия хлорофилла.
Количество в клетке
40-60 штук. Размер: 3-4
до 16-20 мкм.

19. Виды хлорофилла

Наиболее распространены
хлорофиллы а, b
Хлорофилл а – желтозеленая окраска, поглощает
свет наиболее интенсивно в
красном и
ультрафиолетовом спектрах.
Имеется у всех растений.
Хлорофилл b – сине-зеленого
цвета поглощает энергию в
фиолетовом спектре,
значительно меньше в
красном. Встречается у
высших растений и зеленых
водорослей.
Хлорофилл с – зеленой
окраски есть у бурых и
некоторых одноклеточных
водорослей.

20. Строение и свойства хлорофилла

В состав хлоропластов входит два вида хлорофилла:
COOCH3
С32Н30ОN4Mg
COOC20H39
COOCH3
С32Н28О2N4Mg
COOC20H39
Хлорофилл а
С55Н72О5N4Мg
сине-зеленого цвета
Хлорофилл в
С55Н70О6N4Мg
желто-зеленого цвета
- Хлорофилл имеет зелёную окраску, нерастворим в воде, растворим
в органических растворителях- спиртах, эфирах.
- Хлорофилл поглощает почти все красные и сине – фиолетовые лучи.
Зелёные лучи поглощаются слабо, чем и обусловлена зелёная окраска растений.

21.

Для более полного использования падающего на листья
света, энергия фотонов улавливается 200-400 молекулами
пигментов светособирающего (антенного) комплекса и
передается к одной молекуле хлорофилла, являющейся
реакционным центром, которая и участвует в
фотохимических реакциях.
Хлорофилл

22.

ЭТОТ ЭЛЕКТРОН ПЕРЕДАЕТСЯ ПО
ЦЕПИ ЦИТОХРОМОВ
Фотон света
Атом молекулы
хлорофилла
Электрон в
составе молекулы
хлорофилла, и
энергия фотона
переходит в
энергию
перемещения
электрона на
вышележащую
орбиталь, т.е. на
более высокий
энергетический
уровень.

23. ФОТОСИНТЕЗ

Биологический смысл:
преобразование солнечной энергии
в химическую энергию
органических соединений.

24.

ФОТОСИНТЕЗ
СВЕТОВАЯ ФАЗА
Молекулы пигментов поглощают
фотоны, передают поглощенную
энергию молекулам хлорофилла,
происходит трансформация энергии
света в химическую энергию АТФ и
восстановленного НАДФ*Н,
выделяется кислород в результате
фоторазложения воды. Эти процессы
происходят на мембранах
хлоропластов.
ТЕМНОВАЯ ФАЗА
В строме хлоропластов
восстанавливается поглощенный
СО2 с образованием углеводов и
других органических
соединений.

25. Фотосинтез

Световая фаза
Фотосинтез
Темновая фаза
Признаки
Световая фаза
Темновая фаза
Где происходит
В мембранах
тилакоидов
В строме
Когда происходит
Только на свету
Всегда: и на свету и в
темноте
Какая Е используется
Солнечная
АТФ и НАДФ*Н
Результат
Аккумуляция
Образование
солнечной Е и
углеводов (гексоз)
преобразование ее в Е
химических связей
АТФ и НАДФ*Н

26. Световая фаза

Протекает только под действием солнечной энергии. Реакции
световой фазы происходят на мембранах тилакоидов, где
располагается фотосинтезирующий пигмент — хлорофилл.
В световую фазу происходит несколько процессов:
1) возбуждение хлорофилла квантами света и перемещение
возбужденных электронов;
2) фотолиз воды под действием света, образование
кислорода и протонов водорода;
3) синтез молекул АТФ за счет энергии возбужденных
электронов;
4)соединение водорода с переносчиком НАДФ+
(никотинамид-адениндинуклеотидфосфат) и образование
НАДФ-Н2.

27. Механизм световой фазы фотосинтеза

Р430
Ферредоксин
Редуктаза
НАДФ*Н
е
Пластохинон
АДФ
АТФ
е
НАДФ*
hy
Z
Р700
Фотосистема 1
О2
Цитохром b
е
Цитохром f
е
Пластоцианин
Р680
2Н2О
4е
hy
4Н*
Фотосистема 2

28.

НАДФ+
СВЕТ
СВЕТ
н
НАДФ•Н2
ē
фотосистема1
Фотосистема 2
ē
1) Квант света поглощается фотосистемой I (Р700), возбуждённые светом
электроны по цепи переносчиков переносятся на наружную сторону
мембраны и создают отрицательно заряженное электрическое поле.
Возникшая в Р700 «Дырка» заполняется возбуждённым под действием
света электроном из фотосистемы II (680).
«Дырка» в фотосистеме II заполняется электронами, образующимися
в результате фотолиза воды (разрушение воды под действием света).

29. 2) Фотолиз воды

А)
Под действием света вода разлагается на :
H2O → H+ +OHБ) Ионы гидроксила отдают свои электроны,
превращаясь в реакционно-способные радикалы ОН:
OH- - e- → OH
В) Образующиеся электроны передаются переносчиками
к молекулам хлорофилла и восстанавливают их, а
ради-калы ОН объединяются, образуя воду и
свободный кислород
4OH→ 2H2O + O2↑
Фотолиз воды идет на внутренней поверхности мембраны
тилакоида, которая непроницаема для ионов водорода. Они
скапливаются в тилакоидном пространстве, в так называемом
протонном (Н+)-резервуаре, образуя положительно заряженное
электрическое поле, что приводит к увеличению разности
потенциалов по обе стороны мембраны тилакоида

30.

3) При достижении критической разности потенциалов
(200 миллиВ) протоны Н+ устремляются по
протонному ка- налу в ферменте АТФ-ситетаза,
встроенном в мембрану тилакоида, наружу. На
выходе из протонного канала создаётся высокий
уровень энергии, которая идёт на синтез АТФ (АДФ
+ Ф = АТФ). Далее молекулы АТФ переходят в
строму, где участвуют в реакциях фиксации
углерода.
4). Протоны Н+, вышедшие на поверхность мембраны
тила-коида, соединяются с электронами, образуя
атомарный водород Нo , который идёт на
восстановление переносчика НАДФ+:
2е + 2Н++ НАДФ+ = НАДФ∙Н2.

31. Фазы фотосинтез - световая фаза (3с.) (перенос электронов в процессе фосфорилирования)

32. Схема расположения фотосистем , цепи переносчиков электронов и АТФ- синтетазы в мембране тилакоидов

1.Пигменты фотосистемы 2 обращены внутрь тилакоида;
2. Фотолиз воды происходит около фотосистемы 2;
3. Электроны фотолиза воды переходят в фотосистему 2.
4. Электроны фотосистемы 2 переходят в фотосистему 1.
5. Электроны фотосистемы 2 переходят в фотосистему 1 по
цепи переносчиков е, встроенных в мембрану тилакоида.
6. Пигменты фотосистемы 1 обращены на наружную
поверхность мембраны тилакоида.
7. Протоны из протонного резервуара выходят в строму через
протонный канал в мембране.

33. Схема расположения фотосистем 1 и 2, цепи переносчиков электронов и АТФ – синтетазы в мембране тилакоида.

1. Если измерить рН в строме хлоропласта и внутри
тилакоида, то получатся разные значения.
Почему? Ответ обоснуйте.

34. Протекающие реакции

Разложение воды под действием
энергии света
Образование водорода и выделение
свободного кислорода
Накопление энергии в результате
синтеза АТФ
Связывание водорода с переносчиком

35. Темновая фаза фотосинтеза

Условия, необходимые для протекания
темновой фазы фотосинтеза:
1.Углекислый газ (СО2);
2.Энергия АТФ, НАДФ*Н;
3.Ферменты;
4. Акцептор СО2 – 1,5 – рибулозодифосфат.

36. Протекающие реакции

Фиксация углекислого газа
Восстановление углекислого
газа водородом
Синтез глюкозы за счет энергии АТФ

37. Цикл Кальвина

12 молекул АТФ
Цикл Кальвина
12 НАДФ*Н
+
12 молекул
Дифосфоглицериновой к-ты
восстановление
карбоксилирование
12 молекул
Фосфоглицериновой к-ты
12 молекул
триозофосфат
6СО2
6 молекул
1,5 - рибулозодифосфат
6 молекул
рибулозомонофосфат
1 молекула
глюкозы

38.

СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЙ В ЦИКЛЕ КАЛЬВИНА
1. 6С + 6С5
2. С6
3. 2С3
4. С6
1,5 дифосфаткарбоксилаза
карбоксилирование
гидролиз
С6
2С3
Группа ферментов
12 АТФ + 12 НАДФ*Н
фермент
полимеризация
С6
фермент
превращение
Фруктозо-6-фосфат
С6
глюкоза
крахмал
Сколько молекул глюкозы образуется при цикле Кальвина ?
Сколько нужно молекул углекислого газа, чтобы синтезировать
1 молекулу глюкозы?
Сколько молекул АТФ и НАДФ*Н нужно затратить для
производства 1 молекулы глюкозы?

39.

3
5
4
6
2
7
1
8
9
13
12
11
10 На образование С6Н12О6
необходимо 6 оборотов
цикла Кальвина:
6СО2, 12 Н, 18АТФ

40. Фазы фотосинтеза. Темновая фаза

41.

Фазы
фотосинт
еза
Процессы, происходящие в этой фазе
Результаты
процессов
I. а) хлорофилл –––(свет)–––> хлорофилл* +
e
Образоваб) e + белки-переносчики ––> на наружную ние
поверхность мембраны тилакоида
НАДФ·H2
в) НАДФ+ + 2H+ + 4 e –––> НАДФ·H2
Световая
фаза
II. Фотолиз воды
H2O –––(свет)–––> H+ + OH–
H+ –––> в протонный резервуар тилакоида
OH– –––> OH– – e –––> OH –––> H2O и O2?
e + хлорофилл* –––> хлорофилл
O2 – в
атмосферу
III. H+ протонного резервуара – источник
энергии, необходимой АТФ фазе для
синтеза АТФ из АДФ +ФН
Образование АТФ

42. Общая схема фотосинтеза

43. Фотосинтез (от греч. photos — свет и synthesis — соединение) Фотосинтез- это процесс образования органических веществ из неорганических при участ

Фотосинтез (от греч. photos — свет и synthesis — соединение)
Фотосинтез- это процесс образования органических веществ из
неорганических при участии световой энергии.
Фотосинтез- это процесс совокупность процессов поглощения,
превращения и использования световой энергии для
образования органических веществ из неорганических.
Суммарное уравнение фотосинтеза

44. Влияние на скорость фотосинтеза различных факторов

Длина световой
волны
Степень
освещенности
Концентрация
углекислого газа
Температура
Вода

45. Значение фотосинтеза

Значение фотосинтеза
«..
Используется 1%
падающей энергии,
продуктивность
около 1 г на 1 кв. м.
Выделяется кислорода при
фотосинтезе в 20-30 раз
больше, чем поглощается при
дыхании.
Без фотосинтеза запас
кислорода был бы
израсходован в течение
3 000 лет.

46. Все ли растения способны к фотосинтезу?

47.

48. Венерина мухоловка (Dionaea muscipula) - насекомоядное растение, способное питаться с помощью фотосинтеза, встречается в районах песчаных кустарни

Венерина
мухоловка
(Dionaea muscipula) насекомоядное растение,
способное питаться с
помощью фотосинтеза,
встречается в районах
песчаных
кустарниковых болот в
прибрежной части
Северной и Южной
Каролины. Частые в
этих местах пожары
уничтожают
конкурирующие с
мухоловкой растения и
приводят к дефициту
азота в почве.
А венерина мухоловка, обладая
уникальным приспособлением
для ловли насекомых, получает
дополнительный источник
незаменимых питательных веществ
(главным образом азота и
фосфора), которых лишены растения,
добывающие их из почвы.

49.

50.

51. Значение фотосинтеза

« … связь между солнцем и зеленым листом
приводит нас к самому широкому, самому
обобщающему представлению о растении. В
нем раскрывается перед нами космическая роль
растений. …микроскопическое зеленое зерно
хлорофилла является фокусом в мировом
пространстве, в который с одного конца
притекает энергия солнца. А с другого берут
начало все проявления жизни на Земле.
Похищенный им луч солнца горит и в
мерцающей лучине и в ослепительной искре
электричества. Луч солнца приводит в
движение и чудовищный маховик паровой
машины, и кисть художника, и перо поэта».
К.А. Тимирязев

52. Значение фотосинтеза

Значение фотосинтеза
«..
Используется 1%
падающей энергии,
продуктивность
около 1 г на 1 кв. м.
Выделяется кислорода при
фотосинтезе в 20-30 раз
больше, чем поглощается при
дыхании.
Без фотосинтеза запас
кислорода был бы
израсходован в течение
3 000 лет.

53. Контрольные вопросы.

Что такое фотосинтез?
Где находится хлорофилл?
Что такое фотолиз и под действием какого процесса он
происходит?
Что образуется в результате фотолиза?
Как образуется АТФ?
Какие вещества образуются в световой стадии фотосинтеза?
Какие вещества образуются в темновой стадии фотосинтеза?
Под действием каких соединений образуются эти вещества?
Под действием каких веществ образуются вода и кислород?
Какова роль фотонов света?
Каково значение разности водородных потенциалов
возникших на разных сторонах мембран тилакойдов?
Каково значение фермента НАДФ?