Світлова фаза фотосинтезу. Процес фотосинтез: коротко і зрозуміло і для дітей

Фотосинтез являє собою сукупність процесів формування світлової енергії в енергію хімічних зв'язків органічних речовин за участю фотосинтетичних фарбувальних речовин.

Такий тип харчування характерний для рослин, прокаріотів і деяких видів одноклітинних еукаріот.

При природному синтезі вуглець і вода у взаємодії зі світлом перетворюються в глюкозу і вільний кисень:

6CO2 + 6H2O + світлова енергія → C6H12O6 + 6O2

Сучасна фізіологія рослин під поняттям фотосинтезу розуміє фотоавтотрофної функцію, яка є сукупністю процесів поглинання, перетворення і застосування квантів світлової енергії в різних несамопроізвольное реакціях, включаючи перетворення вуглекислого газу в органіку.

фази

Фотосинтез у рослин відбувається в листі через хлоропласти - напівавтономні двухмембранной органели, що відносяться до класу пластид. З плоскою формою листових пластин забезпечується якісне поглинання і повне використання світлової енергії і вуглекислого газу. Вода, необхідна для природного синтезу, надходить від коренів через водопровідну тканину. Газообмін відбувається за допомогою дифузії через продихи і частково через кутикулу.

Хлоропласти заповнені прозорою стромою і пронизані ламелами, які при з'єднанні один з одним утворюють тилакоїди. Саме в них і відбувається фотосинтез. Ціанобактерії самі собою представляють хлоропласти, тому апарат для природного синтезу в них не виділено в окрему органеллу.

фотосинтез протікає за участю пігментів, Якими зазвичай виступають хлорофіли. Деякі організми містять інший пігмент - каротиноид або фікобіліни. Прокаріоти мають пігментом бактеріохлорофіл, причому дані організми не виділяють кисень по завершенні природного синтезу.

Фотосинтез проходить дві фази - світлову та темновую. Кожна з них характеризується певними реакціями і взаємодіючими речовинами. Розглянемо докладніше процес фаз фотосинтезу.

світлова

Перша фаза фотосинтезу характеризується утворенням високоенергетичних продуктів, якими є АТФ, клітинний джерело енергії, і НАДФ, відновник. В кінці стадії в якості побічного продукту утворюється кисень. Світлова стадія відбувається обов'язково з сонячним світлом.

Процес фотосинтезу протікає в мембранах тилакоїдів за участю білків-переносників електронів, АТФ-синтетази і хлорофілу (або іншого пігменту).

Функціонування електрохімічних ланцюгів, за якими відбувається передача електронів і частково протонів водню, утворюється в складних комплексах, що формуються пігментами і ферментами.

Опис процесу світлової фази:

1. При попаданні сонячного світла на листові пластини рослинних організмів відбувається збудження електронів хлорофілу в структурі пластин;
2. В активному стані частки виходять з пігментного молекули і потрапляють на зовнішню сторону тилакоида, заряджену негативно. Це відбувається одночасно з окисленням і подальшим відновленням молекул хлорофілу, які відбирають чергові електрони у надійшла в листя води;
3. Потім відбувається фотоліз води з утворенням іонів, які віддають електрони і перетворюються в радикали OH, здатні брати участь в реакціях і в подальшому;
4. Потім ці радикали з'єднуються, утворюючи молекули води і вільний кисень, що виходить в атмосферу;
5. Тілакоідная мембрана набуває з одного боку позитивний заряд за рахунок іона водню, а з іншого - негативний за рахунок електронів;
6. З досягненням різниці в 200 мВ між сторонами мембрани протони проходять через фермент АТФ-синтетазу, що призводить до перетворення АДФ в АТФ (процес фосфорилювання);
7. З звільнилися з води атомним воднем відбувається відновлення НАДФ + в НАДФ · Н2;

Тоді як вільний кисень в процесі реакцій виходить в атмосферу, АТФ і НАДФ · Н2 беруть участь в темнової фазі природного синтезу.

Темнова

Обов'язковий компонент для цієї стадії - вуглекислий газ, Який рослини постійно поглинають із зовнішнього середовища через продихи в листі. Процеси темновой фази проходять в стромі хлоропласта. Оскільки на даному етапі не потрібно багато сонячної енергії і буде досить одержані в ході світлової фази АТФ і НАДФ · Н2, реакції в організмах можуть протікати і вдень, і вночі. Процеси на цій стадії відбуваються швидше, ніж на попередній.

Сукупність усіх процесів, що відбуваються в темновой фазі, представлена \u200b\u200bу вигляді своєрідної ланцюжка послідовних перетворень вуглекислоти, що надійшла з зовнішнього середовища:

1. Першою реакцією в такому ланцюжку є фіксація вуглекислого газу. Наявність ферменту РіБФ-карбоксилаза сприяє швидкому і плавному перебігові реакції, в результаті якої відбувається утворення шестіуглеродних з'єднання, що розпадається на 2 молекули фосфоглицериновой кислоти;
2. Потім відбувається досить складний цикл, що включає ще певна кількість реакцій, по завершенні яких фосфогліцеріновая кислота перетворюється в природний цукор - глюкозу. Цей процес називають циклом Кальвіна;

Разом з цукром також відбувається формування жирних кислот, амінокислот, гліцерину і нуклеотидів.

суть фотосинтезу

З таблиці порівнянь світловий і темнової фаз природного синтезу можна коротко описати суть кожної з них. Світлова фаза відбувається в гранах хлоропласта з обов'язковим включенням в реакції світлової енергії. У реакціях задіяні такі компоненти як білки, які переносять електрони, АТФ-синтетаза і хлорофіл, які при взаємодії з водою утворюють вільний кисень, АТФ і НАДФ · Н2. Для темновой фази, яка відбувається в стромі хлоропласта, сонячне світло не є обов'язковим. Утворені на минулому етапі АТФ і НАДФ · Н2 при взаємодії з вуглекислотою формують природний цукор (глюкозу).

Як видно з вищевикладеного, фотосинтез постає досить складним і багатоступеневим явищем, що включає безліч реакцій, в яких задіяні різні речовини. В результаті природного синтезу виходить кисень, необхідний для дихання живих організмів і захисту їх від ультрафіолетової радіації за допомогою освіти озонового шару.

фотосинтез - синтез органічних сполук з неорганічних за рахунок енергії світла (hv). Сумарне рівняння фотосинтезу:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Фотосинтез протікає за участю фотосинтезирующих пігментів, що володіють унікальною властивістю перетворення енергії сонячного світла в енергію хімічного зв'язку у вигляді АТФ. Фотосинтезирующие пігменти є белковоподобние речовини. Найбільш важливий з них - пігмент хлорофіл. У еукаріот фотосинтезирующие пігменти вбудовані у внутрішню мембрану пластид, у прокаріотів - у впячивания цитоплазматичної мембрани.

Будова хлоропласта дуже схоже на будову мітохондрії. У внутрішній мембрані тилакоїдів грани містяться фотосинтетичні пігменти, а також білки ланцюга перенесення електронів і молекули ферменту АТФ-синтетази.

Процес фотосинтезу складається з двох фаз: світлової та темнової.

світлова фаза фотосинтезу протікає тільки на світлі в мембрані тилакоїдів грани. У цій фазі відбувається поглинання хлорофілом квантів світла, освіту молекули АТФ і фотоліз води.

Під дією кванта світла (hv) хлорофіл втрачає електрони, переходячи в збуджений стан:

Хл → хл + e -

Ці електрони передаються переносниками на зовнішню, тобто звернену до матриксу поверхню мембрани тилакоїдів, де накопичуються.

Одночасно всередині тилакоидов відбувається фотоліз води, тобто її розкладання під дією світла

2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e -

Утворені електрони передаються переносниками до молекул хлорофілу і відновлюють їх: молекули хлорофілу повертаються в стабільний стан.

Протони водню, що утворилися при фотолізі води, накопичуються всередині тилакоида, створюючи Н + -резервуар. В результаті внутрішня поверхня мембрани тилакоида заряджається позитивно (за рахунок Н +), а зовнішня - негативно (за рахунок e -). У міру накопичення по обидві сторони мембрани протилежно заряджених частинок наростає різниця потенціалів. При досягненні критичної величини різниці потенціалів сила електричного поля починає проштовхувати протони через канал АТФ-синтетази. Виділяється при цьому енергія використовується для фосфорилювання молекул АДФ:

АДФ + Ф → АТФ

Освіта АТФ в процесі фотосинтезу під дією енергії світла називаються фотофосфорилювання.

Іони водню, опинившись на зовнішній поверхні мембрани тилакоида, зустрічаються там з електронами і утворюють атомарний водень, який зв'язується з молекулою-переносником водню НАДФ (нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат):

2H + + 4e - + НАДФ + → НАДФ H 2

Таким чином, під час світлової фази фотосинтезу відбуваються три процеси: утворення кисню внаслідок розкладання води, синтез АТФ, освіта атомів водню в формі НАДФ H 2. Кисень дифундує в атмосферу, АТФ і НАДФ H 2 беруть участь в процесах темнової фази.

Темнова фаза фотосинтезу протікає в матриксі хлоропласта як на світлі, так і в темряві і являє собою ряд послідовних перетворень CO 2, що надходить з повітря, в циклі Кальвіна. Здійснюються реакції темнової фази за рахунок енергії АТФ. У циклі Кальвіна CO 2 зв'язується з воднем з НАДФ H 2 з утворенням глюкози.

В процесі фотосинтезу крім моносахаридов (глюкоза та ін.) Синтезуються мономери інших органічних сполук - амінокислоти, гліцерин і жирні кислоти. Таким чином, завдяки фотосинтезу рослини забезпечують себе і все живе на Землі необхідними органічними речовинами і киснем.

Порівняльна характеристика фотосинтезу і дихання еукаріот приведена в таблиці:

Більш точно: в темновую фазу відбувається зв'язування вуглекислого газу (CO 2).

Процес цей багатоступінчастий, в природі існують два основні шляхи: C 3 -фотосінтез і C 4 -фотосінтез. Латинська буква C позначає атом вуглецю, цифра після неї - кількість атомів вуглецю в первинному органічному продукті темновой фази фотосинтезу. Так в разі C 3 -шляху первинним продуктом вважається трехуглеродная фосфогліцеріновая кислота, що позначається як ФГК. У разі C 4 -шляху першим органічною речовиною при зв'язування вуглекислого газу є четирехуглеродная щавелевоуксусная кислота (оксалоацетат).

C 3 -фотосінтез також називається циклом Кальвіна в честь вивчила його вченого. C 4 -фотосінтез включає в себе цикл Кальвіна, однак складається не тільки з нього і називається циклом Хетча-Слека. У помірних широтах звичайні C 3-рослини, в тропічних - C 4.

Темнові реакції фотосинтезу протікають в стромі хлоропласта.

цикл Кальвіна

Першою реакцією циклу Кальвіна є карбоксилирование рибулозо-1,5-біфосфату (РіБФ). карбоксилювання - це приєднання молекули CO 2, в результаті чого утворюється карбоксильная група -COOH. РіБФ - це рибоза (п'ятивуглецевий цукор), у якій до кінцевих атомів вуглецю приєднані фосфатні групи (утворені фосфорною кислотою):

Хімічна формула РіБФ

Реакція каталізується ферментом рибулозо-1,5-біфосфат-карбоксилаза-оксигенази ( РуБісКО). Він може каталізувати не тільки зв'язування вуглекислого газу, але і кисню, про що говорить слово «оксигенази» в його назві. Якщо РуБісКО каталізує реакцію приєднання кисню до субстрату, то темновая фаза фотосинтезу йде вже не по дорозі циклу Кальвіна, а по шляху фотодихання, Що в принципі є шкідливим для рослини.

Каталіз реакції приєднання CO 2 до РіБФ відбувається в кілька кроків. В результаті утворюється нестійке шестіуглеродних органічна сполука, яка тут же розпадається на дві трехуглеродние молекули фосфоглицериновой кислоти (ФГК).

Хімічна формула фосфоглицериновой кислоти

Далі ФГК за кілька ферментативних реакцій, що протікають з витратою енергії АТФ і відновної сили НАДФ · H 2, перетворюється в фосфогліцеріновий альдегід (ФГА), також званий тріозофосфатом.

Менша частина ФГА виходить з циклу Кальвіна і використовується для синтезу більш складних органічних речовин, наприклад глюкози. Вона, в свою чергу, може полимеризоваться до крохмалю. Інші речовини (амінокислоти, жирні кислоти) утворюються за участю різних вихідних речовин. Такі реакції спостерігаються не тільки в рослинних клітинах. Тому, якщо розглядати фотосинтез як унікальне явище містять хлорофіл клітин, то він закінчується синтезом ФГА, а не глюкози.

Велика частина молекул ФГА залишається в циклі Кальвіна. З ним відбувається ряд перетворень, в результаті яких ФГА перетворюється в РіБФ. При цьому також використовується енергія АТФ. Таким чином, РіБФ регенерується для зв'язування нових молекул вуглекислого газу.

Цикл Хетча-Слека

У багатьох рослин жарких місць проживання темновая фаза фотосинтезу трохи складніше. В процесі еволюції C 4 -фотосінтез виник як більш ефективний спосіб зв'язування вуглекислого газу, коли в атмосфері зросла кількість кисню, і РуБісКО став витрачатися на неефективне фотодихання.

У C 4-рослини існує два типи фотосинтезуючих клітин. У хлоропластах мезофіла листя відбувається світлова фаза фотосинтезу і частина темновой, а саме зв'язування CO 2 з фосфоенолпіруват (ФЕП). В результаті утворюється четирехуглеродная органічна кислота. Далі ця кислота транспортується в хлоропласти клітин обкладки проводить пучка. Тут від неї ферментативно відщеплюєтьсямолекула CO 2, а далі вона надходить в цикл Кальвіна. Частина, що залишилася після декарбоксилирования трехуглеродная кислота - пировиноградная - повертається в клітини мезофіла, де знову перетворюється в ФЕП.

Хоча цикл Хетча-Слека більш енерговитратний варіант темновой фази фотосинтезу, але фермент зв'язує CO 2 і ФЕП більш ефективний каталізатор, ніж РуБісКО. Крім того, він не вступає в реакцію з киснем. Транспорт CO 2 за допомогою органічної кислоти в більш глубоколежащие клітини, до яких утруднений приплив кисню, призводить до того, що концентрація вуглекислого газу тут збільшується, і РуБісКО майже не витрачається на зв'язування молекулярного кисню.

Як відбувається перетворення енергії сонячного світла в світловий і темновой фазах фотосинтезу в енергію хімічних зв'язків глюкози? Відповідь поясніть.

відповідь

В світловий фазі фотосинтезу енергія сонячного світла перетворюється в енергію збуджених електронів, а потім енергія збуджених електронів перетворюється на енергію АТФ і НАДФ-Н2. У темновой фазі фотосинтезу енергія АТФ і НАДФ-Н2 перетворюється в енергію хімічних зв'язків глюкози.

Що відбувається в світлову фазу фотосинтезу?

відповідь

Електрони хлорофілу, порушені енергією світла, йдуть по електронно-транспортним ланцюгах, їх енергія запасається в АТФ і НАДФ-Н2. Відбувається іонізація води, виділяється кисень.

Які основні процеси відбуваються в темновую фазу фотосинтезу?

відповідь

З вуглекислого газу, отриманого з атмосфери, і водню, отриманого в світловий фазі, за рахунок енергії АТФ, отриманої в світловий фазі, утворюється глюкоза.

Яка функція хлорофілу в рослинній клітині?

відповідь

Хлорофіл бере участь в процесі фотосинтезу: в світловий фазі хлорофіл поглинає світло, електрон хлорофілу отримує енергію світла, відривається і йде по електронно-транспортного ланцюга.

Яку роль відіграють електрони молекул хлорофілу в фотосинтезі?

відповідь

Електрони хлорофілу, порушені сонячним світлом, проходять по електронотранспортним ланцюгах і віддають свою енергію на утворення АТФ і НАДФ-Н2.

На якому етапі фотосинтезу утворюється вільний кисень?

відповідь

В світловий фазі, під час фотолізу води.

В яку фазу фотосинтезу відбувається синтез АТФ?

відповідь

Всветовую фазу.

Яка речовина є джерелом кисню під час фотосинтезу?

відповідь

Вода (кисень виділяється при фотолізі води).

Швидкість фотосинтезу залежить від лімітують (обмежують) факторів, серед яких виділяють світло, концентрацію вуглекислого газу, температуру. Чому ці чинники є лімітуючими для реакцій фотосинтезу?

відповідь

Світло необхідне для збудження хлорофілу, він постачає енергію для процесу фотосинтезу. Вуглекислий газ необхідний в темновой фазі фотосинтезу, з нього синтезується глюкоза. Зміна температури веде до денатурації ферментів, реакції фотосинтезу сповільнюються.

В яких реакціях обміну у рослин вуглекислий газ є вихідною речовиною для синтезу вуглеводів?

відповідь

У реакціях фотосинтезу.

У листі рослин інтенсивно протікає процес фотосинтезу. Відбувається він у зрілих і незрілих плодах? Відповідь поясніть.

відповідь

Фотосинтез відбувається в зелених частинах рослин на світлі. Таким чином, фотосинтез відбувається в шкірці зелених плодів. Усередині плодів і в шкірці стиглих (не зелені) плодів фотосинтез не відбувається.

Пояснення такого об'ємного матеріалу, яким є фотосинтез, краще проводити на двох спарених уроках - тоді не втрачається цілісність сприйняття теми. Урок необхідно почати з історії вивчення фотосинтезу, будови мітохондрій та проведення лабораторної роботи по вивченню хлоропластів листа. Після цього необхідно перейти до вивчення світловий і темнової фаз фотосинтезу. При поясненні реакцій, що відбуваються в цих фазах, необхідно скласти загальну схему:

По ходу пояснення треба намалювати схему світловий фази фотосинтезу.

1. Поглинання кванта світла молекулою хлорофілу, яка знаходиться в мембранах тилакоїдів гран, призводить до втрати нею одного електрона і переводить її в збуджений стан. Електрони переносяться по електронтранспортной ланцюга, що призводить до відновлення НАДФ + до НАДФ Н.

2. Місце вийшли електронів в молекулах хлорофілу займають електрони молекул води - так вода під дією світла піддається розкладанню (фотолизу). Утворилися гідроксили ОН стають радикалами і об'єднуються в реакції 4 ОН - → 2 H 2 O + O 2, що приводить до виділення в атмосферу вільного кисню.

3. Іони водню Н + не проникають через мембрану тилакоида і накопичуються всередині, заряджаючи його позитивно, що призводить до збільшення різниці електричних потенціалів (РЕП) на мембрані тилакоида.

4. При досягненні критичної РЕП протони спрямовуються по протонному каналу назовні. Цей потік позитивно заряджених частинок використовується для отримання хімічної енергії за допомогою спеціального ферментного комплексу. Утворилися в результаті молекули АТФ переходять в строму, де беруть участь в реакціях фіксації вуглецю.

5. Іони водню, що вийшли на поверхню мембрани тилакоида, з'єднуються з електронами, утворюючи атомарний водень, який йде на відновлення переносника НАДФ +.

Спонсор публікації статті група компаній "Аріс". Виробництво, продаж і оренда будівельних лісів (рамні фасадні ЛРСП, рамні висотні А-48 і ін.) І вишок-тур (ПСРВ "Аріс", ПСРВ "Аріс компакт" і "Аріс-дачні", помости). Хомути для будівельних лісів, будівельні огорожі, колісні опори для вишок. Дізнатися детальніше про компанію, подивитися каталог продукції і ціни, контакти Ви зможете на сайті, який розташовується за адресою: http://www.scaffolder.ru/.

Після розгляду даного питання, проаналізувавши його ще раз за складеною схемою, пропонуємо учням заповнити таблицю.

Таблиця. Реакції світлової та темнової фаз фотосинтезу

Після заповнення першої частини таблиці можна перейти до розбору темновой фази фотосинтезу.

В стромі хлоропласта постійно присутні пентози - вуглеводи, що представляють собою пятиуглеродного з'єднання, які утворюються в циклі Кальвіна (цикл фіксації вуглекислого газу).

1. До пентозу приєднується вуглекислий газ, утворюється нестійке шестіуглеродних з'єднання, яке розпадається на дві молекули 3-фосфоглицериновой кислоти (ФГК).

2. Молекули ФГК приймають від АТФ по одній фосфатной групі і збагачуються енергією.

3. Кожна з ФГК приєднує по одному атому водню від двох переносників, перетворюючись в триоз. Тріози, об'єднуючись, утворюють глюкозу, а потім крохмаль.

4. Молекули тріози, об'єднуючись в різних поєднаннях, утворюють пентози і знову включаються в цикл.

Сумарна реакція фотосинтезу:

Схема. процес фотосинтезу

тест

1. Фотосинтез здійснюється в органелах:

а) мітохондрії;
б) рибосоми;
в) хлоропласти;
г) хромопласти.

2. Пігмент хлорофіл зосереджений в:

а) оболонці хлоропласта;
б) строме;
в) гранах.

3. Хлорофіл поглинає світло в області спектра:

а) червоною;
б) зеленої;
в) фіолетовою;
г) у всій області.

4. Вільний кисень при фотосинтезі виділяється при розщепленні:

а) вуглекислого газу;
б) АТФ;
в) НАДФ;
г) води.

5. Вільний кисень утворюється в:

а) темновой фазі;
б) світловий фазі.

6. В світловий фазі фотосинтезу АТФ:

а) синтезується;
б) розщеплюється.

7. У хлоропласті первинний вуглевод утворюється в:

а) світловий фазі;
б) темнової фазі.

8. НАДФ в хлоропласті необхідний:

1) як пастка для електронів;
2) в якості ферменту для освіти крохмалю;
3) як складова частина мембрани хлоропласта;
4) в якості ферменту для фотолиза води.

9. Фотоліз води - це:

1) накопичення води під дією світла;
2) дисоціація води на іони під дією світла;
3) виділення водяної пари через продихи;
4) нагнітання води в листя під дією світла.

10. Під впливом квантів світла:

1) хлорофіл перетворюється в НАДФ;
2) електрон залишає молекулу хлорофілу;
3) хлоропласт збільшується в об'ємі;
4) хлорофіл перетворюється в АТФ.

ЛІТЕРАТУРА

Богданова Т.П., Солодова Е.А.Біологія. Довідник для старшокласників та вступників до вузів. - М .: ТОВ «АСТ-Пресс школа», 2007.