Lysfasen av fotosyntesen. Prosessen med fotosyntese: kortfattet og forståelig for barn. Fotosyntese: lyse og mørke faser Når på døgnet inntreffer den mørke fasen

Grunnleggende begreper og nøkkelbegreper: fotosyntese. Klorofyll. lett fase. mørk fase.

Huske! Hva er plastbytte?

Synes at!

Den grønne fargen er ganske ofte nevnt i dikternes vers. Så, Bogdan-Igor Anto-nich har linjene: "... poesi sydende og klok, som greener", "... en snøstorm av greener, en brann av greener",

"... vegetabilske elver stiger grønn flom." Grønt er fargen på fornyelse, et symbol på ungdom, ro, naturens farge.

Hvorfor er planter grønne?

Hva er betingelsene for fotosyntese?

Fotosyntese (fra det greske foto - lys, syntese - kombinasjon) er et ekstremt komplekst sett med plastutvekslingsprosesser. Forskere skiller mellom tre typer fotosyntese: oksygenholdig (med frigjøring av molekylært oksygen i planter og cyanobakterier), anoksisk (med deltakelse av bakterioklorofyll under anaerobe forhold uten oksygenfrigjøring i fotobakterier) og klorofyllfri (med deltakelse av bakterorodopsiner i arkea) . På 2,4 km dyp ble det funnet grønne svovelbakterier GSB1, som bruker de svake strålene fra svarte røykere i stedet for sollys. Men, som K. Swenson skrev i en monografi om celler: "Den primære energikilden for dyrelivet er energien til synlig lys."

Det vanligste i levende natur er oksygenfotosyntese, som krever lysenergi, karbondioksid, vann, enzymer og klorofyll. Lys for fotosyntese absorberes av klorofyll, vann leveres til cellene gjennom porene i celleveggen, karbondioksid kommer inn i cellene ved diffusjon.

De viktigste fotosyntetiske pigmentene er klorofyll. Klorofiler (fra det greske chloros - grønt og phylon - blad) er grønne pigmenter av planter, med deltakelse som fotosyntese oppstår. Den grønne fargen på klorofyll er en enhet for å absorbere blå stråler og delvis røde. Og grønne stråler reflekteres fra plantekroppen, faller på netthinnen i det menneskelige øyet, irriterer kjeglene og forårsaker fargesynsopplevelser. Det er derfor planter er grønne!

I tillegg til klorofyll har planter hjelpekarotenoider, cyanobakterier og rødalger har fykobiliner. Grønn

og lilla bakterier inneholder bakterioklorofyller som absorberer blå, fiolette og til og med infrarøde stråler.

Fotosyntese forekommer i høyere planter, alger, cyanobakterier, noen archaea, det vil si i organismer kjent som fotoautotrofer. Fotosyntese i planter utføres i kloroplaster, i cyanobakterier og fotobakterier - på indre invaginasjoner av membraner med fotopigmenter.

Så FOTOSYNTESE er prosessen med dannelse av organiske forbindelser fra uorganiske ved bruk av lysenergi og med deltakelse av fotosyntetiske pigmenter.

Hva kjennetegner de lyse og mørke fasene av fotosyntesen?

I prosessen med fotosyntese skilles to stadier - de lyse og mørke fasene (fig. 49).

Lysfasen av fotosyntesen forekommer i grana av kloroplaster med deltakelse av lys. Dette stadiet begynner fra øyeblikket av absorpsjon av lyskvanter av klorofyllmolekylet. I dette tilfellet beveger elektronene til magnesiumatomet i klorofyllmolekylet seg til et høyere energinivå, og samler potensiell energi. En betydelig del av de eksiterte elektronene overfører det til andre kjemiske forbindelser for dannelse av ATP og reduksjon av NADP (nikotinamidadenindinukleotidfosfat). Denne forbindelsen med et så langt navn er den universelle biologiske bæreren av hydrogen i cellen. Under påvirkning av lys oppstår prosessen med nedbrytning av vann - fotolyse. Dette produserer elektroner (e"), protoner (H +) og, som et biprodukt, molekylært oksygen. Hydrogenprotoner H+, ved å feste elektroner med høyt energinivå, blir til atomært hydrogen, som brukes til å redusere NADP+ til NADP. N. Således er hovedprosessene i lysfasen: 1) fotolyse av vann (spalting av vann under påvirkning av lys med dannelse av oksygen); 2) reduksjon av NADP (tilsetning av et hydrogenatom til NADP); 3) fotofosforylering (dannelse av ATP fra ADP).

Så, lysfasen er et sett med prosesser som sikrer dannelsen av molekylært oksygen, atomært hydrogen og ATP på grunn av lysenergi.

Den mørke fasen av fotosyntesen skjer i stroma av kloroplaster. Prosessene er ikke avhengig av lys og kan foregå både i lys og mørke, avhengig av cellens behov for glukose. Grunnlaget for den mørke fasen er en syklisk reaksjon kalt karbondioksidfikseringssyklusen, eller Calvin-syklusen. Denne prosessen ble først studert av den amerikanske biokjemikeren Melvin Calvin (1911 - 1997), vinner av Nobelprisen i kjemi (1961). I den mørke fasen syntetiseres glukose fra karbondioksid, hydrogen fra NADP og energien til ATP. CO2-fikseringsreaksjoner katalyseres av ribulosebisfosfatkarboksylase (Rubisco), det vanligste enzymet på jorden.

Så den mørke fasen er et sett med sykliske reaksjoner som, takket være den kjemiske energien til ATP, gir dannelsen av glukose ved hjelp av karbondioksid, som er en kilde til karbon, og vann, en kilde til hydrogen.

Hva er den planetariske rollen til fotosyntesen?

Betydningen av fotosyntese for biosfæren kan ikke overvurderes. Det er gjennom denne prosessen at solens lysenergi omdannes av fotoautotrofer til den kjemiske energien til karbohydrater, som vanligvis gir primært organisk materiale. Næringskjeder begynner med det, langs hvilken energi overføres til heterotrofe organismer. Planter tjener som mat for planteetere, som får de nødvendige næringsstoffene gjennom dette. Da blir planteetere mat for rovdyr, de trenger også energi, uten hvilken livet er umulig.

Bare en liten del av solens energi fanges opp av planter og brukes til fotosyntese. Solens energi brukes hovedsakelig til å fordampe og opprettholde temperaturregimet på jordoverflaten. Så, bare rundt 40 - 50% av solenergien trenger inn i biosfæren, og bare 1 - 2% av solenergien omdannes til syntetisert organisk materiale.

Grønne planter og cyanobakterier påvirker gasssammensetningen i atmosfæren. Alt oksygen i den moderne atmosfæren er et produkt av fotosyntese. Dannelsen av atmosfæren endret fullstendig tilstanden til jordens overflate, muliggjorde fremveksten av aerob respirasjon. Senere i evolusjonsprosessen, etter dannelsen av ozonlaget, kom levende organismer på land. I tillegg forhindrer fotosyntesen akkumulering av CO 2 og beskytter planeten mot overoppheting.

Så, fotosyntese er av planetarisk betydning, og sikrer eksistensen av den levende naturen til planeten Jorden.

AKTIVITET Matchoppgave

Ved hjelp av tabellen kan du sammenligne fotosyntese med aerob respirasjon og trekke en konklusjon om sammenhengen mellom plastisk og energiomsetning.

SAMMENLIGNENDE KARAKTERISTIKKER AV FOTOSYNTESE OG AEROBISK ÅNDE

Kunnskapsapplikasjonsoppgave

Gjenkjenne og navngi nivåene av organisering av prosessen med fotosyntese i planter. Nevn tilpasningene til en planteorganisme for fotosyntese på ulike nivåer av organisasjonen.

HOLDNING Biologi + Litteratur

K. A. Timiryazev (1843 - 1920), en av de mest kjente forskerne innen fotosyntese, skrev: "Det mikroskopiske grønne kornet av klorofyll er et fokus, et punkt i verdensrommet, inn i hvilken energien til solen strømmer fra den ene enden, og alle manifestasjoner av liv stammer fra den andre på bakken. Det er den virkelige Prometheus, som stjal ild fra himmelen. Solstrålen som er stjålet av ham, brenner både i den glitrende avgrunnen og i den blendende gnisten av elektrisitet. Solstrålen setter i bevegelse både svinghjulet til en gigantisk dampmaskin, og kunstnerens pensel, og dikterens penn. Bruk kunnskapen din og bevis påstanden om at solstrålen setter dikterens penn i bevegelse.

Dette er lærebokmateriale.

Fotosyntese er konvertering av lysenergi til kjemisk bindingsenergi. organiske forbindelser.

Fotosyntese er karakteristisk for planter, inkludert alle alger, en rekke prokaryoter, inkludert cyanobakterier, og noen encellede eukaryoter.

I de fleste tilfeller produserer fotosyntesen oksygen (O2) som et biprodukt. Dette er imidlertid ikke alltid tilfelle da det er flere forskjellige veier for fotosyntese. Når det gjelder oksygenfrigjøring, er kilden vann, hvorfra hydrogenatomer spaltes for behovene til fotosyntese.

Fotosyntese består av mange reaksjoner som ulike pigmenter, enzymer, koenzymer etc. deltar i. Hovedpigmentene er klorofyller, i tillegg til karotenoider og fykobiliner.

I naturen er to måter for plantefotosyntese vanlige: C 3 og C 4. Andre organismer har sine egne spesifikke reaksjoner. Det som forener disse forskjellige prosessene under begrepet "fotosyntese" er at i alle sammen, skjer omdannelsen av fotonenergi til en kjemisk binding. Til sammenligning: under kjemosyntese omdannes energien til den kjemiske bindingen til noen forbindelser (uorganiske) til andre - organiske.

Det er to faser av fotosyntesen - lys og mørk. Den første avhenger av lysstrålingen (hν), som er nødvendig for at reaksjonene skal fortsette. Den mørke fasen er lysuavhengig.

Hos planter foregår fotosyntesen i kloroplaster. Som et resultat av alle reaksjoner dannes det primære organiske stoffer som det så syntetiseres karbohydrater, aminosyrer, fettsyrer osv. Vanligvis skrives den totale reaksjonen av fotosyntese i forhold til glukose - det vanligste produktet av fotosyntese:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Oksygenatomene som utgjør O 2 -molekylet er ikke hentet fra karbondioksid, men fra vann. Karbondioksid er en kilde til karbon som er viktigere. På grunn av bindingen har planter mulighet til å syntetisere organisk materiale.

Den kjemiske reaksjonen presentert ovenfor er en generalisert og total. Det er langt fra essensen i prosessen. Så glukose dannes ikke fra seks individuelle karbondioksidmolekyler. Bindingen av CO 2 skjer i ett molekyl, som først fester seg til et allerede eksisterende femkarbonsukker.

Prokaryoter har sine egne egenskaper ved fotosyntese. Så i bakterier er hovedpigmentet bakterioklorofyll, og oksygen frigjøres ikke, siden hydrogen ikke tas fra vann, men ofte fra hydrogensulfid eller andre stoffer. I blågrønnalger er hovedpigmentet klorofyll, og oksygen frigjøres under fotosyntesen.

Lett fase av fotosyntesen

I lysfasen av fotosyntesen syntetiseres ATP og NADP·H 2 på grunn av strålingsenergi. Det skjer på thylakoidene til kloroplaster, hvor pigmenter og enzymer danner komplekse komplekser for funksjon av elektrokjemiske kretsløp, gjennom hvilke elektroner og delvis hydrogenprotoner overføres.

Elektronene havner ved koenzymet NADP, som, negativt ladet, tiltrekker seg noen av protonene til seg selv og blir til NADP H 2 . Også akkumulering av protoner på den ene siden av tylakoidmembranen og elektroner på den andre skaper en elektrokjemisk gradient, hvis potensiale brukes av enzymet ATP-syntetase for å syntetisere ATP fra ADP og fosforsyre.

De viktigste pigmentene i fotosyntesen er forskjellige klorofyller. Molekylene deres fanger opp strålingen fra visse, delvis forskjellige lysspektre. I dette tilfellet beveger noen elektroner av klorofyllmolekyler seg til et høyere energinivå. Dette er en ustabil tilstand, og i teorien skulle elektroner, ved hjelp av den samme strålingen, gi energien mottatt utenfra til verdensrommet og gå tilbake til forrige nivå. I fotosyntetiske celler fanges imidlertid eksiterte elektroner opp av akseptorer og, med en gradvis reduksjon i energien deres, overføres langs kjeden av bærere.

På thylakoidmembraner er det to typer fotosystemer som sender ut elektroner når de utsettes for lys. Fotosystemer er et komplekst kompleks av hovedsakelig klorofyllpigmenter med et reaksjonssenter hvorfra elektroner rives av. I et fotosystem fanger sollys opp mange molekyler, men all energien samles i reaksjonssenteret.

Elektronene til fotosystem I, etter å ha gått gjennom kjeden av bærere, gjenoppretter NADP.

Energien til elektronene løsrevet fra fotosystem II brukes til å syntetisere ATP. Og elektronene til fotosystem II fyller elektronhullene til fotosystem I.

Hullene i det andre fotosystemet er fylt med elektroner dannet som et resultat av vannfotolyse. Fotolyse skjer også med deltakelse av lys og består i nedbrytning av H 2 O til protoner, elektroner og oksygen. Det er som et resultat av fotolyse av vann at fritt oksygen dannes. Protoner er involvert i dannelsen av en elektrokjemisk gradient og reduksjon av NADP. Elektroner mottas av klorofyllet til fotosystem II.

Omtrentlig oppsummerende ligning for lysfasen av fotosyntesen:

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

Syklisk elektrontransport

Den såkalte ikke-syklisk lysfase av fotosyntesen. Er det noen flere syklisk elektrontransport når NADP-reduksjon ikke forekommer. I dette tilfellet går elektroner fra fotosystem I til bærerkjeden, hvor ATP syntetiseres. Det vil si at denne elektrontransportkjeden mottar elektroner fra fotosystem I, ikke II. Det første fotosystemet implementerer så å si en syklus: de utsendte elektronene går tilbake til det. På veien bruker de deler av energien sin på syntese av ATP.

Fotofosforylering og oksidativ fosforylering

Den lette fasen av fotosyntesen kan sammenlignes med stadiet av cellulær respirasjon - oksidativ fosforylering, som skjer på mitokondrielle cristae. Også der skjer ATP-syntese på grunn av overføring av elektroner og protoner langs bærekjeden. Men når det gjelder fotosyntese, lagres energi i ATP, ikke for cellens behov, men hovedsakelig for behovene til den mørke fasen av fotosyntesen. Og hvis organiske stoffer under respirasjon tjener som den første energikilden, er det sollys under fotosyntesen. Syntesen av ATP under fotosyntesen kalles fotofosforylering snarere enn oksidativ fosforylering.

Mørk fase av fotosyntesen

For første gang ble den mørke fasen av fotosyntesen studert i detalj av Calvin, Benson, Bassem. Syklusen av reaksjoner oppdaget av dem ble senere kalt Calvin-syklusen, eller C 3 -fotosyntese. I visse grupper av planter observeres en modifisert fotosyntesevei - C 4, også kalt Hatch-Slack-syklusen.

I mørkereaksjonene til fotosyntesen er CO 2 fiksert. Den mørke fasen finner sted i kloroplastens stroma.

Gjenvinning av CO 2 skjer på grunn av energien til ATP og den reduserende kraften til NADP·H 2 dannet i lysreaksjoner. Uten dem skjer ikke karbonfiksering. Derfor, selv om den mørke fasen ikke er direkte avhengig av lys, fortsetter den vanligvis også i lys.

Calvin syklus

Den første reaksjonen av den mørke fasen er tilsetning av CO 2 ( karboksyleringe) til 1,5-ribulosebifosfat ( ribulose 1,5-difosfat) – RiBF. Sistnevnte er en dobbelt fosforylert ribose. Denne reaksjonen katalyseres av enzymet ribulose-1,5-difosfatkarboksylase, også kalt rubisco.

Som et resultat av karboksylering dannes en ustabil sekskarbonforbindelse, som som følge av hydrolyse spaltes til to trekarbonmolekyler fosfoglyserinsyre (PGA) er det første produktet av fotosyntesen. FHA kalles også fosfoglyserat.

RiBP + CO2 + H20 → 2FGK

FHA inneholder tre karbonatomer, hvorav ett er en del av den sure karboksylgruppen (-COOH):

FHA omdannes til et tre-karbon sukker (glyceraldehyd fosfat) triosefosfat (TF), som allerede inkluderer en aldehydgruppe (-CHO):

FHA (3-syre) → TF (3-sukker)

Denne reaksjonen bruker energien til ATP og den reduserende kraften til NADP · H 2 . TF er det første karbohydratet i fotosyntesen.

Deretter brukes mesteparten av triosefosfatet på regenerering av ribulosebisfosfat (RiBP), som igjen brukes til å binde CO 2 . Regenerering innebærer en rekke ATP-krevende reaksjoner som involverer sukkerfosfater med 3 til 7 karbonatomer.

Det er i denne syklusen av RiBF at Calvin-syklusen avsluttes.

En mindre del av TF dannet i den forlater Calvin-syklusen. Når det gjelder 6 bundne karbondioksidmolekyler, er utbyttet 2 molekyler triosefosfat. Syklusens totale reaksjon med inngangs- og utgangsprodukter:

6C02 + 6H20 → 2TF

Samtidig deltar 6 RiBP-molekyler i bindingen og det dannes 12 FHA-molekyler som omdannes til 12 TF, hvorav 10 molekyler forblir i syklusen og omdannes til 6 RiBP-molekyler. Siden TF er et tre-karbon sukker, og RiBP er et fem-karbon, har vi i forhold til karbonatomer: 10 * 3 = 6 * 5. Antallet karbonatomer som gir syklusen endres ikke, alt nødvendig RiBP regenereres. Og seks molekyler karbondioksid inkludert i syklusen brukes på dannelsen av to molekyler triosefosfat som forlater syklusen.

Calvin-syklusen, basert på 6 bundne CO 2 -molekyler, forbruker 18 ATP-molekyler og 12 NADP · H 2-molekyler, som ble syntetisert i reaksjonene i lysfasen av fotosyntesen.

Beregningen er utført for to triosefosfatmolekyler som forlater syklusen, siden glukosemolekylet som dannes senere inkluderer 6 karbonatomer.

Triosefosfat (TF) er sluttproduktet av Calvin-syklusen, men det kan neppe kalles sluttproduktet av fotosyntesen, siden det nesten ikke akkumuleres, men, reagerer med andre stoffer, blir til glukose, sukrose, stivelse, fett, fettsyrer, aminosyrer. I tillegg til TF spiller FHA en viktig rolle. Imidlertid forekommer slike reaksjoner ikke bare i fotosyntetiske organismer. I denne forstand er den mørke fasen av fotosyntesen den samme som Calvin-syklusen.

PHA omdannes til et sukker med seks karbon ved trinnvis enzymatisk katalyse. fruktose-6-fosfat, som blir til glukose. I planter kan glukose polymeriseres til stivelse og cellulose. Syntesen av karbohydrater ligner den omvendte prosessen med glykolyse.

fotorespirasjon

Oksygen hemmer fotosyntesen. Jo mer O 2 i miljøet, desto mindre effektiv er CO 2 -bindingsprosessen. Faktum er at enzymet ribulosebisfosfatkarboksylase (rubisco) kan reagere ikke bare med karbondioksid, men også med oksygen. I dette tilfellet er de mørke reaksjonene noe annerledes.

Fosfoglykolat er fosfoglykolsyre. Fosfatgruppen spaltes umiddelbart fra den, og den blir til glykolsyre (glykolat). For dens "utnyttelse" trengs oksygen igjen. Derfor, jo mer oksygen i atmosfæren, jo mer vil det stimulere fotorespirasjonen og jo mer oksygen trenger planten for å kvitte seg med reaksjonsproduktene.

Fotorespirasjon er lysavhengig forbruk av oksygen og frigjøring av karbondioksid. Det vil si at utvekslingen av gasser skjer som ved respirasjon, men foregår i kloroplaster og er avhengig av lysstråling. Fotorespirasjon avhenger kun av lys fordi ribulosebifosfat kun dannes under fotosyntese.

Under fotorespirasjon returneres karbonatomer fra glykolat til Calvin-syklusen i form av fosfoglyserinsyre (fosfoglyserat).

2 Glykolat (C 2) → 2 Glyoksylat (C 2) → 2 Glycin (C 2) - CO 2 → Serin (C 3) → Hydroksypyruvat (C 3) → Glyserat (C 3) → FGK (C 3)

Som du kan se er returen ikke fullstendig, siden ett karbonatom går tapt når to glysinmolekyler omdannes til ett molekyl av aminosyren serin, mens karbondioksid frigjøres.

Oksygen er nødvendig i stadiene av konvertering av glykolat til glyoksylat og glysin til serin.

Omdannelsen av glykolat til glyoksylat og deretter til glysin skjer i peroksisomer, og serin syntetiseres i mitokondrier. Serin kommer igjen inn i peroksisomene, hvor det først produserer hydroksypyruvat, og deretter glyserat. Glyserat kommer allerede inn i kloroplastene, hvor FHA syntetiseres fra det.

Fotorespirasjon er typisk typisk for planter med C3-type fotosyntese. Det kan betraktes som skadelig, siden energi kastes bort på omdannelsen av glykolat til FHA. Tilsynelatende oppsto fotorespirasjon på grunn av det faktum at gamle planter ikke var klare for en stor mengde oksygen i atmosfæren. Opprinnelig skjedde deres utvikling i en atmosfære rik på karbondioksid, og det var han som hovedsakelig fanget reaksjonssenteret til rubisco-enzymet.

C 4 -fotosyntese, eller Hatch-Slack-syklusen

Hvis i C 3-fotosyntese det første produktet av den mørke fasen er fosfoglyserinsyre, som inkluderer tre karbonatomer, er de første produktene i C 4-banen syrer som inneholder fire karbonatomer: eplesyre, oksaleddiksyre, asparaginsyre.

C 4 -fotosyntese er observert i mange tropiske planter, for eksempel sukkerrør, mais.

C 4 -planter absorberer karbonmonoksid mer effektivt, de har nesten ingen fotorespirasjon.

Planter der den mørke fasen av fotosyntesen fortsetter langs C 4-banen har en spesiell bladstruktur. I den er de ledende buntene omgitt av et dobbelt lag med celler. Det indre laget er foringen av den ledende strålen. Det ytre laget er mesofyllceller. Kloroplastcellelag skiller seg fra hverandre.

Mesofile kloroplaster er preget av store korn, høy aktivitet av fotosystemer, fravær av enzymet RiBP karboksylase (rubisco) og stivelse. Det vil si at kloroplastene til disse cellene er tilpasset hovedsakelig for lysfasen av fotosyntesen.

I kloroplastene til cellene i den ledende bunten er grana nesten ikke utviklet, men konsentrasjonen av RiBP-karboksylase er høy. Disse kloroplastene er tilpasset den mørke fasen av fotosyntesen.

Karbondioksid kommer først inn i mesofyllcellene, binder seg med organiske syrer, transporteres i denne formen til skjedecellene, frigjøres og binder seg deretter på samme måte som i C3-planter. Det vil si at C4-banen komplementerer i stedet for å erstatte C3.

I mesofyllet tilsettes CO 2 til fosfoenolpyruvat (PEP) for å danne oksaloacetat (syre), som inkluderer fire karbonatomer:

Reaksjonen skjer med deltakelse av PEP-karboksylase-enzymet, som har høyere affinitet for CO 2 enn rubisco. I tillegg interagerer ikke PEP-karboksylase med oksygen, og brukes derfor ikke på fotorespirasjon. Dermed er fordelen med C4-fotosyntese mer effektiv fiksering av karbondioksid, en økning i konsentrasjonen i skjedecellene, og følgelig mer effektiv drift av RiBP-karboksylase, som nesten ikke forbrukes for fotorespirasjon.

Oksaloacetat omdannes til en 4-karbon dikarboksylsyre (malat eller aspartat), som transporteres til kloroplastene i cellene som ligger langs karbuntene. Her blir syren dekarboksylert (fjerning av CO2), oksidert (fjerning av hydrogen) og omdannet til pyruvat. Hydrogen gjenoppretter NADP. Pyruvat går tilbake til mesofyllet, hvor PEP blir regenerert fra det med forbruk av ATP.

Den avrevne CO 2 i kloroplastene i foringscellene går til den vanlige C 3-banen til den mørke fasen av fotosyntesen, dvs. til Calvin-syklusen.

Fotosyntese langs Hatch-Slack-banen krever mer energi.

Det antas at C 4-banen utviklet seg senere enn C 3-banen og er på mange måter en tilpasning mot fotorespirasjon.

Alle levende ting på planeten trenger mat eller energi for å overleve. Noen organismer lever av andre skapninger, mens andre kan produsere sine egne næringsstoffer. De lager sin egen mat, glukose, i en prosess som kalles fotosyntese.

Fotosyntese og respirasjon henger sammen. Resultatet av fotosyntesen er glukose, som lagres som kjemisk energi i kroppen. Denne lagrede kjemiske energien kommer fra omdannelsen av uorganisk karbon (karbondioksid) til organisk karbon. Pusteprosessen frigjør lagret kjemisk energi.

I tillegg til produktene de produserer, trenger planter også karbon, hydrogen og oksygen for å overleve. Vann absorbert fra jorda gir hydrogen og oksygen. Under fotosyntesen brukes karbon og vann til å syntetisere mat. Planter trenger også nitrater for å lage aminosyrer (en aminosyre er en ingrediens for å lage protein). I tillegg til dette trenger de magnesium for å produsere klorofyll.

Notatet: Levende ting som er avhengig av annen mat kalles. Planteetere som kyr, samt insektetende planter, er eksempler på heterotrofer. Levende ting som produserer sin egen mat kalles. Grønne planter og alger er eksempler på autotrofer.

I denne artikkelen vil du lære mer om hvordan fotosyntese skjer i planter og betingelsene som er nødvendige for denne prosessen.

Definisjon av fotosyntese

Fotosyntese er den kjemiske prosessen der planter, noen og alger produserer glukose og oksygen fra karbondioksid og vann, og bruker bare lys som energikilde.

Denne prosessen er ekstremt viktig for livet på jorden, fordi den frigjør oksygen, som alt liv er avhengig av.

Hvorfor trenger planter glukose (mat)?

Akkurat som mennesker og andre levende ting, trenger også planter mat for å holde seg i live. Verdien av glukose for planter er som følger:

• Glukosen oppnådd fra fotosyntesen brukes under respirasjon for å frigjøre energien planten trenger for andre vitale prosesser.
• Planteceller omdanner også noe av glukosen til stivelse, som brukes etter behov. Av denne grunn brukes døde planter som biomasse fordi de lagrer kjemisk energi.
• Glukose er også nødvendig for å produsere andre kjemikalier som proteiner, fett og vegetabilsk sukker som er nødvendig for vekst og andre viktige prosesser.

Faser av fotosyntese

Prosessen med fotosyntese er delt inn i to faser: lys og mørk.

Lett fase av fotosyntesen

Som navnet antyder, trenger lysfaser sollys. Ved lysavhengige reaksjoner absorberes sollysets energi av klorofyll og omdannes til lagret kjemisk energi i form av elektronbærermolekylet NADPH (nikotinamidadenindinukleotidfosfat) og energimolekylet ATP (adenosintrifosfat). Lette faser forekommer i thylakoidmembraner i kloroplasten.

Mørk fase av fotosyntese eller Calvin-syklus

I den mørke fasen eller Calvin-syklusen gir de eksiterte elektronene fra lysfasen energi til dannelse av karbohydrater fra karbondioksidmolekyler. De lysuavhengige fasene kalles noen ganger Calvin-syklusen på grunn av prosessens sykliske natur.

Selv om de mørke fasene ikke bruker lys som en reaktant (og som et resultat kan oppstå dag eller natt), krever de produktene av lysavhengige reaksjoner for å fungere. De lysuavhengige molekylene er avhengige av energibærermolekylene ATP og NADPH for å skape nye karbohydratmolekyler. Etter overføring av energi til molekylene går energibærerne tilbake til lysfasene for å få mer energiske elektroner. I tillegg aktiveres flere mørkefaseenzymer av lys.

Diagram over fasene i fotosyntesen

Notatet: Det betyr at de mørke fasene ikke vil fortsette hvis plantene blir fratatt lys for lenge, da de bruker produktene fra de lyse fasene.

Strukturen til planteblader

Vi kan ikke helt forstå fotosyntesen uten å vite mer om bladstrukturen. Bladet er tilpasset til å spille en viktig rolle i prosessen med fotosyntese.

Den ytre strukturen til bladene

• Torget

En av de viktigste egenskapene til planter er det store overflatearealet til bladene. De fleste grønne planter har brede, flate og åpne blader som er i stand til å fange opp så mye solenergi (sollys) som er nødvendig for fotosyntese.

• Sentral vene og bladstilk

Midtribben og bladstilken går sammen og danner bunnen av bladet. Bladstilken plasserer bladet på en slik måte at det får så mye lys som mulig.

• løvblad

Enkle blader har ett blad, mens sammensatte blader har flere. Bladbladet er en av de viktigste komponentene i bladet, som er direkte involvert i prosessen med fotosyntese.

• årer

Et nettverk av årer i blader fører vann fra stilkene til bladene. Den frigjorte glukosen sendes også til andre deler av planten fra bladene gjennom venene. I tillegg støtter og holder disse delene av bladet bladplaten flatt for større sollysfangst. Arrangementet av årer (venasjon) avhenger av plantetypen.

• bladbunn

Bladbunnen er dens laveste del, som er leddet med stilken. Ofte, ved bunnen av bladet er det et par stipler.

• bladkant

Avhengig av type plante, kan bladkanten ha forskjellige former, inkludert: hel, taggete, taggete, hakk, crenate, etc.

• Bladspiss

I likhet med kanten av bladet, kommer toppen i en rekke former, inkludert: skarp, rund, sløv, langstrakt, tilbaketrukket, etc.

Den indre strukturen til bladene

Nedenfor er et nært diagram av den indre strukturen til bladvev:

• Cuticle

Kutikulaen fungerer som det viktigste, beskyttende laget på overflaten av planten. Som regel er den tykkere på toppen av bladet. Skjelaget er dekket med et vokslignende stoff som beskytter planten mot vann.

• Epidermis

Epidermis er et lag av celler som er integumentært vev i bladet. Hovedfunksjonen er å beskytte bladets indre vev mot dehydrering, mekanisk skade og infeksjoner. Det regulerer også prosessen med gassutveksling og transpirasjon.

• Mesofyll

Mesofyllet er plantens hovedvev. Det er her prosessen med fotosyntese finner sted. Hos de fleste planter er mesofyllet delt i to lag: det øvre er palisade og det nederste er svampete.

• Beskyttende celler

Vaktceller er spesialiserte celler i bladepidermis som brukes til å kontrollere gassutveksling. De utfører en beskyttende funksjon for stomata. Stomatalporene blir store når vann er fritt tilgjengelig, ellers blir beskyttelsescellene sløve.

• Stomi

Fotosyntese avhenger av penetrasjon av karbondioksid (CO2) fra luften gjennom stomata inn i mesofyllvevet. Oksygen (O2), oppnådd som et biprodukt av fotosyntesen, kommer ut av planten gjennom stomata. Når stomata er åpne, går vann tapt gjennom fordampning og må fylles på gjennom transpirasjonsstrømmen av vann som tas opp av røttene. Planter er tvunget til å balansere mengden CO2 som absorberes fra luften og tapet av vann gjennom stomatale porer.

Betingelser som kreves for fotosyntese

Følgende er betingelsene som planter trenger for å utføre prosessen med fotosyntese:

• Karbondioksid. En fargeløs, luktfri naturgass som finnes i luften og har den vitenskapelige betegnelsen CO2. Det dannes under forbrenning av karbon og organiske forbindelser, og oppstår også under respirasjon.
• Vann. Gjennomsiktig flytende kjemikalie, luktfri og smakløs (under normale forhold).
• Lys. Selv om kunstig lys også egner seg for planter, skaper naturlig sollys generelt de beste forholdene for fotosyntese fordi det inneholder naturlig ultrafiolett stråling, som har en positiv effekt på planter.
• Klorofyll. Det er et grønt pigment som finnes i bladene til planter.
• Næringsstoffer og mineraler. Kjemikalier og organiske forbindelser som planterøtter absorberer fra jorda.

Hva dannes som et resultat av fotosyntesen?

• Glukose;
• Oksygen.

(Lysenergi vises i parentes fordi det ikke er et stoff)

Notatet: Planter tar opp CO2 fra luften gjennom bladene, og vann fra jorden gjennom røttene. Lysenergi kommer fra solen. Det resulterende oksygenet slippes ut i luften fra bladene. Den resulterende glukosen kan omdannes til andre stoffer, for eksempel stivelse, som brukes som energilager.

Hvis faktorene som fremmer fotosyntesen er fraværende eller tilstede i utilstrekkelige mengder, kan dette påvirke planten negativt. For eksempel skaper mindre lys gunstige forhold for insekter som spiser bladene til en plante, mens mangel på vann bremser den.

Hvor foregår fotosyntesen?

Fotosyntesen foregår inne i planteceller, i små plastider som kalles kloroplaster. Kloroplaster (finnes for det meste i mesofylllaget) inneholder et grønt stoff som kalles klorofyll. Nedenfor er andre deler av cellen som jobber med kloroplasten for å utføre fotosyntese.

Strukturen til en plantecelle

Funksjoner av plantecelledeler

• : gir strukturell og mekanisk støtte, beskytter celler mot bakterier, fikserer og definerer cellens form, kontrollerer veksthastigheten og -retningen og gir form til planter.
• : gir en plattform for de fleste av de kjemiske prosessene som kontrolleres av enzymer.
• : fungerer som en barriere, kontrollerer bevegelsen av stoffer inn og ut av cellen.
• : som beskrevet ovenfor inneholder de klorofyll, et grønt stoff som absorberer lysenergi under fotosyntesen.
• : et hulrom i cellens cytoplasma som lagrer vann.
• : inneholder et genetisk merke (DNA) som kontrollerer aktiviteten til cellen.

Klorofyll absorberer lysenergien som trengs for fotosyntese. Det er viktig å merke seg at ikke alle fargebølgelengder av lys absorberes. Planter absorberer hovedsakelig røde og blå bølgelengder - de absorberer ikke lys i det grønne området.

Karbondioksid under fotosyntese

Planter tar opp karbondioksid fra luften gjennom bladene. Karbondioksid siver gjennom et lite hull nederst på bladet - stomata.

Undersiden av bladet har løst adskilte celler for å tillate karbondioksid å nå andre celler i bladet. Det lar også oksygenet som produseres ved fotosyntese lett forlate bladet.

Karbondioksid er tilstede i luften vi puster inn i svært lave konsentrasjoner og er en nødvendig faktor i den mørke fasen av fotosyntesen.

Lys i prosessen med fotosyntese

Arket har vanligvis et stort overflateareal, så det kan absorbere mye lys. Dens øvre overflate er beskyttet mot vanntap, sykdom og vær av et voksaktig lag (kutikula). Toppen av arket er der lyset faller. Dette laget av mesofyll kalles palisaden. Den er tilpasset til å absorbere store mengder lys, fordi den inneholder mange kloroplaster.

I lysfasene øker prosessen med fotosyntese med mer lys. Flere klorofyllmolekyler ioniseres og mer ATP og NADPH genereres hvis lysfotoner fokuseres på et grønt blad. Selv om lys er ekstremt viktig i lysfasene, bør det bemerkes at for mye av det kan skade klorofyll og redusere fotosynteseprosessen.

Lysfaser er ikke for avhengige av temperatur, vann eller karbondioksid, selv om de alle er nødvendige for å fullføre fotosynteseprosessen.

Vann under fotosyntesen

Planter får vannet de trenger for fotosyntese gjennom røttene. De har rothår som vokser i jorda. Røttene er preget av en stor overflate og tynne vegger, noe som gjør at vann lett kan passere gjennom dem.

Bildet viser planter og deres celler med nok vann (til venstre) og mangel på det (til høyre).

Notatet: Rotceller inneholder ikke kloroplaster fordi de vanligvis er i mørket og ikke kan fotosyntetisere.

Hvis planten ikke absorberer nok vann, vil den visne. Uten vann vil planten ikke være i stand til å fotosyntetisere raskt nok, og kan til og med dø.

Hva er viktigheten av vann for planter?

• Gir oppløste mineraler som støtter plantehelse;
• Er mediet for transport;
• Støtter stabilitet og oppreisthet;
• Kjøler og metter med fuktighet;
• Det gjør det mulig å utføre ulike kjemiske reaksjoner i planteceller.

Viktigheten av fotosyntese i naturen

Den biokjemiske prosessen med fotosyntese bruker energien fra sollys til å omdanne vann og karbondioksid til oksygen og glukose. Glukose brukes som byggesteiner i planter for vevsvekst. Dermed er fotosyntese måten røtter, stilker, blader, blomster og frukter dannes på. Uten prosessen med fotosyntese kan ikke planter vokse eller formere seg.

• Produsenter

På grunn av deres fotosynteseevne er planter kjent som produsenter og fungerer som ryggraden i nesten alle næringskjeder på jorden. (Alger er plantens ekvivalent). All maten vi spiser kommer fra organismer som er fotosyntetiske. Vi spiser disse plantene direkte, eller vi spiser dyr som kuer eller griser som spiser plantemat.

• Grunnlaget for næringskjeden

Innenfor akvatiske systemer danner også planter og alger grunnlaget for næringskjeden. Alger tjener som mat for, som igjen fungerer som matkilde for større organismer. Uten fotosyntese i vannmiljøet ville livet vært umulig.

• Fjerning av karbondioksid

Fotosyntese omdanner karbondioksid til oksygen. Under fotosyntesen kommer karbondioksid fra atmosfæren inn i planten og frigjøres deretter som oksygen. I dagens verden hvor karbondioksidnivået øker i en alarmerende hastighet, er enhver prosess som fjerner karbondioksid fra atmosfæren miljømessig viktig.

• Sykling av næringsstoffer

Planter og andre fotosyntetiske organismer spiller en viktig rolle i næringssyklusen. Nitrogen i luften festes i plantevev og blir tilgjengelig for å lage proteiner. Sporelementer som finnes i jorda kan også inkorporeres i plantevev og gjøres tilgjengelig for planteetere lenger opp i næringskjeden.

• fotosyntetisk avhengighet

Fotosyntese avhenger av lysets intensitet og kvalitet. Ved ekvator, hvor sollys er rikelig hele året og vann ikke er den begrensende faktoren, har plantene høye veksthastigheter og kan bli ganske store. Motsatt er fotosyntese mindre vanlig i de dypere delene av havet, fordi lyset ikke trenger gjennom disse lagene, og som et resultat er dette økosystemet mer goldt.

Med eller uten lysenergi. Det er karakteristisk for planter. La oss videre vurdere hva de mørke og lyse fasene av fotosyntesen er.

Generell informasjon

Fotosynteseorganet i høyere planter er bladet. Kloroplaster fungerer som organeller. Membranene til tylakoidene deres inneholder fotosyntetiske pigmenter. De er karotenoider og klorofyller. Sistnevnte finnes i flere former (a, c, b, d). Den viktigste er a-klorofyll. Molekylet inneholder et porfyrin-"hode" med et magnesiumatom i midten, samt en fytol-"hale". Det første elementet presenteres som en flat struktur. "Hodet" er hydrofilt, derfor er det plassert på den delen av membranen som er rettet mot vannmiljøet. Fytol "hale" er hydrofob. På grunn av dette holder det klorofyllmolekylet i membranen. Klorofyll absorberer blåfiolett og rødt lys. De reflekterer også grønt, og gir plantene sin karakteristiske farge. I tylaktiske membraner er klorofyllmolekyler organisert i fotosystemer. Blågrønne alger og planter er preget av system 1 og 2. Fotosyntetiske bakterier har bare det første. Det andre systemet kan dekomponere H 2 O og frigjøre oksygen.

Lett fase av fotosyntesen

Prosessene som skjer i planter er komplekse og flertrinnsvis. Spesielt skilles to grupper av reaksjoner. De er de mørke og lyse fasene av fotosyntesen. Sistnevnte fortsetter med deltakelse av ATP-enzymet, elektrontransportproteiner og klorofyll. Den lette fasen av fotosyntesen skjer i thylaktoidenes membraner. Klorofyllelektroner er opphisset og forlater molekylet. Etter det faller de på den ytre overflaten av den tylaktiske membranen. Hun er på sin side belastet negativt. Etter oksidasjon begynner restaureringen av klorofyllmolekyler. De tar elektroner fra vannet som er tilstede i det intralakoide rommet. Dermed fortsetter lysfasen av fotosyntesen i membranen under forfall (fotolyse): H 2 O + Q lys → H + + OH -

Hydroksylioner omdannes til reaktive radikaler ved å donere elektronene deres:

OH - → .OH + e -

OH-radikaler kombineres og danner fritt oksygen og vann:

4NO. → 2H20 + O2.

I dette tilfellet fjernes oksygen inn i det omgivende (eksterne) mediet, og protoner samles inne i tyaktoidet i et spesielt "reservoar". Som et resultat, der lysfasen av fotosyntesen fortsetter, mottar den tylaktiske membranen en positiv ladning på grunn av H + på den ene siden. Samtidig, på grunn av elektroner, lades den negativt.

Fosfyrylering av ADP

Der lysfasen av fotosyntesen fortsetter, er det en potensiell forskjell mellom de indre og ytre overflatene av membranen. Når den når 200 mV, presses protoner gjennom kanalene til ATP-syntetase. Dermed oppstår den lette fasen av fotosyntesen i membranen når ADP blir fosforylert til ATP. I dette tilfellet er atomisk hydrogen rettet mot reduksjon av en spesiell bærer av nikotinamid adenindinukleotidfosfat NADP+ til NADP.H2:

2H + + 2e - + NADP → NADP.H 2

Lysfasen av fotosyntesen innebærer altså fotolyse av vann. Det er på sin side ledsaget av tre store reaksjoner:

1. Syntese av ATP.
2. Utdanning NADP.H 2 .
3. Dannelsen av oksygen.

Den lette fasen av fotosyntesen er ledsaget av utgivelsen av sistnevnte i atmosfæren. NADP.H2 og ATP beveger seg inn i kloroplastens stroma. Dette fullfører lysfasen av fotosyntesen.

En annen gruppe reaksjoner

Den mørke fasen av fotosyntesen krever ikke lysenergi. Det går i kloroplastens stroma. Reaksjonene presenteres som en kjede av sekvensielle transformasjoner av karbondioksid som kommer fra luften. Som et resultat dannes glukose og andre organiske stoffer. Den første reaksjonen er fiksering. RiBF fungerer som en karbondioksidakseptor. Katalysatoren i reaksjonen er ribulosebisfosfatkarboksylase (enzym). Som et resultat av karboksylering av RiBP dannes en seks-karbon ustabil forbindelse. Det brytes nesten øyeblikkelig ned til to molekyler av FHA (fosfoglyserinsyre). Dette etterfølges av en syklus av reaksjoner, hvor det omdannes til glukose gjennom flere mellomprodukter. De bruker energiene til NADP.H 2 og ATP, som ble omdannet da lysfasen av fotosyntesen pågikk. Syklusen av disse reaksjonene kalles "Calvin-syklusen". Det kan representeres som følger:

6CO 2 + 24H+ + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O

I tillegg til glukose dannes andre monomerer av organiske (komplekse) forbindelser under fotosyntesen. Disse inkluderer spesielt fettsyrer, glyserol, aminosyrer, nukleotider.

C3-reaksjoner

De er en type fotosyntese der trekarbonforbindelser dannes som det første produktet. Det er han som ovenfor er beskrevet som Calvin-syklusen. De karakteristiske egenskapene til C3-fotosyntese er:

1. RiBP er en akseptor for karbondioksid.
2. Karboksyleringsreaksjonen katalyseres av RiBP-karboksylase.
3. Det dannes et stoff med seks karbon, som deretter brytes ned til 2 FHA.

Fosfoglyserinsyre reduseres til TF (triosefosfater). Noen av dem sendes til regenerering av ribulosebifosfat, og resten omdannes til glukose.

C4 reaksjoner

Denne typen fotosyntese er preget av utseendet til fire-karbonforbindelser som det første produktet. I 1965 ble det funnet at C4-stoffer først dukker opp i enkelte planter. For eksempel er dette etablert for hirse, sorghum, sukkerrør, mais. Disse kulturene ble kjent som C4-planter. Året etter, 1966, fant Slack og Hatch (australske forskere) ut at de nesten helt mangler fotorespirasjon. Det har også blitt funnet at slike C4-planter er mye mer effektive til å absorbere karbondioksid. Som et resultat har karbontransformasjonsveien i slike kulturer blitt referert til som Hatch-Slack-veien.

Konklusjon

Betydningen av fotosyntese er veldig stor. Takket være ham absorberes karbondioksid fra atmosfæren hvert år i enorme volumer (milliarder tonn). I stedet frigjøres mindre oksygen. Fotosyntese fungerer som hovedkilden til dannelsen av organiske forbindelser. Oksygen er involvert i dannelsen av ozonlaget, som beskytter levende organismer mot effekten av kortbølget UV-stråling. Under fotosyntesen absorberer et blad bare 1 % av all energien til lys som faller på det. Produktiviteten er innenfor 1 g organisk forbindelse per 1 kvm. m overflate i timen.

Hvordan blir energien til sollys i de lyse og mørke fasene av fotosyntesen omdannet til energien til kjemiske bindinger av glukose? Forklar svaret.

Svar

I lysfasen av fotosyntesen omdannes energien til sollys til energien til eksiterte elektroner, og deretter omdannes energien til eksiterte elektroner til energien til ATP og NADP-H2. I den mørke fasen av fotosyntesen omdannes energien til ATP og NADP-H2 til energien til kjemiske bindinger av glukose.

Hva skjer under lysfasen av fotosyntesen?

Svar

Klorofyllelektronene, begeistret av lysets energi, går langs elektrontransportkjedene, deres energi er lagret i ATP og NADP-H2. Fotolyse av vann skjer, oksygen frigjøres.

Hva er hovedprosessene som finner sted i den mørke fasen av fotosyntesen?

Svar

Fra karbondioksid oppnådd fra atmosfæren og hydrogen oppnådd i den lette fasen, dannes glukose på grunn av energien til ATP oppnådd i den lette fasen.

Hva er funksjonen til klorofyll i en plantecelle?

Svar

Klorofyll er involvert i prosessen med fotosyntese: i lysfasen absorberer klorofyll lys, klorofyllelektronet mottar lysenergi, bryter av og går langs elektrontransportkjeden.

Hvilken rolle spiller klorofyllelektroner i fotosyntesen?

Svar

Klorofyllelektroner, opphisset av sollys, passerer gjennom elektrontransportkjeder og gir fra seg energien til dannelsen av ATP og NADP-H2.

På hvilket stadium av fotosyntesen produseres fritt oksygen?

Svar

I lysfasen, under fotolyse av vann.

I hvilken fase av fotosyntesen skjer ATP-syntese?

Svar

lett fase.

Hva er kilden til oksygen under fotosyntesen?

Svar

Vann (oksygen frigjøres under fotolyse av vann).

Hastigheten av fotosyntese avhenger av begrensende (begrensende) faktorer, blant annet lys, karbondioksidkonsentrasjon, temperatur. Hvorfor er disse faktorene begrensende for fotosyntesereaksjoner?

Svar

Lys er nødvendig for eksitasjon av klorofyll, det gir energi til prosessen med fotosyntese. Karbondioksid er nødvendig i den mørke fasen av fotosyntesen; glukose syntetiseres fra den. En endring i temperaturen fører til denaturering av enzymer, reaksjonene av fotosyntese bremses ned.

I hvilke metabolske reaksjoner i planter er karbondioksid det opprinnelige stoffet for syntese av karbohydrater?

Svar

i reaksjonene til fotosyntesen.

I bladene til planter fortsetter prosessen med fotosyntese intensivt. Forekommer det i modne og umodne frukter? Forklar svaret.

Svar

Fotosyntesen foregår i de grønne delene av planter som er eksponert for lys. Dermed oppstår fotosyntese i huden til grønne frukter. Inne i frukten og i skallet til modne (ikke grønne) frukter, forekommer ikke fotosyntese.