Результат световой фазы: выделение кислорода, образование АТФ, восстановление НАДФН.

ТЕМА: ФОТОСИНТЕЗ

В далеком 1600 году бельгийский естествоиспытатель Ян Ван-Гельмонт решил узнать, благодаря чему растёт растение. Для этого он поставил опыт: посадил побег ивы в кадку с землёй, предварительно взвесив побег и землю. В течение пяти лет он поливал растение чистой дождевой водой. Взвесив иву, через пять лет, ученый обнаружил, что её вес увеличился на 65 килограммов, а вес земли в горшке уменьшился всего на 50 граммов. Откуда растение добыло 64 кг 950 г питательных веществ? Ван-Гельмонт решил, что всё дело в поглощённой растением воде. Так возникла водная теория питания растений. Результаты проведённого опыта очень заинтересовали других учёных, а вот объяснение, предложенное Ван-Гельмонтом, их совсем не устроило. И начался активный поиск ответа на поставленный вопрос. Так, английский химик Джозеф Пристли в 1771 году доказал, что растение на свету поглощает углекислый газ и выделяет кислород. Для этого он поместил в закрытый сосуд, поставленный на свет, зелёное растение и мышь. Благодаря кислороду, выделяемому в результате фотосинтеза, мышь могла существовать долгое время. В контрольном эксперименте (при отсутствии либо света, либо растения) мышь достаточно быстро задыхалась.

Поглощенный солнечный свет используется фотоавтотрофами для синтеза органических соединений. Таким образом, фотосинтез – это процесс превращения солнечной энергии в энергию химических соединений с образованием органических веществ из неорганических (воды и углекислого газа) при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилла). Кроме этого при фотосинтезе как побочный продукт выделяется кислород. Основными фотосинтетиками являются растения и цианобактерии (сине-зеленые водоросли). В растениях основной орган фотосинтеза – лист, а сам фотосинтез происходит в зеленых пластидах – хлоропластах.

Опыт, доказывающий, что для фотосинтеза необходима световая энергия. Комнатное растение помещают в темный шкаф, чтобы произошел отток питательных веществ из листьев. Через трое суток растения вынимают из шкафа и одевают на один из листьев конверт с вырезанной на нем фигурой. Затем растение помещается на солнечный свет. Через 8-10 часов конверт снимают, лист срезают и обрабатывают спиртом, который хорошо растворяет хлорофилл. Когда спирт окрасится в зеленый цвет, а лист обесцветится, его поливают слабым раствором йода. На обесцвеченном листе проступит синяя фигура. Значит, в освещенной части образовался крахмал.

Опыт, доказывающий, что для фотосинтеза нужен углекислый газ. Веточка зеленого растения в стакане с водой помещается под стеклянный герметичный колпак. Рядом с растением под колпак помещается раствор едкой щелочи, который поглотит углекислый газ из воздуха под колпаком. Через двое суток колпак снимают, срезают лист и проверяют, образовался ли в его клетках крахмал. При обработке йодом лист не посинеет. Следовательно, крахмал, образуется в листьях только при наличии углекислого газа в воздухе. Для образования глюкозы нужны углекислый газ, поступающий через устьица, и вода, которую поглощают корни из воздуха.

п/п	Опыт	Что доказывает
1	Опыт Дж. Пристли с мышонком	Выделение растениями кислорода, необходимого для дыхания живых организмов
2	Опыт с лучинкой	Зеленые растения выделяют кислород только на свету
3	Опыт с окаймленной геранью	Органические вещества образуются только при наличии хлорофилла
4	Опыт со щелочью под колпаком	Необходимость углекислого газа для фотосинтеза
5	Опыт с надписью/фигурами на листе	Образование крахмала в листьях на свету

Видимый свет занимает лишь небольшую часть спектра, излучаемого Солнцем, но именно эту часть используют организмы для фотосинтеза. Электромагнитные волны излучаются Солнцем не беспрерывно, а небольшими порциями – квантами (фотонами). Каждый квант света несет определенное количество энергии. Количество энергии обратно пропорционально длине волны: чем больше длина волны, тем меньше энергия. (поэтому короткие ультрафиолетовые лучи так быстро «заряжают» и дестабилизируют ДНК).

Попадая на какую-нибудь поверхность квант света отдает ей свою энергию, в результате чего поверхность нагревается. Но, в некоторых случаях при поглощении кванта света молекулой его энергия не превращается в тепло, а приводит к перестройкам внутри молекулы – энергия передается электрону. За счет этой энергии он переходит на более высокий энергетический уровень. Такое состояние атома или молекулы называют возбужденным. Молекула в возбужденном состоянии нестабильна, она стремиться отдать лишнюю энергию и перейти в стабильное состояние с меньшей энергией. От избытка энергии молекула может избавиться разными путями – выделением тепла, флуоресценцией. Если энергия кванта достаточно велика, возможно «выбивание» электрона из молекулы. В таком случае молекула, отдавшая электрон превращается в катион.

В самых общих чертах процесс фотосинтеза можно описать так:

Молекула хлорофилла поглощает квант света и переходит в возбужденное состояние. В таком состоянии хлорофилл не может удержать свой электрон и отдает его. Электрон, как по ступенькам, перескакивает по цепочке переносчиков, встроенных в мембрану хлоропласта. При этом создаются условия для синтеза АТФ. Перемещаясь с одной ступеньки на другую, электрон передает свою энергию на конечный акцептор электронов, который принимает участие в синтезе органических соединений из СО₂. В то е время молекула воды выступает донором электронов, восстанавливающим молекулу хлорофилла. Новая порция световой энергии возбуждает восстановленный хлорофилл и весь цикл повторяется.

За счет энергии света в фотосинтезирующих клетках образуется АТФ, играющая роль своеобразного аккумулятора энергии. Еще одним аккумулятором энергии помимо АТФ является сложное органическое соединение НАДФ+ (окисленная форма). Это соединение захватывает возбужденные светом электроны и ион H (протон) и восстанавливается в результате этого до НАДФ*Н. За счет энергии АТФ и при участии НАДФ происходит восстановление СО₂ до С₆Н₁₂О₆ (глюкозы)

Итог:

Основные вещества, необходимые для процесса фотосинтеза: углекислый газ, вода, хлорофилл.
Основные вещества, которые образуются в процессе фотосинтеза: углеводы (глюкоза, крахмал), кислород.

Фотосинтез состоит из двух фаз:

Световой – которая осуществляется ТОЛЬКО ПРИ НАЛИЧИИ СВЕТА (т.е. днем) и протекает на мембранах тилакоида

Темновой – которая не требует наличия света (поэтому идет и днем, и ночью) и протекает в строме хлоропластов

Световая фаза. В мембрану тилакоида встроены молекулы хлорофиллов, транспортных белков и ферментов, которые обеспечивают фотосинтез. Все эти структуры расположены в мембранах не хаотично, а последовательно. Порядок их расположения обусловлен окислительно-восстановительным потенциалом (способностью/силой отдавать и отбирать электроны). Фотосинтетические пигменты в мембранах хлоропластов организованы в две пигментные системы – фотосистему I (ФС I) и фотосистему II (ФС II). Каждая фотосистема состоит из светособирательных (антенных) молекул пигментов и реакционного центра (РЦ).

В РЦ фотосистемы I молекула хлорофилла поглощает красный свет длиной волны 700 нм. Под действием света электрон в этом реакционном центре переходит в возбужденное состояние, "перескакивая" на высокий энергетический уровень молекулы хлорофилла, и идя по цепи переносчиков электронов, электроны переносятся на НАДФ+, восстанавливая его в НАДФ*Н. В молекулах хлорофилла фотосистемы I остаются при этом "дыры", незаполненные места электронов, перешедших в НАДФ*Н. Эти "дыры" заполняются электронами, которые образуются в фотосистеме II.

В фотосистеме II также имеется реакционный центр - комплекс хлорофилла с белком, который поглощает свет с длиной волны 680 нм. Под действием света электрон хлорофилла в этом центре также переходит в возбужденное состояние и захватывается первым переносчиком длинной цепи, обозначаемым буквой Z. От этого акцептора электрон спускается по цепи переносчиков вниз и в конечном счете заполняет дыру, образовавшуюся в хлорофилле фотосистемы I. На этом пути энергия происходит фосфорилирование АДФ с образованием АТФ. Таким образом, энергия света преобразуется и запасается в молекулах АТФ и расходуется далее на синтез углеводов, белков, нуклеиновых кислот и для иных жизненных процессов растений, а через них и других живых организмов, населяющих нашу планету. Этой же цели (синтез углеводов) служит НАДФ*Н, образующийся в фотосистеме I.

Многочисленные исследования показали, что источником электронов в фотосистеме II является вода. Расщепление молекулы воды - фотолиз происходит благодаря энергии света. При этом возникают электроны (e), протоны (Н+) и в качестве побочного продукта кислород, который выделяется в атмосферу нашей планеты. Это тот О₂, которым мы дышим и который необходим всем аэробным организмам.

Таким образом, СВЕТОВАЯ ФАЗА:

- происходит в тилакоидах (на мембранах тилакоидов)

- для восстановления электронов хлорофилла ФСІІ происходит фотолиз воды с выделением кислорода

- вместе с электронами переносчики транспортируют и протоны, формируя на мембране протонный потенциал, который используется клеткой для синтеза АТФ.

- конечным акцептором электронов является переносчик НАДФ+, который восстанавливается до НАДФН

Результат световой фазы: выделение кислорода, образование АТФ, восстановление НАДФН.

Темновая фаза – ферментативная цепь реакций (цикл Кальвина), которая приводит к синтезу органического вещества.

- происходит в строме: в строму поступают вещества, образованные в световой фазе (АТФ, НАДФН) и СО₂ из воздуха;

- в строме уже присутствуют С5-углеводы, которые образовались из предыдущих циклов фотосинтеза; углерод из СО₂ включается в состав С5-углеводов, образуя очень нестокое С6 соединение, которое тут же распадается на два С3 вещества (фосфоглицерата=ФГК)

СО₂ + С5 → С6(нестойкое) → 2С3 (ФГК)

- одна трехуглеродная молекула идет по основному пути превращения в глюкозу
2С3 → С₆Н₁₂О₆

- вторая трехуглеродная молекула идет на пополнение запаса С5 углеводов в строме 5С3 → 3С5

Существует основной С3 (трехуглеродный) путь синтеза органических веществ – цикл Кальвина. В нем, в основном, задействованы органические соединение с углеродным скелетом, кратным 3. Растения, которые используют вышеописанный путь, называются С3-растениями и это, как правило, растения умеренного типа климата.

Существует также С4 путь и С4-растения – тропические и субстропические растения. Особенности их цикла связаны с сухим и жарким типом климата, особенностями обмена воды и углекислого газа. Именно поэтому их цикл состоит из С4-органических соединений.

Фермент, который катализирует первую реакцию цикла – присоединения СО₂ к С5 углероду (карбоксилирование) – называется РУБИСКО. Этот фермент проявляет двойную активность. В присутствии большого количества СО₂ РУБИСКО запускает цикл Кальвина, а в присутствии большей концентрации О₂ – катализирует расщепление С5 соединений с выделением Со2. Это так называемое фотодыхание.

Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 952; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!