Acasă » Clasa 10 » Sursă de energie în stadiul de lumină al fotosintezei. Esența procesului de fotosinteză

Sursă de energie în stadiul de lumină al fotosintezei. Esența procesului de fotosinteză

Fotosinteză.

fotosinteză numit procesul de transformare a energiei luminoase în energia legăturilor chimice ale substanțelor organice.

Surse externe de materie și energie. Pentru implementarea oricăror manifestări ale activității vitale a celulei, este nevoie de energie.

Este necesara energie pentru:

procese de sinteză chimică

pentru toate tipurile de mișcare, inclusiv musculare, pentru transmitere impulsuri nervoase,

pentru formarea și menținerea unei temperaturi constante a corpului la păsări și mamifere etc.

Procesul de transfer activ al substanțelor prin membrana citoplasmatică (în și în afara celulei).

Din care provine energia necesară pentru a desfășura viața celulelor mediu inconjurator. Viața pe planeta noastră depinde de energia studiată de Soare. În timpul fotosintezei, energia solară este captată și stocată în molecule. materie organică.

Compușii de pornire pentru fotosinteză sunt substanțe anorganice simple, sărace din punct de vedere energetic - dioxid de carbon (CO 2 ) și apă (H 2 0).

Celule (după sursa de alimentare)

autotrof (din greacă. autos - el însuși și trophe - hrană, nutriție)

heterotrof (din grecescul heteros - diferit, diferit și... trofeu)

sunt capabili de sinteza independentă a compușilor organici necesari acestora în detrimentul energiei luminoase ( fotosinteză) sau energia eliberată în timpul oxidării compușilor anorganici ( chimiosinteză).

celulele fotosintetice ale plantelor verzi

bacterii cu sulf verde și violet

cianobacteriile

unii protiști.

nu pot sintetiza substanțe organice din cele anorganice, prin urmare, pentru procesele de asimilare, au nevoie de aportul de substanțe organice din exterior sub formă de hrană, primind cu ea carbohidrați, grăsimi și proteine gata preparate.

Toate celulele animale

Majoritatea bacteriilor

Celulele vegetale care nu conțin clorofilă (de exemplu, celulele organelor subterane).

in functie de conditii pot efectua fotosinteza sau consuma substante organice gata preparate din mediu: protistii lui Chlamydomonas, Euglena etc.

Fotosinteza are loc în plastide.

plastide - acestea sunt organele celulare caracteristice ale protiștilor și plantelor autotrofe. Plastide (după culoare)

Cloroplaste:

Au o culoare verde (prezența în ele a pigmenților - clorofila a și b, pigmenți auxiliari - carotenoizi (portocalii, galbeni sau roșii).

formă - ovală

dimensiune: 5-10 x 2-4 microni

Cantitate într-o celulă de frunze: 15-20 sau mai mult (unele alge au 1-2 cloroplaste gigantice de diferite forme).

Structura cloroplastei:

o carcasă formată din membrane exterioare și interioare (Fig. 1)

Membrana exterioară acoperă cloroplastul

Membrana interioară formează invaginări închise turtite - tilacoizi(au forma de discuri). Câțiva tilacoizi întinși unul peste altul - grana.

În membranele tilacoide - pigmenți sensibili la lumină, purtători de electroni și protoni (participă la absorbția și conversia energiei luminoase).

Mediul intern al cloroplastei stroma (matricea): proteine, lipide, ADN (molecule circulare), ARN, ribozomi și substanțe de depozitare (lipide, amidon și boabe proteice), enzime implicate în fixarea dioxidului de carbon.

Fig.1 Schema structurii cloroplastei:

1 - picătură de lipide; 2 - boabe de amidon; 3 - membrana exterioara; 4 - cereale; 5 - ADN; b - ribozom; 7 - stroma; 8 - tilacoid grana; 9 - stroma tilacoid; 10 - membrana interioara

Leucoplaste:

nu au grant

În ele se depun nutrienți de rezervă - amidon, proteine, grăsimi.

Cromoplaste:

Au o formă și o culoare deosebite (sunt în formă de disc, zimțat, în formă de seceră, rombice, sub formă de piramide etc.)

· sunt fructe de rosii, frasin de munte, lacramioare, trandafir salbatic, radacini de morcovi.

Esența procesului de fotosinteză.

Procesul de fotosinteză este de obicei descris de ecuația:

6C0 2 + 6H 2 0 lumina C 6 H 12 O 6 + 60 2

clorofilă

Această transformare are loc în plastide verzi - cloroplaste.

Fotosinteză

Faza de lumina:

1. Apare pe membranele tilacoide numai pe lume!

2. Energia este convertită după cum urmează: energie radiatie solara (absorbit de cloroplaste) → energie electrochimică → Energia legaturii ATP(conversia energiei se datorează transferului de electroni și protoni de hidrogen cu ajutorul unor purtători speciali prin membrana tilacoidă).

3. Substanțe inițiale: apă, purtător de hidrogen NADP

4. Produse finale: ATP, O2, NADP redus.

Etapele fazei luminoase:

1. Lumina lovește moleculele de clorofilă din cloroplaste

2. Molecula de clorofilă intră într-o stare excitată și pierde un electron: clorofilă light clorofila + + ē

3. Cu ajutorul unor purtători speciali, un electron trece prin membrana tilacoidului și intră în partea exterioară a tilacoidului

4. În acest moment, moleculele de apă din interiorul tilacoidului se descompun sub acţiunea luminii: 2H 2 O - 4ē → 4H + + O 2 - fotoliza apei.

5. Electronii care au părăsit molecula de apă sunt trimiși către molecula de clorofilă excitată și o transferă în starea normală.

6. Protonii de hidrogen (H +), care s-au format în timpul fotolizei apei, rămân în interiorul tilacoidului.

7. Protonii de hidrogen (2) și electronii (1) se acumulează pe diferite părți ale membranei tilacoide: H + (4)

(1) ē ē ē ē ē ē ē ē ē ē ē canal enzimatic

stroma de cloroplast ATP sintetaza (3)

8. Când protonii și electronii se acumulează pe ambele părți ale membranei, apare un potențial electrochimic (electronii și protonii au sarcina opusă în semn) și se deschide canalul enzimei ATP sintetaza (numărul 3 în diagramă), ca urmare a care nivel inalt energie. În acest caz, protonii de hidrogen trec prin canalul enzimatic (3) și ajung în stroma cloroplastei.

9. Energia care a apărut la deschiderea canalului enzimei ATP sintetaza merge la conversia moleculelor de ADP (disponibile în cloroplast) într-o moleculă de ATP (folosită în faza întunecată a fotosintezei):

ADP + H 3 RO 4 E ATP + H 2 O

10. Protonii transferați (4) interacționează cu electronii (1) și cu molecula NADP (5), care se află în stroma cloroplastei, și se formează un complex NADP redus: NADP + 2ē + 2H + → NADP- redus (utilizat în faza întunecată a fotosintezei)

11. Ca urmare, în faza de lumină se formează ATP, oxigen (un produs secundar al fotosintezei), NADP redus.

Faza intunecata:

1. Efectuat în stroma cloroplastului fără participarea luminii.

2. Include un numar mare de reacții (conversia CO 2 în glucoză - ciclul Calvin).

3. Substanțe inițiale: CO 2 , ATP, NADP redus.

glucoză CO2

NADP redus

4. Produse finale: glucoză (poate fi transformată în amidon sau utilizată pentru nevoile energetice ale celulei), ADP (utilizată mai departe în faza luminoasă pentru a produce ATP).

5. Pentru a obține o moleculă de glucoză, sunt necesare 18 molecule de ATP și 12 molecule reduse cu NADP. CO 2 provine din atmosferă.

Importanța fotosintezei

singura sursă de oxigen

sursă de substanțe organice (glucoză, amidon etc.)

1. Fotosinteza se referă la procesele de plastic sau metabolismul energetic? De ce?

Fotosinteza se referă la procesele de schimb plastic. Deoarece în procesul de fotosinteză, substanțele organice se formează din dioxid de carbon și apă.

2. În care organele celula plantei are loc fotosinteza? Ce este un fotosistem? Care este funcția fotosistemelor?

La plante și alge, fotosinteza se realizează în organele speciale - cloroplaste. Membranele tilacoide conțin complexe pigmentare-proteine speciale - fotosisteme. Există două tipuri de fotosisteme - fotosistemul I și fotosistemul II. Fiecare include o antenă de captare a luminii formată din molecule de pigment, un centru de reacție și purtători de electroni. Principala diferență dintre fotosisteme este că fotosistemul II include un complex special de enzime care efectuează fotoliza apei în lumină - scindarea moleculelor de apă pentru a forma oxigen (O2), electroni și protoni (H). Fotosistemului I lipsește un astfel de complex de enzime și, prin urmare, nu poate folosi apa ca sursă de electroni pentru a-și regenera molecula momeală.

3. Care este importanța fotosintezei pe Pământ? De ce ar fi imposibilă existența biosferei fără organisme fototrofe?

Unicitatea și semnificație biologică fotosinteza sunt determinate de faptul că viața de pe planeta noastră își datorează întreaga existență acestui proces. Fotosinteza este principala sursă de nutrienți pentru organismele vii, precum și singurul furnizor de oxigen liber de pe Pământ. Din oxigen s-a format și se menține stratul de ozon, care protejează organismele vii ale Pământului de efectele nocive ale radiațiilor ultraviolete cu unde scurte. În plus, fotosinteza menține un conținut relativ constant de CO2 în atmosferă.

4. Descrieți fazele luminoase și întunecate ale fotosintezei conform planului: 1) locul curgerii; 2) substanțe inițiale; 3) procese în derulare; 4) produse finale. Ce produse din faza luminoasă a fotosintezei sunt utilizate în faza întunecată?

Faza de lumină se desfășoară pe membranele tilacoide și numai în prezența luminii. Reacțiile fazei întunecate apar în stroma cloroplastei și nu necesită lumină, dar pentru trecerea lor sunt necesari produși ai fazei luminoase. Prin urmare, faza de întuneric are loc aproape simultan cu faza de lumină. Substanțe inițiale în faza luminoasă - NADP redus, fază întunecată - dioxid de carbonși a redus NADP. Astfel, în timpul fazei de lumină, energia luminii este absorbită și transformată în energia legăturilor macroergice ale ATP, apa este scindată cu eliberarea de oxigen și acumularea de atomi de hidrogen. Produșii fazei luminoase a fotosintezei sunt ATP, NADP redus și oxigen. Oxigenul este un produs secundar al fotosintezei, este eliberat în mediu. În timpul fazei întunecate, dioxidul de carbon pătrunde în cloroplaste din mediul înconjurător, iar în stroma cloroplastelor se reduce la substanțe organice. Produsele finale sunt glucoza și oxigenul.

5. Comparați fotosinteza și respirația aerobă. Subliniază asemănările și diferențele.

Diferență: în procesul de fotosinteză, glucoza este sintetizată, iar în procesul de respirație aerobă are loc divizarea acesteia. Ambele procese au loc cu participarea oxigenului.

6. O persoană consumă aproximativ 430 g de oxigen pe zi. Lemn mărime medie absoarbe aproximativ 30 kg de dioxid de carbon pe an. Câți copaci sunt necesari pentru a furniza oxigen unei persoane?

Pe baza calculului că atunci când se consumă 430 g de oxigen, se eliberează 430 g dioxid de carbon. Într-un an, o persoană alocă 430 * 365 \u003d 154.800 g pe an, ceea ce este egal cu 154,8 kg pe an. Dacă 1 copac absoarbe 30 kg de dioxid de carbon pe an, atunci 154,8 kg / 30 kg = 5,1 copaci per persoană.

7. Cercetătorii au împărțit plantele de grâu în două grupe și le-au crescut în laborator în aceleași condiții, cu excepția faptului că plantele din primul grup au fost iluminate cu lumină roșie, iar plantele din al doilea grup au fost iluminate cu verde. În ce grup de plante a avut loc fotosinteza mai intens? Cu ce este legat?

Grâul conține molecule de clorofilă, care absorb razele roșii și albastre ale spectrului și le reflectă pe cele verzi (de aceea plantele au culoarea verde). Aceasta înseamnă că în grupul de plante care au fost iluminate cu lumină roșie, fotosinteza a decurs mai intens, deoarece clorofila poate absorbi razele acestui spectru și poate cheltui energia primită pentru formarea de substanțe organice.

8. Ce experiment poate fi folosit pentru a demonstra că oxigenul eliberat în timpul fotosintezei este format tocmai din molecule de apă, și nu din molecule de dioxid de carbon sau orice altă substanță?

Puteți aplica metoda atomilor marcați, atunci când atomii de oxigen din apă sunt etichetați cu substanțe de etichetare, iar apoi acești atomi vor fi urmăriți în molecule de oxigen.

Toate ființele vii au nevoie de hrană și nutrienți. Când mănâncă, folosesc energia stocată în primul rând în compuși organici - proteine, grăsimi, carbohidrați. Organismele heterotrofe, așa cum sa menționat deja, folosesc alimente de origine vegetală și animală, care conțin deja compuși organici. Plantele creează materie organică prin fotosinteză. Cercetările în domeniul fotosintezei au început în 1630 cu experimentele olandezului van Helmont. El a demonstrat că plantele nu primesc substanțe organice din sol, ci le creează singure. Joseph Priestley în 1771 a dovedit „corecția” aerului de către plante. Așezate sub un capac de sticlă, au absorbit dioxidul de carbon eliberat de o torță mocnită. Cercetările au continuat și acum s-a stabilit că fotosinteză - Acesta este procesul de formare a compușilor organici din dioxid de carbon (CO 2) și apă folosind energia luminoasă și care are loc în cloroplastele plantelor verzi și pigmenții verzi ai unor bacterii fotosintetice.

Cloroplastele și pliurile membranei citoplasmatice a procariotelor conțin un pigment verde - clorofilă. Molecula de clorofilă este capabilă să fie excitată prin acțiunea lumina soareluiși donează electronii lor și îi mută la niveluri de energie mai înalte. Acest proces poate fi comparat cu o minge aruncată în sus. Pe măsură ce mingea se ridică, ea stochează energie potențială; căzând, o pierde. Electronii nu cad înapoi, ci sunt preluați de purtătorii de electroni (NADP + - nicotinamid difosfat). În același timp, energia acumulată de ei mai devreme este cheltuită parțial pentru formarea ATP. Continuând comparația cu o minge aruncată, putem spune că bila, căzând, încălzește spațiul înconjurător, iar o parte din energia electronilor incidenti este stocată sub formă de ATP. Procesul de fotosinteză este împărțit în reacții cauzate de lumină și reacții asociate cu fixarea carbonului. Ei sunt numiti, cunoscuti ușoarăȘi întuneric faze.

„Faza luminii” este etapa în care energia luminoasă absorbită de clorofilă este transformată în energie electrochimică în lanțul de transport de electroni. Se efectuează la lumină, în membrane granițe, cu participarea proteinelor purtătoare și a ATP sintetazei.

Reacțiile induse de lumină apar pe membranele fotosintetice ale gran-cloroplastelor:

1) excitarea electronilor clorofilei de către cuante de lumină și trecerea lor la un nivel de energie mai înalt;

2) reducerea acceptoarelor de electroni - NADP + la NADP H

2H + + 4e- + NADP + → NADP H;

3) fotoliza apei, care apar cu participarea cuantelor de lumină: 2H 2 O → 4H + + 4e - + O 2.

Acest proces are loc în interiorul tilacoizi- pliuri ale membranei interne a cloroplastelor. Tilacoizii formează grana - stive de membrane.

Întrucât lucrările de examen nu întreabă despre mecanismele fotosintezei, ci despre rezultatele acestui proces, vom trece la ele.

Rezultatele reacțiilor luminoase sunt: fotoliza apei cu formarea de oxigen liber, sinteza ATP, reducerea NADP+ la NADP H. Astfel, lumina este necesară doar pentru sinteza ATP și NADP-H.

„Faza întunecată”- procesul de transformare a CO2 în glucoză în stroma (spațiul dintre granule) cloroplaste folosind energia ATP și NADP H.

Rezultatul reacțiilor întunecate este conversia dioxidului de carbon în glucoză și apoi în amidon. Pe lângă moleculele de glucoză din stromă, se formează aminoacizi, nucleotide și alcooli.

Ecuația generală a fotosintezei este -

Importanța fotosintezei. În procesul de fotosinteză, se formează oxigen liber, care este necesar pentru respirația organismelor:

oxigenul formează un scut protector de ozon care protejează organismele de efecte nocive radiații ultraviolete;

fotosinteza asigură producerea de substanțe organice inițiale, și deci hrană pentru toate ființele vii;

fotosinteza ajută la reducerea concentrației de dioxid de carbon din atmosferă.

Chemosinteza - formarea compușilor organici din cei anorganici datorită energiei reacțiilor redox ale compușilor de azot, fier și sulf. Există mai multe tipuri de reacții chemosintetice:

1) oxidarea amoniacului la acid azot și azotic prin bacterii nitrificatoare:

NH3 → HNQ2 → HNO3 + Q;

2) conversia fierului feros în bacterii cu fier trivalent:

Fe 2+ → Fe 3+ + Q;

3) oxidarea hidrogenului sulfurat la sulf sau acid sulfuric de către bacteriile cu sulf

H 2 S + O 2 \u003d 2H 2 O + 2S + Q,

H 2 S + O 2 \u003d 2H 2 SO 4 + Q.

Energia eliberată este folosită pentru sinteza substanțelor organice.

Rolul chimiosintezei. Bacteriile - chimiosintetice, distrug rocile, purifică apele uzate, participă la formarea mineralelor.

EXEMPLE DE SARCINI

A1. Fotosinteza este un proces care are loc la plantele verzi. Este asociat cu:

1) descompunerea substanțelor organice în anorganice