Сущность процесса фотосинтеза

Фотосинтез.

Фотосинтезомназывают 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 (С0₂) и вода (Н₂0).

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 грибов и высших растений — сапротрофов и паразитов (например, заразиха),

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

	автогетеротрофные клетки

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 (зеленые)			лейкопласты (бесцветные)

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

· не содержат пигментов

· 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.)

· содержат каротиноиды (придают жел­тую, оранжевую и красную окраску)

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

Сущность процесса фотосинтеза.

Процесс фото­синтеза обычно описывают уравне­нием:

6С0₂ + 6Н₂0 ^свет C₆ Н₁₂О₆ + 60₂

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, О₂, 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: 2Н₂О - 4ē → 4Н⁺ + О₂ – 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)

НАДФ

(5)

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 + Н₃РО₄ ^Е АТФ + Н₂О

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 СО₂ в глюкозу – цикл Кальвина).

3. Исходные вещества: СО₂, АТФ, НАДФ-восстановленный.

СО₂ глюкоза

НАДФ-восстановленный

АТФ АДФ

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. СО₂ поступает из атмосферы.

Значение фотосинтеза

· единственный источник кислорода

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

· снижает содержание СО₂ в атмосфере