Главная » 10 класс » Источник энергии в световой стадии фотосинтеза. Сущность процесса фотосинтеза

Источник энергии в световой стадии фотосинтеза. Сущность процесса фотосинтеза

Фотосинтез.

Фотосинтезом называют процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ.

Внешние источники вещества и энергии. Для осуществления любых проявлений жизнедеятельности клетки необходима энергия.

Энергия требуется для:

· процессов химического синтеза

· для всех видов движения, в том числе и мышечного, для передачи нервных импульсов,

· для образования и поддержания постоянной температуры тела у птиц и млекопитающих и т.д.

· процесса активного переноса веществ через цитоплазматическую мембрану (в клетку и из клетки).

Энергия, необходимая для осуществления жизнедеятельности клеток, поступает из окружающей среды. Жизнь на нашей планете зависит от энергии, изучаемой Солнцем. При фотосинтезе происходит улавливание и запасание солнечной энергии в молекулах органических веществ.

Исходными соединениями для фотосинтеза служат простые, бедные энергией неорганические вещества - диоксид углерода (С0 2) и вода (Н 2 0).

Клетки (по источнику питания)

автотрофные (от греч. autos - сам и trophe - пища, питание)

гетеротрофные(от греч. heteros - иной, другой и...троф)

способны к самостоятельному синтезу необходимых для них органических соединений за счет энергии света (фотосинтез ) или энергии, выделившейся при окислении неорганических соединений (хемосинтез ).

· фотосинтезирующие клетки зеленых растений,

· зеленые и пурпурные серобактерии,

· цианобактерии

· некоторые протисты.

не могут синтезировать органические вещества из неорганических, поэтому для процессов ассимиляции они нуждаются в поступлении органических веществ извне в виде пищи, получая с ней готовые углеводы, жиры, белки.

· все клетки животных,

· большинство бактерий,

· клетки растений, не содержащие хлорофилл (например, клетки подземных органов).

в зависимости от условий могут осуществлять фотосинтез либо потреблять готовые органические вещества из окружающей среды:протисты хламидомонада, эвглена и др.

Фотосинтез происходит в пластидах.

Пластиды – это характерные органеллы клеток автотрофных протистов и растений. Пластиды (по окраске)

Хлоропласты :

· имеют зеленый цвет (присутствие в них пигментов - хлорофилла a и b, вспомогательные пигменты - каротиноиды (оранжевого, желтого либо красного цвета).

· форма - овальная

· размер: 5-10 х 2-4 мкм

· количество в одной клетке листа: 15-20 и более (у некоторых водорослей - 1-2 гигантских хлоропласта различной формы).

Строение хлоропласта:

· оболочка, состоящей из наружной и внутренней мембран (рис.1)

· наружная мембрана покрывает хлоропласт

· внутренняя мембрана образует уплощенные замкнутые впячивания - тилакоиды (имеют форму дисков). Несколько тилакоидов, лежащих друг над другом, - грана .

· в мембранах тилакоидов - светочувствительные пигменты, переносчики электронов и протонов (участвуют в поглощении и преобразовании энергии света).

· внутренняя среда хлоропласта - строма (матрикс ): белки, липиды, ДНК (кольцевые молекулы), РНК, рибосомы и запасные вещества (липиды, крахмальные и белковые зерна), ферменты, участвующие в фиксации диоксида углерода.

Рис.1 Схема строения хлоропласта:

1 - липидная капля; 2 - зерна крахмала; 3 - наружная мембрана; 4 - грана; 5 - ДНК; б - рибосома; 7 - строма; 8 - тилакоид граны; 9 - тилакоид стромы; 10 - внутренняя мембрана

Лейкопласты :

· не имеют гран

· в них откладываются запасные питательные вещества - крахмал, белки, жиры.

Хромопласты:

· имеютсвоеобразную форму и окраску (бывают дисковидными, зубчатыми, серповидными, ромбическими, в форме пирамид и т.д.)

· находятся плодах томатов, рябины, ландыша, шиповника, корнеплодах моркови.

Сущность процесса фотосинтеза.

Процесс фотосинтеза обычно описывают уравнением:

6С0 2 + 6Н 2 0 свет C 6 Н 12 О 6 + 60 2

хлорофилл

Такое преобразование происходит в зеленых пластидах - хлоропластах.

Фотосинтез

Световая фаза:

1. Происходит на мембранах тилакоидов только на свету!

2. Энергия превращается следующим образом: энергия солнечной радиации (поглощенная хлоропластами) → электрохимическая энергия → энергия связей АТФ (превращение энергии идет за счет переноса электронов и протонов водорода с помощью специальных переносчиков через мембрану тилакоида).

3. Исходные вещества: вода, переносчик водорода НАДФ

4. Конечные продукты: АТФ, О 2 , НАДФ-восстановленный.

Этапы световой фазы:

1. Свет попадает на молекулы хлорофилла, находящиеся в хлоропластах

2. Молекула хлорофилла переходит в возбужденное состояние и теряет электрон: хлорофилл свет хлорофилл + + ē

3. Электрон с помощью специальных переносчиков переходит через мембрану тилакоида и попадает на внешнюю сторону тилакоида

4. В этот момент молекулы воды, находящиеся внутри тилакоида, разлагаются под действием света: 2Н 2 О - 4ē → 4Н + + О 2 – фотолиз воды.

5. Электроны, вышедшие при этом из молекулы воды, направляются к возбужденной молекуле хлорофилла, и переводят ее в нормальное состояние.

6. Протоны водорода (Н +), которые образовались при фотолизе воды, остаются внутри тилакоида.

7. По разные стороны мембраны тилакоида накапливаются протоны водорода (2) и электроны (1): Н + (4)

(1) ē ē ē ē ē ē ē ē ē ē ē канал фермента

строма хлоропласта АТФ-синтетаз ы (3)

8. При накапливании протонов и электронов по обе стороны мембраны возникает электрохимический потенциал (электроны и протоны имеют противоположный по знаку заряд) и открывается канал фермента АТФ-синтетазы (на схеме под цифрой 3), в результате чего создается высокий уровень энергии. При этом протоны водорода проходят через канал фермента (3) и оказываются в строме хлоропласта

9. Энергия, появившаяся при открытии канала фермента АТФ-синтетазы, идет на превращение молекул АДФ (имеются в хлоропласте) в молекулу АТФ (используется в темновой фазе фотосинтеза):

АДФ + Н 3 РО 4 Е АТФ + Н 2 О

10. Перенесенные протоны (4) взаимодействуют с электронами (1) и молекулой НАДФ (5), которая находится в строме хлоропласта, и образуется комплекс НАДФ-восстановленный: НАДФ + 2ē + 2Н + → НАДФ-восстановленный (используется в темновой фазе фотосинтеза)

11. В итоге в световую фазу образуются АТФ, кислород (побочный продукт фотосинтеза), НАДФ-восстановленный.

Темновая фаза:

1. Осуществляется в строме хлоропласта без участия света.

2. Включает в себя большое количество реакций (превращение СО 2 в глюкозу – цикл Кальвина).

3. Исходные вещества: СО 2 , АТФ, НАДФ-восстановленный.

СО 2 глюкоза

НАДФ-восстановленный

4. Конечные продукты: глюкоза (может превращаться в крахмал или использоваться на энергетические нужды клетки), АДФ (используется далее в световую фазу для получения АТФ).

5. Для получения одной молекулы глюкозы необходимо 18 молекул АТФ и 12 молекул НАДФ-восстановленного. СО 2 поступает из атмосферы.

Значение фотосинтеза

· единственный источник кислорода

· источник органических веществ (глюкозы, крахмала и др.)

1. Фотосинтез относится к процессам пластического или энергетического обмена? Почему?

Фотосинтез относится к процессам пластического обмена. Так как в процессе фотосинтеза происходит образование органических веществ из углекислого газа и воды.

2. В каких органоидах растительной клетки происходит фотосинтез? Что представляет собой фотосистема? Какую функцию выполняют фотосистемы?

У растений и водорослей фотосинтез осуществляется в специальных органоидах - хлоропластах. В мембранах тилакоидов расположены особые пигмент-белковые комплексы - фотосистемы. Существует два типа фотосистем - фотосистема I и фотосистема II. В состав каждой входит светособирающая антенна, образованная молекулами пигментов, реакционный центр и переносчики электронов. Главное различие фотосистем заключается в том, что в состав фотосистемы II входит особый ферментный комплекс, осуществляющий на свету фотолиз воды - расщепление молекул воды с образованием кислорода (О2), электронов и протонов (Н). В фотосистеме I отсутствует подобный ферментный комплекс, и, следовательно, она не способна использовать воду в качестве источника электронов для восстановления своей молекулы-ловушки.

3. Каково значение фотосинтеза на Земле? Почему без фототрофных организмов существование биосферы было бы невозможным?

Уникальность и биологическое значение фотосинтеза определяются тем, что жизнь на нашей планете всем своим существованием обязана этому процессу. Фотосинтез является основным источником питательных веществ для живых организмов, а также единственным поставщиком свободного кислорода на Земле. Из кислорода сформировался и поддерживается озоновый слой, защищающий живые организмы Земли от губительного воздействия коротковолнового ультрафиолетового излучения. Кроме того, благодаря фотосинтезу поддерживается относительно постоянное содержание СО2 в атмосфере.

4. Охарактеризуйте световую и темновую фазы фотосинтеза по плану: 1) место протекания; 2) исходные вещества; 3) происходящие процессы; 4) конечные продукты. Какие продукты световой фазы фотосинтеза используются в темновой фазе?

Световая фаза осуществляется на мембранах тилакоидов и только при наличии света. Реакции темновой фазы протекают в строме хлоропласта и не требуют света, однако для их прохождения необходимы продукты световой фазы. Поэтому темновая фаза идет практически одновременно со световой. Исходные вещества в световой фазе - восстановленный НАДФ, темновая фаза – углекислый газ и восстановленный НАДФ. Таким образом, в ходе световой фазы энергия света поглощается и преобразуется в энергию макроэргических связей АТФ, происходит расщепление воды с выделением кислорода и накопление атомов водорода. Продуктами световой фазы фотосинтеза являются АТФ, восстановленный НАДФ и кислород. Кислород - побочный продукт фотосинтеза, он выделяется в окружающую среду. Во время темновой фазы из окружающей среды в хлоропласты поступает углекислый газ, а в строме хлоропластов происходит его восстановление до органических веществ. Конечными продуктами является глюкоза и кислород.

5. Сравните фотосинтез и аэробное дыхание. Укажите черты сходства и различия.

Различие: в процессе фотосинтеза происходит синтез глюкозы, а в процессе аэробного дыхания ее расщепление. Оба процесса происходят с участием кислорода.

6. Человек за сутки потребляет примерно 430 г кислорода. Дерево средней величины поглощает около 30 кг углекислого газа в год. Сколько деревьев необходимо, чтобы обеспечить одного человека кислородом?

Из расчета, что при потреблении 430 г кислорода выделяется 430 г углекислого газа. В год человек выделяет 430*365=154 800 г в год, что равно 154,8 кг в год. Если 1 дерево поглощает 30 кг углекислого газа в год, то 154,8 кг/30 кг= 5,1 деревьев на одного человека.

7. Исследователи разделили растения пшеницы на две группы и выращивали их в лаборатории в одинаковых условиях, за исключением того, что растения первой группы освещали красным светом, а растения второй группы - зеленым. У растений какой группы фотосинтез протекал более интенсивно? С чем это связано?

Пшеница содержит молекулы хлорофилла, которые поглощают красный и синий лучи спектра и отражают зеленые (поэтому растения имеют зеленую окраску). Значит у той группы растений, которых освещали красными светом фотосинтез протекал более интенсивно, так как хлорофилл может поглощать лучи данного спектра и полученную энергию тратить на образование органических веществ.

8. С помощью какого эксперимента можно доказать, что кислород, выделяющийся при фотосинтезе, образуется именно из молекул воды, а не из молекул углекислого газа или какого-либо другого вещества?

Можно применить метод меченных атомов, когда атомы кислорода в воде будут помечены веществами-метками, а затем данные атомы будут прослеживаться в молекулах кислорода.

Все живые существа нуждаются в пище и питательных веществах. Питаясь, они используют энергию, запасенную, прежде всего, в органических соединениях – белках, жирах, углеводах. Гетеротрофные организмы, как уже говорилось, используют пищу растительного и животного происхождения, уже содержащую органические соединения. Растения же создают органические вещества в процессе фотосинтеза. Исследования в области фотосинтеза начались в 1630 г. экспериментами голландца ван Гельмонта. Он доказал, что растения получают органические вещества не из почвы, а создают их самостоятельно. Джозеф Пристли в 1771 г. доказал «исправление» воздуха растениями. Помещенные под стеклянный колпак они поглощали углекислый газ, выделяемый тлеющей лучиной. Исследования продолжались, и в настоящее время установлено, что фотосинтез – это процесс образования органических соединений из диоксида углерода (СО 2) и воды с использованием энергии света и проходящий в хлоропластах зеленых растений и зеленых пигментах некоторых фотосинтезирующих бактерий.

Хлоропласты и складки цитоплазматической мембраны прокариот содержат зеленый пигмент – хлорофилл . Молекула хлорофилла способна возбуждаться под действием солнечного света и отдавать свои электроны и перемещать их на более высокие энергетические уровни. Этот процесс можно сравнить с подброшенным вверх мячом. Поднимаясь, мяч запасается потенциальной энергией; падая, он теряет ее. Электроны не падают обратно, а подхватываются переносчиками электронов (НАДФ + – никотинамиддифосфат ). При этом энергия, накопленная ими ранее, частично расходуется на образование АТФ. Продолжая сравнение с подброшенным мячом, можно сказать, что мяч, падая, нагревает окружающее пространство, а часть энергии падающих электронов запасается в виде АТФ. Процесс фотосинтеза подразделяется на реакции, вызываемые светом, и реакции, связанные с фиксацией углерода. Их называют световой и темновой фазами.

«Световая фаза» – это этап, на котором энергия света, поглощенная хлорофиллом, преобразуется в электрохимическую энергию в цепи переноса электронов. Осуществляется на свету, в мембранах гран при участии белков – переносчиков и АТФ-синтетазы.

Реакции, вызываемые светом, происходят на фотосинтетических мембранах гран хлоропластов:

1) возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;

2) восстановление акцепторов электронов – НАДФ + до НАДФ Н

2Н + + 4е - + НАДФ + → НАДФ Н;

3) фотолиз воды , происходящий при участии квантов света: 2Н 2 О → 4Н + + 4е - + О 2 .

Данный процесс происходит внутри тилакоидов – складках внутренней мембраны хлоропластов. Из тилакоидов формируются граны – стопки мембран.

Так как в экзаменационных работах спрашивают не о механизмах фотосинтеза, а о результатах этого процесса, то мы и перейдем к ним.

Результатами световых реакций являются: фотолиз воды с образованием свободного кислорода, синтез АТФ, восстановление НАДФ+ до НАДФ Н. Таким образом свет нужен только для синтеза АТФ и НАДФ-Н.

«Темновая фаза» – процесс преобразования СО 2 в глюкозу в строме (пространстве между гранами) хлоропластов с использованием энергии АТФ и НАДФ Н.

Результатом темновых реакций являются превращения углекислого газа в глюкозу, а затем в крахмал. Помимо молекул глюкозы в строме происходит образование, аминокислот, нуклеотидов, спиртов.

Суммарное уравнение фотосинтеза -

Значение фотосинтеза . В процессе фотосинтеза образуется свободный кислород, который необходим для дыхания организмов:

кислородом образован защитный озоновый экран, предохраняющий организмы от вредного воздействия ультрафиолетового излучения;

фотосинтез обеспечивает производство исходных органических веществ, а следовательно, пищу для всех живых существ;

фотосинтез способствует снижению концентрации диоксида углерода в атмосфере.

Хемосинтез – образование органических соединений из неорганических за счет энергии окислительно-восстановительных реакций соединений азота, железа, серы. Существует несколько видов хемосинтетических реакций:

1) окисление аммиака до азотистой и азотной кислоты нитрифицирующими бактериями:

NH 3 → HNQ 2 → HNO 3 + Q;

2) превращение двухвалентного железа в трехвалентное железобактериями:

Fe 2+ → Fe 3+ + Q;

3) окисление сероводорода до серы или серной кислоты серобактериями

H 2 S + O 2 = 2H 2 O + 2S + Q,

H 2 S + O 2 = 2H 2 SO 4 + Q.

Выделяемая энергия используется для синтеза органических веществ.

Роль хемосинтеза. Бактерии – хемосинтетики, разрушают горные породы, очищают сточные воды, участвуют в образовании полезных ископаемых.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

А1. Фотосинтез – это процесс, происходящий в зеленых растениях. Он связан с:

1) расщеплением органических веществ до неорганических