Fotosynteza to zespół procesów przekształcania energii świetlnej w energię wiązań chemicznych materia organiczna z udziałem barwników fotosyntetycznych.

Ten rodzaj odżywiania jest charakterystyczny dla roślin, prokariotów i niektórych typów jednokomórkowych eukariontów.

Podczas naturalnej syntezy węgiel i woda w interakcji ze światłem przekształcają się w glukozę i wolny tlen:

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

Współczesna fizjologia roślin rozumie fotosyntezę jako funkcję fotoautotroficzną, będącą zespołem procesów absorpcji, przemiany i wykorzystania kwantów energii świetlnej w różnych reakcjach niespontanicznych, do których zalicza się przemiana dwutlenku węgla w materię organiczną.

Fazy

Fotosynteza u roślin zachodzi w liściach poprzez chloroplasty- półautonomiczne organelle dwubłonowe należące do klasy plastydów. Płaski kształt blach zapewnia wysokiej jakości absorpcję i pełne wykorzystanie energii świetlnej i dwutlenku węgla. Woda potrzebna do naturalnej syntezy pochodzi z korzeni poprzez tkankę przewodzącą wodę. Wymiana gazowa zachodzi poprzez dyfuzję przez aparaty szparkowe i częściowo przez naskórek.

Chloroplasty wypełnione są bezbarwnym zrębem i przeniknięte blaszkami, które po połączeniu tworzą tylakoidy. To w nich zachodzi fotosynteza. Same cyjanobakterie są chloroplastami, więc aparat do naturalnej syntezy w nich nie jest podzielony na osobne organelle.

Fotosynteza postępuje z udziałem pigmentów, które zwykle są chlorofilami. Niektóre organizmy zawierają inny pigment, karotenoid lub fikobilinę. Prokarioty mają bakteriochlorofil pigmentowy i organizmy te nie uwalniają tlenu po zakończeniu naturalnej syntezy.

Fotosynteza przebiega w dwóch fazach – jasnej i ciemnej. Każdy z nich charakteryzuje się określonymi reakcjami i substancjami wchodzącymi w interakcję. Przyjrzyjmy się bliżej procesowi faz fotosyntezy.

Światło

Pierwsza faza fotosyntezy charakteryzuje się tworzeniem produktów wysokoenergetycznych, którymi są ATP, komórkowe źródło energii i NADP, środek redukujący. Pod koniec tego etapu jako produkt uboczny powstaje tlen. Etap świetlny koniecznie występuje przy świetle słonecznym.

Proces fotosyntezy zachodzi w błonach tylakoidów przy udziale białek transportujących elektrony, syntetazy ATP i chlorofilu (lub innego pigmentu).

Funkcjonowanie łańcuchów elektrochemicznych, przez które przenoszone są elektrony i częściowo protony wodoru, powstaje w złożonych kompleksach tworzonych przez pigmenty i enzymy.

Opis procesu fazy jasnej:

  1. Kiedy światło słoneczne pada na blaszki liściowe organizmów roślinnych, wzbudzane są elektrony chlorofilu w strukturze płytek;
  2. W stanie aktywnym cząsteczki opuszczają cząsteczkę pigmentu i lądują na zewnętrznej stronie tylakoidu, który jest naładowany ujemnie. Dzieje się to jednocześnie z utlenianiem, a następnie redukcją cząsteczek chlorofilu, które odbierają kolejne elektrony z wody wpływającej do liści;
  3. Następnie następuje fotoliza wody z utworzeniem jonów, które oddają elektrony i przekształcają się w rodniki OH, które mogą brać udział w dalszych reakcjach;
  4. Rodniki te następnie łączą się, tworząc cząsteczki wody i wolny tlen uwalniany do atmosfery;
  5. Błona tylakoidowa uzyskuje z jednej strony ładunek dodatni pod wpływem jonu wodorowego, a z drugiej strony ładunek ujemny pod wpływem elektronów;
  6. Po osiągnięciu różnicy 200 mV między bokami membrany protony przechodzą przez enzym syntetazę ATP, co prowadzi do konwersji ADP do ATP (proces fosforylacji);
  7. Po uwolnieniu wodoru atomowego z wody NADP+ ulega redukcji do NADP H2;

Podczas gdy wolny tlen jest uwalniany do atmosfery podczas reakcji, ATP i NADP H2 uczestniczą w ciemnej fazie naturalnej syntezy.

Ciemny

Obowiązkowym składnikiem na tym etapie jest dwutlenek węgla., z którego rośliny stale pobierają otoczenie zewnętrzne przez aparaty szparkowe w liściach. Procesy fazy ciemnej zachodzą w zrębie chloroplastu. Ponieważ na tym etapie nie jest wymagana duża ilość energii słonecznej, a w fazie świetlnej wytworzy się wystarczająca ilość ATP i NADP H2, reakcje w organizmach mogą zachodzić zarówno w dzień, jak i w nocy. Procesy na tym etapie zachodzą szybciej niż na poprzednim.

Całość procesów zachodzących w fazie ciemnej przedstawiona jest w postaci unikalnego łańcucha kolejnych przemian dwutlenku węgla pochodzącego ze środowiska zewnętrznego:

  1. Pierwszą reakcją w takim łańcuchu jest wiązanie dwutlenku węgla. Obecność enzymu RiBP-karboksylaza przyczynia się do szybkiego i płynnego przebiegu reakcji, w wyniku której powstaje sześciowęglowy związek rozkładający się na 2 cząsteczki kwasu fosfoglicerynowego;
  2. Następnie zachodzi dość złożony cykl, obejmujący pewną liczbę reakcji, po zakończeniu których kwas fosfoglicerynowy przekształca się w naturalny cukier - glukozę. Proces ten nazywany jest cyklem Calvina;

Wraz z cukrem dochodzi również do powstawania kwasów tłuszczowych, aminokwasów, gliceryny i nukleotydów.

Istota fotosyntezy

Z tabeli porównującej jasne i ciemne fazy naturalnej syntezy można pokrótce opisać istotę każdego z nich. Faza jasna zachodzi w granie chloroplastu z obowiązkowym włączeniem do reakcji energii świetlnej. W reakcjach biorą udział takie składniki jak białka przenoszące elektrony, syntetaza ATP i chlorofil, które w reakcji z wodą tworzą wolny tlen, ATP i NADP H2. W przypadku fazy ciemnej, która występuje w zrębie chloroplastu, światło słoneczne nie jest konieczne. Otrzymane na poprzednim etapie ATP i NADP H2 w reakcji z dwutlenkiem węgla tworzą naturalny cukier (glukozę).

Jak widać z powyższego, fotosynteza wydaje się zjawiskiem dość złożonym i wieloetapowym, obejmującym wiele reakcji obejmujących różne substancje. W wyniku naturalnej syntezy otrzymuje się tlen niezbędny do oddychania organizmów żywych i ich ochrony przed promieniowaniem ultrafioletowym poprzez tworzenie warstwy ozonowej.

Fotosynteza to przemiana energii świetlnej w energię wiązań chemicznych związki organiczne.

Fotosynteza jest charakterystyczna dla roślin, w tym wszystkich glonów, wielu prokariotów, w tym sinic, i niektórych jednokomórkowych eukariontów.

W większości przypadków fotosynteza wytwarza tlen (O2) jako produkt uboczny. Jednak nie zawsze tak jest, ponieważ istnieje kilka różnych ścieżek fotosyntezy. W przypadku wydzielania tlenu, jego źródłem jest woda, z której oddzielane są atomy wodoru na potrzeby fotosyntezy.

Fotosynteza składa się z wielu reakcji, w których biorą udział różne pigmenty, enzymy, koenzymy itp. Głównymi pigmentami są chlorofile, oprócz nich - karotenoidy i fikobiliny.

W przyrodzie powszechne są dwie ścieżki fotosyntezy roślin: C 3 i C 4. Inne organizmy mają swoje własne, specyficzne reakcje. Wszystkie te różne procesy łączy termin „fotosynteza” - w sumie we wszystkich energia fotonów zamienia się w wiązanie chemiczne. Dla porównania: podczas chemosyntezy następuje konwersja energii wiązanie chemiczne niektóre związki (nieorganiczne) na inne - organiczne.

Istnieją dwie fazy fotosyntezy – jasna i ciemna. Pierwsza zależy od promieniowania świetlnego (hν), które jest niezbędne do zajścia reakcji. Faza ciemna jest niezależna od światła.

U roślin fotosynteza zachodzi w chloroplastach. W wyniku wszystkich reakcji powstają pierwotne substancje organiczne, z których następnie syntetyzuje się węglowodany, aminokwasy, kwasy tłuszczowe itp. Całkowitą reakcję fotosyntezy zapisuje się zwykle w odniesieniu do glukoza - najczęstszy produkt fotosyntezy:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Atomy tlenu zawarte w cząsteczce O 2 pochodzą nie z dwutlenku węgla, ale z wody. Dwutlenek węgla - źródło węgla, co jest ważniejsze. Dzięki swojemu wiązaniu rośliny mają możliwość syntezy materii organicznej.

Przedstawiona powyżej reakcja chemiczna ma charakter uogólniony i całkowity. Jest to dalekie od istoty procesu. Zatem glukoza nie powstaje z sześciu oddzielnych cząsteczek dwutlenku węgla. Wiązanie CO2 następuje pojedynczo, po jednej cząsteczce, która najpierw przyłącza się do istniejącego pięciowęglowego cukru.

Prokarioty mają własną charakterystykę fotosyntezy. Tak więc u bakterii głównym pigmentem jest bakteriochlorofil i tlen nie jest uwalniany, ponieważ wodór nie jest pobierany z wody, ale często z siarkowodoru lub innych substancji. W niebieskozielonych algach głównym pigmentem jest chlorofil, a podczas fotosyntezy uwalniany jest tlen.

Faza jasna fotosyntezy

W lekkiej fazie fotosyntezy ATP i NADP H 2 są syntetyzowane pod wpływem energii promieniowania. Zdarza się na tylakoidach chloroplastowych, gdzie pigmenty i enzymy tworzą złożone kompleksy dla funkcjonowania obwodów elektrochemicznych, przez które przenoszone są elektrony i częściowo protony wodoru.

Elektrony ostatecznie kończą na koenzymie NADP, który naładowany ujemnie przyciąga część protonów i zamienia się w NADP H2. Również akumulacja protonów po jednej stronie błony tylakoidów i elektronów po drugiej tworzy gradient elektrochemiczny, którego potencjał jest wykorzystywany przez enzym syntetazę ATP do syntezy ATP z ADP i kwasu fosforowego.

Głównymi pigmentami fotosyntezy są różne chlorofile. Ich cząsteczki wychwytują promieniowanie o określonych, częściowo odmiennych widmach światła. W tym przypadku część elektronów cząsteczek chlorofilu przesuwa się na wyższą poziom energii. Jest to stan niestabilny i teoretycznie elektrony poprzez to samo promieniowanie powinny uwolnić w przestrzeń energię otrzymaną z zewnątrz i powrócić do poprzedniego poziomu. Natomiast w komórkach fotosyntetycznych wzbudzone elektrony wychwytywane są przez akceptory i wraz ze stopniowym spadkiem ich energii przenoszone są wzdłuż łańcucha nośników.

Istnieją dwa rodzaje fotosystemów na błonach tylakoidów, które emitują elektrony pod wpływem światła. Fotosystemy to złożony kompleks składający się głównie z pigmentów chlorofilowych z centrum reakcji, z którego usuwane są elektrony. W fotosystemie światło słoneczne wychwytuje wiele cząsteczek, ale cała energia gromadzi się w centrum reakcji.

Elektrony z fotosystemu I, przechodząc przez łańcuch transporterów, redukują NADP.

Energia elektronów uwolnionych z fotosystemu II jest wykorzystywana do syntezy ATP. A elektrony fotosystemu II same wypełniają dziury elektronowe fotosystemu I.

Dziury drugiego fotosystemu są wypełnione elektronami powstałymi w wyniku fotoliza wody. Fotoliza zachodzi także przy udziale światła i polega na rozkładzie H 2 O na protony, elektrony i tlen. To właśnie w wyniku fotolizy wody powstaje wolny tlen. Protony biorą udział w tworzeniu gradientu elektrochemicznego i redukcji NADP. Elektrony są odbierane przez chlorofil fotosystemu II.

Przybliżone równanie podsumowujące lekką fazę fotosyntezy:

H 2 O + NADP + 2ADP + 2P → ½O 2 + NADP H 2 + 2ATP

Cykliczny transport elektronów

Tak zwany niecykliczna faza świetlna fotosyntezy. Czy jest jeszcze coś? cykliczny transport elektronów, gdy nie zachodzi redukcja NADP. W tym przypadku elektrony z fotosystemu I trafiają do łańcucha transporterów, gdzie zachodzi synteza ATP. Oznacza to, że ten łańcuch transportu elektronów otrzymuje elektrony z fotosystemu I, a nie II. Pierwszy fotosystem niejako realizuje cykl: emitowane przez niego elektrony wracają do niego. Po drodze część swojej energii przeznaczają na syntezę ATP.

Fotofosforylacja i fosforylacja oksydacyjna

Fazę lekką fotosyntezy można porównać z etapem oddychania komórkowego – fosforylacją oksydacyjną, która zachodzi na cristae mitochondriów. Zachodzi tam również synteza ATP w wyniku przeniesienia elektronów i protonów przez łańcuch nośników. Jednak w przypadku fotosyntezy energia magazynowana jest w ATP nie na potrzeby komórki, lecz głównie na potrzeby ciemnej fazy fotosyntezy. A jeśli podczas oddychania początkowym źródłem energii są substancje organiczne, to podczas fotosyntezy jest to światło słoneczne. Nazywa się synteza ATP podczas fotosyntezy fotofosforylacja zamiast fosforylacji oksydacyjnej.

Ciemna faza fotosyntezy

Po raz pierwszy ciemna faza fotosyntezy została szczegółowo zbadana przez Calvina, Bensona i Bassema. Odkryty przez nich cykl reakcji nazwano później cyklem Calvina lub fotosyntezą C3. W niektórych grupach roślin obserwuje się zmodyfikowany szlak fotosyntezy - C 4, zwany także cyklem Hatcha-Slacka.

W ciemnych reakcjach fotosyntezy CO 2 jest wiązany. Faza ciemna występuje w zrębie chloroplastu.

Redukcja CO 2 zachodzi dzięki energii ATP i sile redukującej NADP H 2 powstającej w reakcjach świetlnych. Bez nich wiązanie węgla nie następuje. Dlatego chociaż faza ciemna nie jest bezpośrednio zależna od światła, zwykle występuje również w świetle.

Cykl Calvina

Pierwszą reakcją ciemnej fazy jest dodanie CO2 ( karboksylacjami) do bifosforanu 1,5-rybulozy ( Rybulozo-1,5-bisfosforan) – RiBF. Ta ostatnia jest podwójnie fosforylowaną rybozą. Reakcja ta jest katalizowana przez enzym karboksylazę rybulozo-1,5-difosforanu, zwaną także rubisco.

W wyniku karboksylacji powstaje niestabilny sześciowęglowy związek, który w wyniku hydrolizy rozpada się na dwie trójwęglowe cząsteczki kwas fosfoglicerynowy (PGA)- pierwszy produkt fotosyntezy. PGA jest również nazywany fosfoglicerynianem.

RiBP + CO 2 + H 2 O → 2FGK

FHA zawiera trzy atomy węgla, z których jeden należy do kwasowej grupy karboksylowej (-COOH):

Z PGA powstaje cukier trójwęglowy (fosforan aldehydu glicerynowego). fosforan triozy (TP), zawierający już grupę aldehydową (-CHO):

FHA (3-kwas) → TF (3-cukier)

Reakcja ta wymaga energii ATP i mocy redukcyjnej NADP H2. TF jest pierwszym węglowodanem fotosyntezy.

Następnie większość fosforanu triozy jest zużywana na regenerację bifosforanu rybulozy (RiBP), który jest ponownie wykorzystywany do wiązania CO2. Regeneracja obejmuje szereg reakcji zużywających ATP z udziałem fosforanów cukrów o liczbie atomów węgla od 3 do 7.

Ten cykl RiBF jest cyklem Calvina.

Mniejsza część utworzonego w nim TF opuszcza cykl Calvina. W przeliczeniu na 6 związanych cząsteczek dwutlenku węgla otrzymuje się 2 cząsteczki fosforanu triozy. Całkowita reakcja cyklu z produktami wejściowymi i wyjściowymi:

6CO2 + 6H2O → 2TP

W tym przypadku w wiązaniu bierze udział 6 cząsteczek RiBP i powstaje 12 cząsteczek PGA, które przekształcają się w 12 TF, z czego 10 cząsteczek pozostaje w cyklu i przekształca się w 6 cząsteczek RiBP. Ponieważ TP jest cukrem trzywęglowym, a RiBP jest cukrem pięciowęglowym, to w odniesieniu do atomów węgla mamy: 10 * 3 = 6 * 5. Liczba atomów węgla zapewniających cykl się nie zmienia, wszystkie niezbędne RiBP jest regenerowany. A sześć cząsteczek dwutlenku węgla wchodzących do cyklu jest zużywanych na utworzenie dwóch cząsteczek triozy fosforanu opuszczających cykl.

Cykl Calvina na 6 związanych cząsteczek CO 2 wymaga 18 cząsteczek ATP i 12 cząsteczek NADP H 2, które zostały zsyntetyzowane w reakcjach fazy lekkiej fotosyntezy.

Obliczenia opierają się na tym, że dwie cząsteczki triozy fosforanu opuszczają cykl, ponieważ później utworzona cząsteczka glukozy zawiera 6 atomów węgla.

Fosforan triozy (TP) jest produktem końcowym cyklu Calvina, ale trudno go nazwać końcowym produktem fotosyntezy, ponieważ prawie się nie kumuluje, ale w reakcji z innymi substancjami przekształca się w glukozę, sacharozę, skrobię, tłuszcze , kwasy tłuszczowe i aminokwasy. Oprócz TF ważną rolę odgrywa FGK. Jednak takie reakcje zachodzą nie tylko u organizmów fotosyntetycznych. W tym sensie ciemna faza fotosyntezy jest taka sama jak cykl Calvina.

W wyniku stopniowej katalizy enzymatycznej z FHA powstaje sześciowęglowy cukier fruktozo-6-fosforan, co zamienia się w glukoza. W roślinach glukoza może polimeryzować do skrobi i celulozy. Synteza węglowodanów przebiega podobnie do odwrotnego procesu glikolizy.

Fotooddychanie

Tlen hamuje fotosyntezę. Im więcej O 2 w środowisku, tym mniej efektywny jest proces sekwestracji CO 2. Faktem jest, że enzym karboksylaza bifosforanu rybulozy (rubisco) może reagować nie tylko z dwutlenkiem węgla, ale także z tlenem. W tym przypadku ciemne reakcje są nieco inne.

Fosfoglikolan to kwas fosfoglikolowy. Grupa fosforanowa zostaje od niej natychmiast oddzielona i przekształca się w kwas glikolowy (glikolan). Aby go „przetworzyć” ponownie potrzebny jest tlen. Dlatego im więcej tlenu w atmosferze, tym bardziej będzie ona stymulować fotooddychanie i tym więcej tlenu będzie potrzebowała roślina, aby pozbyć się produktów reakcji.

Fotooddychanie to zależne od światła zużycie tlenu i wydzielanie dwutlenku węgla. Oznacza to, że wymiana gazowa zachodzi tak, jak podczas oddychania, ale zachodzi w chloroplastach i zależy od promieniowania świetlnego. Fotooddychanie zależy wyłącznie od światła, ponieważ wodorofosforan rybulozy powstaje tylko podczas fotosyntezy.

Podczas fotooddychania atomy węgla z glikolanu wracają do cyklu Calvina w postaci kwasu fosfoglicerynowego (fosfoglicerynianu).

2 Glikol (C 2) → 2 Glioksylat (C 2) → 2 Glicyna (C 2) - CO 2 → Seryna (C 3) → Hydroksypirogronian (C 3) → Glicerynian (C 3) → FHA (C 3)

Jak widać, powrót nie jest całkowity, ponieważ podczas przekształcania dwóch cząsteczek glicyny w jedną cząsteczkę aminokwasu seryny następuje utrata jednego atomu węgla i uwalniany jest dwutlenek węgla.

Tlen jest wymagany podczas konwersji glikolanu do glioksylanu i glicyny do seryny.

Przekształcenie glikolanu w glioksylan, a następnie w glicynę zachodzi w peroksysomach, a synteza seryny w mitochondriach. Seryna ponownie przedostaje się do peroksysomów, gdzie najpierw ulega przekształceniu w hydroksypirogronian, a następnie glicerynian. Glicerynian wchodzi już do chloroplastów, gdzie syntetyzuje się z niego PGA.

Fotooddychanie jest charakterystyczne głównie dla roślin z typem fotosyntezy C 3. Można to uznać za szkodliwe, ponieważ energia jest marnowana na konwersję glikolanu do PGA. Najwyraźniej fotooddychanie powstało z powodu tego, że starożytne rośliny nie były na to gotowe duża liczba tlenu w atmosferze. Początkowo ich ewolucja odbywała się w atmosferze bogatej w dwutlenek węgla i to właśnie w niej znajdowało się głównie centrum reakcji enzymu rubisco.

Fotosynteza C4, czyli cykl Hatcha-Slacka

Jeśli podczas fotosyntezy C3 pierwszym produktem ciemnej fazy jest kwas fosfoglicerynowy, który zawiera trzy atomy węgla, to podczas szlaku C4 pierwszymi produktami są kwasy zawierające cztery atomy węgla: jabłkowy, szczawiooctowy, asparaginowy.

Fotosyntezę C 4 obserwuje się w wielu roślinach tropikalnych, na przykład trzcinie cukrowej i kukurydzy.

Rośliny C4 skuteczniej absorbują tlenek węgla i prawie nie mają fotooddychania.

Rośliny, u których ciemna faza fotosyntezy przebiega wzdłuż szlaku C4, mają specjalną strukturę liści. W nim wiązki naczyniowe są otoczone podwójną warstwą komórek. Warstwa wewnętrzna stanowi wyściółkę wiązki przewodzącej. Zewnętrzna warstwa to komórki mezofilu. Chloroplasty warstw komórkowych różnią się od siebie.

Mezofilne chloroplasty charakteryzują się dużą graną, dużą aktywnością fotosystemów oraz brakiem enzymu RiBP-karboksylazy (rubisco) i skrobi. Oznacza to, że chloroplasty tych komórek są przystosowane przede wszystkim do lekkiej fazy fotosyntezy.

W chloroplastach komórek wiązek naczyniowych grana jest prawie nierozwinięta, ale stężenie karboksylazy RiBP jest wysokie. Te chloroplasty są przystosowane do ciemnej fazy fotosyntezy.

Dwutlenek węgla najpierw przedostaje się do komórek mezofilu, wiąże się z kwasami organicznymi, w tej postaci transportowany jest do komórek osłonek, uwalniany i dalej wiązany w taki sam sposób, jak w roślinach C 3. Oznacza to, że ścieżka C4 uzupełnia, a nie zastępuje C3.

W mezofilu CO2 łączy się z fosfoenolopirogronieniem (PEP), tworząc szczawiooctan (kwas) zawierający cztery atomy węgla:

Reakcja zachodzi przy udziale enzymu karboksylazy PEP, który ma większe powinowactwo do CO 2 niż rubisco. Ponadto karboksylaza PEP nie wchodzi w interakcję z tlenem, co oznacza, że ​​nie jest zużywana na fotooddychanie. Zatem zaleta fotosyntezy C 4 polega na skuteczniejszym wiązaniu dwutlenku węgla, zwiększeniu jego stężenia w komórkach osłonki, a co za tym idzie, większym wydajna praca Karboksylaza RiBP, która prawie nie jest wydawana na fotooddychanie.

Szczawiooctan przekształca się w 4-węglowy kwas dikarboksylowy(jabłczan lub asparaginian), który jest transportowany do chloroplastów komórek wyściełających wiązki naczyniowe. Tutaj kwas ulega dekarboksylacji (usunięcie CO2), utlenieniu (usunięcie wodoru) i przekształceniu w pirogronian. Wodór redukuje NADP. Pirogronian powraca do mezofilu, gdzie PEP jest z niego regenerowany przy zużyciu ATP.

Oddzielony CO 2 w chloroplastach komórek osłonki trafia do zwykłej ścieżki C 3 ciemnej fazy fotosyntezy, tj. do cyklu Calvina.

Fotosynteza na szlaku Hatch-Slack wymaga więcej energii.

Uważa się, że szlak C4 powstał później w ewolucji niż szlak C3 i jest w dużej mierze adaptacją przeciwko fotooddychaniu.

Pytanie 1. Ile glukozy syntetyzuje się podczas fotosyntezy rocznie na każdego z 4 miliardów mieszkańców Ziemi?
Jeśli weźmiemy pod uwagę, że w ciągu roku cała roślinność planety produkuje około 130 000 milionów ton cukrów, to na jednego mieszkańca Ziemi (przy założeniu, że populacja Ziemi wynosi 4 miliardy mieszkańców) przypada 32,5 miliona ton (130 000/4 = 32,5 ) .

Pytanie 2. Skąd pochodzi tlen uwalniany podczas fotosyntezy?
Tlen dostający się do atmosfery w procesie fotosyntezy powstaje podczas reakcji fotolizy - rozkładu wody pod wpływem energii światła słonecznego (2H 2 O + energia świetlna = 2H 2 + O 2).

Pytanie 3. Jakie jest znaczenie lekkiej fazy fotosyntezy; ciemna faza?
Fotosynteza to proces syntezy substancji organicznych z nieorganicznych pod wpływem energii światła słonecznego.
Fotosynteza w komórkach roślinnych zachodzi w chloroplastach. Całkowita formuła:
6CO 2 + 6H 2 O + energia świetlna = C 6 H 12 O 6 + 6O 2.
Faza lekka fotosyntezy zachodzi tylko w świetle: kwant światła wybija elektron z cząsteczki chlorofilu znajdującej się w błonie tylakoidów.; wybity elektron albo powraca, albo trafia do łańcucha enzymów, które utleniają się nawzajem. Łańcuch enzymów przenosi elektron na zewnątrz błony tylakoidów do transportera elektronów. Membrana jest naładowana ujemnie z zewnątrz. Dodatnio naładowana cząsteczka chlorofilu leżąca w środku membrany utlenia enzymy zawierające jony manganu leżące po wewnętrznej stronie membrany. Enzymy te biorą udział w reakcjach fotolizy wody, w wyniku których powstaje H +; Protony wodoru uwalniają się na wewnętrzną powierzchnię błony tylakoidów i na tej powierzchni pojawia się ładunek dodatni. Kiedy różnica potencjałów na błonie tylakoidów osiąga 200 mV, protony zaczynają przepływać przez kanał syntetazy ATP. Syntetyzuje się ATP.
W fazie ciemnej glukoza syntetyzowana jest z CO 2 i wodoru atomowego związanego z nośnikami przy wykorzystaniu energii ATP.Synteza glukozy zachodzi w zrębie chloroplastów przy wykorzystaniu układów enzymatycznych. Całkowita reakcja ciemnej sceny:
6CO2 + 24H = C 6H 12O 6 + 6H 2O.
Fotosynteza jest bardzo produktywna, jednak chloroplasty liści wychwytują, aby wziąć udział w tym procesie tylko 1 kwant światła z 10 000. Niemniej jednak wystarczy to, aby zielona roślina zsyntetyzowała 1 g glukozy na godzinę z powierzchni liścia wynoszącej 1 m2.

Pytanie 4. Dlaczego rośliny wyższe potrzebują obecności bakterii chemosyntetycznych w glebie?
Rośliny potrzebują soli mineralnych zawierających pierwiastki takie jak azot, fosfor i potas do prawidłowego wzrostu i rozwoju. Wiele rodzajów bakterii jest w stanie syntetyzować niezbędne związki organiczne substancji nieorganicznych, ze względu na energię chemicznych reakcji utleniania zachodzących w komórce, należą do chemotrofów. Substancje wychwycone przez bakterię ulegają utlenieniu, a uzyskana energia wykorzystywana jest do syntezy kompleksu organiczne molekuły z CO 2 i H 2 O. Proces ten nazywa się chemosyntezą.
Najważniejszą grupą organizmów chemosyntetyzujących są bakterie nitryfikacyjne. Badając je, S.N. Winogradski odkrył ten proces w 1887 r chemosynteza. Bakterie nitryfikacyjne żyjące w glebie utleniają amoniak powstały podczas rozkładu pozostałości organicznych do kwasu azotawego:
2MN 3 + ZO 2 = 2HNO 2 + 2H 2O + 635 kJ.
Następnie bakterie innych gatunków z tej grupy utleniają się kwas azotowy do azotu:
2HNO 2 + O 2 = 2HNO 3 + 151,1 kJ.
Oddziaływanie z minerałami glebowymi, azotowymi i kwas azotowy tworzą sole, które są najważniejszymi składnikami żywienia mineralnego roślin wyższych. Pod wpływem innych rodzajów bakterii w glebie tworzą się fosforany, które wykorzystywane są także przez rośliny wyższe.
Zatem, chemosynteza to proces syntezy substancji organicznych z nieorganicznych przy wykorzystaniu energii chemicznych reakcji utleniania zachodzących w komórce.

Jak sama nazwa wskazuje, fotosynteza jest zasadniczo naturalną syntezą substancji organicznych, polegającą na przekształcaniu CO2 z atmosfery i wody w glukozę i wolny tlen.

Wymaga to obecności energii słonecznej.

Równanie chemiczne Proces fotosyntezy można ogólnie przedstawić w następujący sposób:

Fotosynteza składa się z dwóch faz: ciemnej i jasnej. Reakcje chemiczne ciemnej fazy fotosyntezy różnią się znacznie od reakcji fazy jasnej, ale ciemna i jasna faza fotosyntezy są od siebie zależne.

Faza jasna może zachodzić w liściach roślin wyłącznie pod wpływem światła słonecznego. W przypadku ciemności konieczna jest obecność dwutlenku węgla, dlatego roślina musi stale pobierać go z atmosfery. Wszystko cechy porównawcze Poniżej zostaną przedstawione ciemne i jasne fazy fotosyntezy. W tym celu stworzono tabelę porównawczą „Fazy fotosyntezy”.

Faza jasna fotosyntezy

Główne procesy w lekkiej fazie fotosyntezy zachodzą w błonach tylakoidów. Bierze w nim udział chlorofil, białka transportu elektronów, syntetaza ATP (enzym przyspieszający reakcję) i światło słoneczne.

Dalej mechanizm reakcji można opisać w następujący sposób: kiedy światło słoneczne pada na zielone liście roślin, w ich strukturze wzbudzane są elektrony chlorofilu (ładunek ujemny), które po przejściu w stan aktywny opuszczają cząsteczkę pigmentu i trafiają na na zewnątrz tylakoidu, którego błona jest również naładowana ujemnie. Jednocześnie cząsteczki chlorofilu ulegają utlenieniu, a te już utlenione ulegają redukcji, pobierając w ten sposób elektrony z wody znajdującej się w strukturze liścia.

Proces ten prowadzi do tego, że cząsteczki wody rozpadają się, a jony powstałe w wyniku fotolizy wody oddają swoje elektrony i zamieniają się w rodniki OH, które są zdolne do prowadzenia dalszych reakcji. Te reaktywne rodniki OH łączą się następnie, tworząc pełnoprawne cząsteczki wody i tlenu. W takim przypadku wolny tlen ucieka do środowiska zewnętrznego.

W wyniku tych wszystkich reakcji i przemian błona tylakoidów liścia z jednej strony jest naładowana dodatnio (pod wpływem jonu H+), a z drugiej - ujemnie (pod wpływem elektronów). Gdy różnica tych ładunków po obu stronach membrany osiągnie wartość większą niż 200 mV, protony przechodzą przez specjalne kanały enzymu syntetazy ATP i dzięki temu ADP (w wyniku procesu fosforylacji) przekształca się w ATP. Natomiast wodór atomowy uwalniany z wody przywraca specyficzny nośnik NADP+ do NADP·H2. Jak widzimy, w wyniku lekkiej fazy fotosyntezy zachodzą trzy główne procesy:

  1. synteza ATP;
  2. utworzenie NADP H2;
  3. powstawanie wolnego tlenu.

Ten ostatni jest uwalniany do atmosfery, a NADP H2 i ATP biorą udział w ciemnej fazie fotosyntezy.

Ciemna faza fotosyntezy

Faza ciemna i jasna fotosyntezy charakteryzują się dużymi wydatkami energetycznymi po stronie rośliny, natomiast faza ciemna przebiega szybciej i wymaga mniej energii. Reakcje fazy ciemnej nie wymagają światła słonecznego, dlatego mogą zachodzić zarówno w dzień, jak i w nocy.

Wszystkie główne procesy tej fazy zachodzą w zrębie chloroplastu rośliny i stanowią unikalny łańcuch kolejnych przemian dwutlenku węgla z atmosfery. Pierwszą reakcją w takim łańcuchu jest wiązanie dwutlenku węgla. Aby stało się to sprawniej i szybciej, natura dostarczyła enzym karboksylazę RiBP, który katalizuje wiązanie CO2.

Następnie następuje cały cykl reakcji, których zakończeniem jest przemiana kwasu fosfoglicerynowego w glukozę (cukier naturalny). Wszystkie te reakcje wykorzystują energię ATP i NADP H2, które powstały w lekkiej fazie fotosyntezy. Oprócz glukozy w procesie fotosyntezy powstają także inne substancje. Wśród nich znajdują się różne aminokwasy, kwasy tłuszczowe, glicerol i nukleotydy.

Fazy ​​fotosyntezy: tabela porównawcza

Kryteria porównania Faza jasna Faza ciemna
światło słoneczne Wymagany Nie wymagane
Miejsce reakcji Granat chloroplastowy Zręb chloroplastowy
Zależność od źródła energii Zależy od światła słonecznego Zależy od ATP i NADP H2 powstających w fazie lekkiej oraz od ilości CO2 z atmosfery
Materiały wyjściowe Chlorofil, białka transportu elektronów, syntetaza ATP Dwutlenek węgla
Istota fazy i to, co powstaje Uwalnia się wolny O2, tworzą się ATP i NADP H2 Powstawanie naturalnego cukru (glukozy) i pochłanianie CO2 z atmosfery

Fotosynteza - wideo

Jak krótko i jasno wytłumaczyć tak złożony proces, jakim jest fotosynteza? Rośliny są jedynymi żywymi organizmami, które mogą wytwarzać własne pożywienie. Jak oni to robią? Do wzrostu i otrzymania wszystkich niezbędnych substancji środowisko: dwutlenek węgla - z powietrza, wody i - z gleby. Potrzebują także energii, którą czerpią z promieni słonecznych. Energia ta wywołuje pewne reakcje chemiczne, podczas których dwutlenek węgla i woda przekształcają się w glukozę (pożywienie) i zachodzi fotosynteza. Istotę tego procesu można krótko i jasno wyjaśnić nawet dzieciom w wieku szkolnym.

„Razem ze Światłem”

Słowo „fotosynteza” pochodzi od dwóch greckich słów – „foto” i „synteza”, których kombinacja oznacza „razem ze światłem”. Energia słoneczna jest przekształcana w energię chemiczną. Równanie chemiczne fotosyntezy:

6CO 2 + 12H 2 O + światło = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.

Oznacza to, że do wytworzenia glukozy wykorzystuje się 6 cząsteczek dwutlenku węgla i dwanaście cząsteczek wody (wraz ze światłem słonecznym), w wyniku czego powstaje sześć cząsteczek tlenu i sześć cząsteczek wody. Jeśli przedstawisz to jako równanie słowne, otrzymasz co następuje:

Woda + słońce => glukoza + tlen + woda.

Słońce jest bardzo potężnym źródłem energii. Ludzie zawsze próbują go używać do wytwarzania prądu, izolowania domów, podgrzewania wody i tak dalej. Rośliny „wymyśliły”, jak wykorzystywać energię słoneczną miliony lat temu, ponieważ było to konieczne do ich przetrwania. Fotosyntezę można krótko i jasno wytłumaczyć w ten sposób: rośliny wykorzystują energię świetlną słońca i przekształcają ją w energię chemiczną, w wyniku czego powstaje cukier (glukoza), którego nadmiar magazynowany jest w postaci skrobi w liściach, korzeniach, łodygach i nasiona rośliny. Energia słoneczna przekazywana jest roślinom, a także zwierzętom jedzącym te rośliny. Kiedy roślina potrzebuje składników odżywczych do wzrostu i innych procesów życiowych, rezerwy te są bardzo przydatne.

W jaki sposób rośliny czerpią energię ze słońca?

Mówiąc krótko i jasno o fotosyntezie, warto poruszyć kwestię tego, w jaki sposób rośliny radzą sobie z pobieraniem energii słonecznej. Dzieje się tak dzięki specjalnej strukturze liści, w skład której wchodzą zielone komórki - chloroplasty, które zawierają specjalną substancję zwaną chlorofilem. To właśnie daje liście zielony kolor i odpowiada za pochłanianie energii słonecznej.


Dlaczego większość liści jest szeroka i płaska?

Fotosynteza zachodzi w liściach roślin. Niesamowity fakt jest to, że rośliny są bardzo dobrze przystosowane do wychwytywania światła słonecznego i pochłaniania dwutlenku węgla. Dzięki szerokiej powierzchni uchwycone zostanie znacznie więcej światła. Właśnie z tego powodu panele słoneczne, które czasami instaluje się na dachach domów, są również szerokie i płaskie. Im większa powierzchnia, tym lepsza absorpcja.

Co jeszcze jest ważne dla roślin?

Podobnie jak ludzie, rośliny również potrzebują korzystnych składników odżywczych, aby zachować zdrowie, rosnąć i dobrze wykonywać swoje funkcje życiowe. Pozyskują minerały rozpuszczone w wodzie z gleby poprzez korzenie. Jeśli w glebie brakuje składników mineralnych, roślina nie będzie się normalnie rozwijać. Rolnicy często badają glebę, aby upewnić się, że zawiera wystarczającą ilość składników odżywczych, aby rośliny mogły rosnąć. W przeciwnym razie zastosuj nawozy zawierające niezbędne minerały do ​​odżywiania i wzrostu roślin.

Dlaczego fotosynteza jest tak ważna?

Aby krótko i przejrzyście wytłumaczyć dzieciom fotosyntezę, warto powiedzieć, że proces ten jest jedną z najważniejszych reakcji chemicznych na świecie. Jakie są powody tak głośnego stwierdzenia? Po pierwsze, fotosynteza zasila rośliny, które z kolei żywią każdą inną żywą istotę na planecie, w tym zwierzęta i ludzi. Po drugie, w wyniku fotosyntezy do atmosfery uwalniany jest tlen niezbędny do oddychania. Wszystkie żywe istoty wdychają tlen i wydychają dwutlenek węgla. Na szczęście rośliny robią odwrotnie, dlatego są bardzo ważne dla ludzi i zwierząt, ponieważ dają im możliwość oddychania.

Niesamowity proces

Okazuje się, że rośliny też potrafią oddychać, ale w przeciwieństwie do ludzi i zwierząt pochłaniają z powietrza dwutlenek węgla, a nie tlen. Rośliny też piją. Dlatego trzeba je podlewać, inaczej umrą. Korzystanie z systemu korzeniowego, wody i składniki odżywcze transportowane są do wszystkich części ciała rośliny, a dwutlenek węgla jest wchłaniany przez małe dziurki w liściach. Wyzwalacz, aby rozpocząć Reakcja chemiczna jest światło słoneczne. Wszystkie uzyskane produkty przemiany materii są wykorzystywane przez rośliny do odżywiania, tlen jest uwalniany do atmosfery. Tak można krótko i przejrzyście wyjaśnić, jak zachodzi proces fotosyntezy.

Fotosynteza: jasna i ciemna faza fotosyntezy

Rozważany proces składa się z dwóch głównych części. Istnieją dwie fazy fotosyntezy (opis i tabela poniżej). Pierwsza nazywa się fazą świetlną. Zachodzi on jedynie w obecności światła w błonach tylakoidów przy udziale chlorofilu, białek przenoszących elektrony i enzymu syntetazy ATP. Co jeszcze kryje fotosynteza? Zapalają się i wymieniają wzajemnie w miarę postępu dnia i nocy (cykle Calvina). W fazie ciemnej następuje produkcja tej samej glukozy, pożywienia dla roślin. Proces ten nazywany jest także reakcją niezależną od światła.

Faza jasna Faza ciemna

1. Reakcje zachodzące w chloroplastach są możliwe tylko w obecności światła. W reakcjach tych energia świetlna zamieniana jest na energię chemiczną

2. Chlorofil i inne pigmenty pochłaniają energię słoneczną. Energia ta przekazywana jest do fotosystemów odpowiedzialnych za fotosyntezę

3. Woda służy do przechowywania elektronów i jonów wodoru, bierze także udział w produkcji tlenu

4. Elektrony i jony wodoru wykorzystywane są do tworzenia ATP (cząsteczki magazynującej energię), która jest potrzebna w kolejnej fazie fotosyntezy

1. Reakcje cyklu bardzo lekkiego zachodzą w zrębie chloroplastów

2. Dwutlenek węgla i energia z ATP są wykorzystywane w postaci glukozy

Wniosek

Z powyższego można wyciągnąć następujące wnioski:

  • Fotosynteza to proces, w wyniku którego wytwarzana jest energia słoneczna.
  • Energia świetlna ze słońca jest przekształcana przez chlorofil w energię chemiczną.
  • Chlorofil nadaje roślinom zielony kolor.
  • Fotosynteza zachodzi w chloroplastach komórek liści roślin.
  • Dwutlenek węgla i woda są niezbędne do fotosyntezy.
  • Dwutlenek węgla dostaje się do rośliny przez maleńkie dziurki, aparaty szparkowe, a tlen przez nie wychodzi.
  • Woda wchłaniana jest do rośliny przez korzenie.
  • Bez fotosyntezy na świecie nie byłoby żywności.