Фотосинтез

Фотосинтез - процесс превращения энергии солнечного света в энергию химических связей органических соединений, протекающий с участием пигментов.

В процессе фотосинтеза принимают участие различные пигменты, основными являются хлорофиллы, но также каротиноиды и другие пигменты ( у бурых водорослей – фукоксантин, у красных – фикобилины: фикоцианин и фикоэритрин).

Суть процесса: световая энергия преобразуется в энергию связей органических веществ.

Протекает в зелёных частях растения: листьях, стеблях травянистых растений, чашелистиках цветков, кожице незрелых плодов.

К фотосинтезу способны:

• зелёные растения
• цианобактерии
• некоторые животные (миксотрофы, например, эвглена зелёная).

Выделяют две фазы процесса.

Световая фаза.

Протекает на свету в гранах хлоропласта.
Во внутреннюю мембрану тилакоидов гран встроены ЭТЦ и АТФ-синтаза.

Порядок процесса:

• Квант света попадает на молекулу хлорофилла и выбивает из неё электроны.
• Электроны, возбуждённые энергией света, попадают на цепь переносчиков и выталкиваются на наружную сторону мембраны тилакоида, заряжая её знаком "-".
• Внутри полости тилакоида происходит фотолиз молекул воды. При этом образуется побочный продукт фотосинтеза – О2, который дальше не принимает участия в процессе и удаляется в атмосферу.
• Кроме кислорода в результате фотолиза образуются атомы Н, с которых снимаются электроны, идущие на восстановление молекулы хлорофилла.
  Протоны, которые скапливаются на внутренней стороне мембраны тилакоида, заряжая её знаком "+". Возникает разность зарядов между наружной и внутренней сторонами мембраны тилакоида.
• Когда она достигает критической величины, протонные каналы в АТФ-синтазе открываются и протоны с силой прорываются на наружную поверхность. Энергия, которая выделилась при этом, идёт на образование молекул АТФ. Поскольку процесс образования молекул АТФ происходит с затратой энергии света, его называют фотофосфорилированием. Протоны, прорвавшись на наружную сторону мембраны тилакоида, электроны, выбитые светом из хлорофилла, присоединяются к переносчику – НАДФ+ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), восстанавливают его до НАДФ*Н2

Дополнительная информация

Как мы видим, цель фотосинтеза - не создание кислорода, а запасание энергии света в другой форме. Просто исторически так сложилось, что электрон удобно взять из воды - хотя некоторые организмы могут брать его и их других соединений, например, сероводорода.

Темновая фаза

Протекает без участия света в строме хлоропласта.

• При участии фермента РуБисКо (рибулозобифосфаткарбоксилаза) происходит фиксация СО2 молекулами 5-углеродного сахара (1,5-рибулозобдифосфатом).
• Далее протекает ряд циклических реакций (цикл Кальвина), в результате которого СО2 восстанавливается водородом, доставленным молекулами переносчика НАДФ*Н2, до органического вещества – глюкозы.
• Глюкоза полимеризуется до крахмала.

Задача темновой фазы фотосинтеза - восстановить углекислый газ с образованием глюкозы.

Теория фотосистем

Преобразование энергии света в энергию химических связей происходит в фотосистемах – ФС, являющихся элементарными структурами фотосинтеза. ФС образованы пигментно-белковыми комплексами, расположенными в мембранах тилакоидов гран. Пигменты, входящие в состав ФС образуют реакционный центр, способный улавливать определённую длину волны.

Выделяют ФСI и ФСII. ФСII имеет реакционный центр, улавливающий лучи с длиной волны 680нм, ФСI -700нм. ФСII более легко возбудима, т.к. улавливает более короткие лучи.

Процессы, происходящие в ФСII

• Реакционный центр Р680 поглощает лучи, под действием которых молекулы хлорофилла теряют электроны.
• Возбуждённые энергией света электроны начинают перемещаться по ЭТЦ в сторону ФСI,где используются для восстановления хлорофилла , по дороге растрачивая энергию, которая идёт на образование молекул АТФ.
• Фотолиз воды, в результате которого образуются электроны, восстанавливающие молекулу хлорофилла ФСII, образуется и выделяется кислород, образуются протоны- Н+, которые также перемещаются в сторону ФСI.

Процессы, происходящие в ФСI

• Реакционный центр Р700 поглощает энергию лучей света и энергию электронов из ФСII, теряет электроны из своих молекул хлорофилла.
• Электроны, пришедшие из ФСII, восстанавливают молекулы хлорофилла в ФСI, а электроны ФСI по ЭТЦ выносятся на наружную поверхность мембраны тилакоида, создавая на ней - заряд. Когда разность потенциалов достигает критической величины, открываются протонные каналы, по которым протоны перемещаются на наружную поверхность мембраны. Здесь происходит образование АТФ и восстановление НАДФ+ до НАДФ*Н (электроны и протоны присоединяются к переносчику).

Дополнительная информация

Кроме того, из глюкозы при прочих ферментативных преобразованиях, могут синтезироваться другие органические вещества - фруктоза, жирные кислоты, аминокислоты и т.д. Таким образом, растения синтезируют все необходимые им органические вещество и не требуют их поступления извне. Организмы, способные самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических, нозываются автотрофы.

Роль фотосинтеза:

• Синтез органических веществ (первичная продукция экосистемы).
• Преобразование световой энергии в химическую.
• Регуляция содержания углекислого газа в атмосфере.
• Выделение кислорода.
• Образование озонового экрана.

Дополнительная информация

По вине фотосинтеза примерно 2,5 млрд лет назад произошло самое большое вымирание в истории Земли, известное как "Кислородная катастрофа". Приблизительно 3 млрд лет назад возникли цианобактерии, которые выделяли кислород в качестве побочного продукта - сначала он окислял различные горные породы и другие соединения, но со временем стал накапливаться в атмосфере в свободном виде. Достигнув определенной точки, подавляющая часть (99,9%) организмов того времени (облигатные анаэробы, для которых кислород это яд) вымерли, выжив в очень защищенных от кислорода местах. Этими организмами были хемосинтезирующие бактерии.

Факторы, влияющие на интенсивность фотосинтеза:

• Освещенность. Скорость фотосинтеза увеличивпется до тех пор, пока не достигнет опредлеленного предела (затем скорость будет постоянной, так как все ферментыфотосинтеза будут наиболее активны).
• Длина световой волны. Фотосинтез осуществляется наиболее эффективно под воздействием красной и синей частей спектра.
• Концентрация углекислого газа. Чем больше углекислого газа, тем выше скорость фотосинтеза.
• Температура. Все реакции фотосинтеза катализируются фекрментами (при низких температурах ферменты обладают меньшей активностью, а при более высоких температурах - ферменты будут денатурировать.
• Минеральное питание.
• Вода. Чем больше воды, тем выше скорость фотосинтеза.

Последовательность процессов при фотосинтезе.

Световая фаза (грана)

1. Поглощение квантов света молекулами хлорофилла.
2. Переход электронов в возбуждённое состояние (переход на более высокий энергетический уровень).
3. Фотолиз воды.
4. Перекачивание Н+ через мембрану тилакоида граны.
5. Синтез АТФ (фотофосфорилирование).
6. Образование НАДФ*Н2 (восстановление НАДФ+)

Темновая фаза (строма)

1. Фиксация углекислого газа (соединение с рибулозодифосфатом).
2. Цикл Кальвина.
3. Образование глюкозы.
4. Полимеризация глюкозы до крахмала .

Задания в формате ЕГЭ

1. Установите последовательность процессов при фотосинтезе. Запишите соответствующую последовательность цифр

1. Фиксация углекислого газа
2. Преобразование солнечной энергии в энергию АТФ
3. Образование крахмала
4. Возбуждение электронов хлорофилла
5. Использование энергии макроэргических связей для синтеза глюкозы

2. Установите последовательность процессов, происходящих при фотосинтезе. Запишите соответствующую последовательноггь цифр.

1. Присоединение углекислого газа к рибулозе
2. Транспорт электронов по переносчикам
3. Возбуждение электрона светом
4. Восстановление углеводов
5. Синтез АТФ

3. Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. Сходство фотосинтеза и хемосинтеза заключается в:

1. Использовании энергии света
2. Синтезе органических веществ
3. Реакциях пластического обмена
4. Синтезе глюкозы из углекислого газа
5. Окислении азотистой кислоты
6. Участии хлорофилла

4. Экспериментатор исследовал жизнедеятельность комнатного растения бегонии в разных условиях. Как изменятся интенсивность дыхания и интенсивность фотосинтеза комнатного растения, помещенного в темную комнату? Для каждой величины определите соответствующий характер ее изменения:

1) увеличится

2) уменьшится

3) не изменится

ИНТЕНСИВНОСТЬ ДЫХАНИЯ

ИНТЕНСИВНОСТЬ ФОТОСИНТЕЗА

Скачать рабочий лист Рабочие листы, скачать файлы (portalbio.ru)

ПРОВЕРЬТЕ СВОИ ЗНАНИЯ! ВЫПОЛНИТЕ ТЕСТ

ПРЕЗЕНТАЦИЯ Фотосинтез | Презентация по биологии (portalbio.ru)

Доступен учителю