A fotoszintézis sötét fázisának reakciói ben mennek végbe. A fotoszintézis folyamata: röviden és világosan gyerekeknek

Jobb, ha egy ilyen terjedelmes anyagot, például a fotoszintézist két páros leckében magyarázzuk el - akkor a téma észlelésének integritása nem vész el. A leckét a fotoszintézis tanulmányozásának történetével kell kezdeni, a kloroplasztiszok szerkezetét és laboratóriumi munka a levélkloroplasztiszok vizsgálatáról. Ezt követően át kell térni a fotoszintézis világos és sötét fázisainak tanulmányozására. Az ezekben a fázisokban lezajló reakciók magyarázatakor egy általános diagramot kell készíteni:

Ahogy elmagyarázod, rajzolnod kell a fotoszintézis fényfázisának diagramja.

1. A grana tilakoid membránokban elhelyezkedő klorofill molekula fénykvantumának elnyelése egy elektron elvesztéséhez vezet, és azt átalakítja izgatott állapot. Az elektronok az elektrontranszport lánc mentén haladnak át, ami a NADP + redukcióját eredményezi NADP H-vé.

2. A felszabaduló elektronok helyét a klorofillmolekulákban a vízmolekulák elektronjai veszik át - a víz így bomlik (fotolízis) a fény hatására. A keletkező OH– hidroxilcsoportok gyökökké válnak, és a 4 OH – → 2 H 2 O +O 2 reakcióban egyesülnek, ami szabad oxigén kibocsátásához vezet a légkörbe.

3. A H+ hidrogénionok nem hatolnak át a tilakoid membránon és felhalmozódnak benne, pozitívan töltik azt, ami a különbség növekedéséhez vezet. elektromos potenciálok(REP) a tilakoid membránon.

4. A kritikus REF elérésekor a protonok kifelé rohannak a protoncsatornán keresztül. Ezt a pozitív töltésű részecskék áramát egy speciális enzimkomplex segítségével kémiai energia előállítására használják. A keletkező ATP-molekulák a stromába költöznek, ahol részt vesznek a szénkötési reakciókban.

5. A tilakoid membrán felületére felszabaduló hidrogénionok elektronokkal egyesülve atomi hidrogént képeznek, amelyet a NADP + transzporter helyreállítására használnak.

A cikk szponzora az Aris cégcsoport. Állványok gyártása, értékesítése és bérbeadása (LRSP vázhomlokzat, vázas sokemeletes A-48 stb.) és tornyok (PSRV "Aris", PSRV "Aris compact" és "Aris-dacha", platformok). Kapcsok állványzatokhoz, építőipari kerítésekhez, keréktartók tornyokhoz. A cégről többet megtudhat, megtekintheti a termékkatalógust és az árakat, elérhetőségeket a http://www.scaffolder.ru/ weboldalon.

Megfontolás után ezt a kérdést Miután a diagramnak megfelelően újra elemezte, felkérjük a tanulókat, hogy töltsék ki a táblázatot.

Táblázat. A fotoszintézis világos és sötét fázisainak reakciói

A táblázat első részének kitöltése után folytathatja az elemzést a fotoszintézis sötét fázisa.

A kloroplaszt strómájában folyamatosan jelen vannak a pentózok - szénhidrátok, amelyek öt szénatomos vegyületek, amelyek a Calvin-ciklusban (szén-dioxid-rögzítési ciklus) képződnek.

1. Csatlakozik a pentosehoz szén-dioxid, instabil hat szénatomos vegyület képződik, amely két 3-foszfoglicerinsav (PGA) molekulára bomlik.

2. A PGA molekulák egy foszfátcsoportot fogadnak el az ATP-ből, és energiával gazdagodnak.

3. Mindegyik FHA két hordozóból egy-egy hidrogénatomot köt, triózzá alakulva. A triózok egyesülve glükózt, majd keményítőt képeznek.

4. Trióz molekulák egyesülve alkotnak különböző kombinációk, formálj pentózokat és lépj be újra a ciklusba.

A fotoszintézis teljes reakciója:

Rendszer. Fotoszintézis folyamata

Teszt

1. A fotoszintézis az organellumokban megy végbe:

a) mitokondriumok;
b) riboszómák;
c) kloroplasztiszok;
d) kromoplasztok.

2. A klorofill pigment a következőkben koncentrálódik:

a) kloroplaszt membrán;
b) stroma;
c) szemek.

3. A klorofill elnyeli a fényt a spektrum területén:

a) piros;
b) zöld;
c) lila;
d) az egész régióban.

4. A fotoszintézis során szabad oxigén szabadul fel a következők lebontása során:

a) szén-dioxid;
b) ATP;
c) NADP;
d) víz.

5. Szabad oxigén képződik:

a) sötét fázis;
b) fényfázis.

6. A fotoszintézis könnyű fázisában az ATP:

a) szintetizált;
b) szétválik.

7. A kloroplasztiszban az elsődleges szénhidrát a következőkben képződik:

a) világos fázis;
b) sötét fázis.

8. NADP szükséges a kloroplasztiszban:

1) az elektronok csapdájaként;
2) keményítőképző enzimként;
3) hogyan összetevő kloroplaszt membránok;
4) mint enzim a víz fotolíziséhez.

9. A víz fotolízise:

1) víz felhalmozódása fény hatására;
2) a víz disszociációja ionokká fény hatására;
3) vízgőz kibocsátása sztómán keresztül;
4) víz befecskendezése a levelekbe fény hatására.

10. Fénykvantumok hatására:

1) a klorofill NADP-vé alakul;
2) egy elektron elhagyja a klorofill molekulát;
3) a kloroplaszt térfogata nő;
4) A klorofill ATP-vé alakul.

IRODALOM

Bogdanova T.P., Solodova E.A. Biológia. Kézikönyv középiskolásoknak és egyetemre jelentkezőknek. – M.: LLC „AST-Press School”, 2007.

A fotoszintézis két fázisból áll - világos és sötét.

A fényfázisban a fénykvantumok (fotonok) kölcsönhatásba lépnek a klorofill molekulákkal, aminek következtében ezek a molekulák nagyon rövid idő energiadúsabb „izgatott” állapotba kerül. Egyes „gerjesztett” molekulák energiafeleslegét ezután hővé alakítják vagy fényként bocsátják ki. Egy másik része hidrogénionokká alakul át, amelyek mindig jelen vannak vizes oldat a víz disszociációja miatt. A kapott hidrogénatomokat lazán egyesítik szerves molekulákkal - hidrogénhordozókkal. Az "OH" hidroxidionok átadják elektronjaikat más molekuláknak és szabad gyökökké alakulnak. Az OH gyökök kölcsönhatásba lépnek egymással, ami víz és molekuláris oxigén képződését eredményezi:

4OH = O2 + 2H2O Így a forrás molekuláris oxigén, amely a fotoszintézis folyamata során keletkezik és a légkörbe kerül, a fotolízis - a víz fény hatására bekövetkező bomlása. A víz fotolízise mellett az energia napsugárzás könnyű fázisban használják ATP és ADP és foszfát szintézisére oxigén részvétele nélkül. Ez nagyon hatékony folyamat: a kloroplasztiszok 30-szor több ATP-t termelnek, mint ugyanazon növények mitokondriumai oxigén részvételével. Ily módon a fotoszintézis sötét fázisában a folyamatokhoz szükséges energia felhalmozódik.

A sötét fázis kémiai reakcióinak komplexumában, amelyek lefolyásához fény nem szükséges, kulcsfontosságú hely a CO2 megkötését foglalja el. Ezek a reakciók a könnyű fázisban szintetizált ATP molekulákat és a víz fotolízise során képződő hidrogénatomokat foglalják magukban, amelyek hordozó molekulákhoz kapcsolódnak:

6СО2 + 24Н -» С6Н12О6 + 6НЭО

Így alakul át a napfény energiája energiává kémiai kötésekösszetett szerves vegyületek.

87. A fotoszintézis jelentősége a növények és a bolygó számára.

A fő forrás a fotoszintézis biológiai energia, a fotoszintetikus autotrófok arra használják, hogy szerves anyagokat szintetizáljanak szervetlenekből, a heterotrófok az autotrófok által tárolt energia rovására léteznek kémiai kötések formájában, felszabadítva azt a légzési és fermentációs folyamatokban. Az emberiség által fosszilis tüzelőanyagok (szén, olaj, stb.) elégetésével nyert energia földgáz, tőzeg) a fotoszintézis során is raktározódik.

A fotoszintézis a szervetlen szén fő bevitele biológiai ciklus. A légkörben található összes szabad oxigén biogén eredetű, és a fotoszintézis mellékterméke. Oxidáló atmoszféra kialakulása ( oxigén katasztrófa) teljesen megváltoztatta az állapotot a föld felszíne, tette lehetséges megjelenés légzést, majd később, az ózonréteg kialakulása után lehetővé tette az életnek a szárazföldre jutását. A fotoszintézis folyamata minden élőlény táplálkozásának alapja, emellett üzemanyaggal (fa, szén, olaj), rosttal (cellulóz) és számtalan hasznos anyaggal látja el az emberiséget. kémiai vegyületek. A termés száraz tömegének mintegy 90-95%-a a fotoszintézis során a levegőből összekeveredett szén-dioxidból és vízből jön létre. A fennmaradó 5-10% ásványi sókból és a talajból nyert nitrogénből származik.

Az emberek a fotoszintézis termékeinek mintegy 7%-át élelmiszerként, állati takarmányként, valamint üzemanyagként és építőanyagként használják fel.

A fotoszintézis, amely az egyik legelterjedtebb folyamat a Földön, okozza természetes ciklusok szén, oxigén és egyéb elemek, és anyagi és energiaalapot biztosít a bolygónk életéhez. A fotoszintézis az egyetlen légköri oxigénforrás.

A fotoszintézis az egyik leggyakoribb folyamat a Földön, amely meghatározza a szén, az O2 és más elemek körforgását a természetben. Ez képezi a bolygó minden életének anyagi és energetikai alapját. Évente a fotoszintézis eredményeként mintegy 8 × 1010 tonna szén kötődik meg szerves anyag formájában, és akár 1011 tonna cellulóz képződik. A fotoszintézisnek köszönhetően a szárazföldi növények mintegy 1,8 1011 tonna száraz biomasszát termelnek évente; megközelítőleg ugyanannyi növényi biomassza képződik évente az óceánokban. Eső-erdő 29%-kal járul hozzá teljes termelés a fotoszintézis a szárazföldön, és az összes erdőtípus részesedése 68%. A magasabb rendű növények és algák fotoszintézise az egyetlen légköri O2 forrás. A víz O2 képződésével járó oxidációs mechanizmusának körülbelül 2,8 milliárd évvel ezelőtti megjelenése a Földön legfontosabb eseménye V biológiai evolúció, amely a Nap fényét a bioszféra szabad energia fő forrásává, a vizet pedig szinte korlátlan számú hidrogénforrássá tette az élő szervezetek anyagszintéziséhez. Az eredmény egy hangulatos lett modern kompozíció, az O2 elérhetővé vált az élelmiszerek oxidációjához, és ez magasan szervezett heterotróf organizmusok megjelenéséhez vezetett (exogén anyagokat használnak szerves anyag). A napsugárzás teljes energiatárolása fotoszintézis termékek formájában évente mintegy 1,6 1021 kJ, ami körülbelül 10-szerese az emberiség modern energiafogyasztásának. A napsugárzás energiájának körülbelül a fele a spektrum látható tartományában található (l hullámhossz 400-700 nm), amelyet a fotoszintézishez (fiziológiailag aktív sugárzás, vagy PAR) használnak. Az infravörös sugárzás nem alkalmas oxigéntermelő szervezetek (magasabbrendű növények és algák) fotoszintézisére, de egyes fotoszintetikus baktériumok felhasználják.

A kemoszintézis folyamatának felfedezése, S. N. Vinogradsky. A folyamat jellemzői.

A kemoszintézis szerves anyagok szén-dioxidból történő szintézisének folyamata, amely a mikroorganizmusok élete során az ammónia, hidrogén-szulfid és más vegyi anyagok oxidációja során felszabaduló energia miatt következik be. A kemoszintézisnek van egy másik neve is - chemolitoautotrophia. S. N. Vinogradovsky 1887-es felfedezése a kemoszintézisről gyökeresen megváltoztatta a tudománynak az élő szervezetek számára alapvető anyagcsere-típusairól alkotott felfogását. Sok mikroorganizmus számára a kemoszintézis az egyetlen táplálkozási mód, mivel egyetlen szénforrásként képesek asszimilálni a szén-dioxidot. A fotoszintézissel ellentétben a kemoszintézis a redox reakciók eredményeként keletkező energiát használja fel fényenergia helyett.

Ennek az energiának elegendőnek kell lennie az adenozin-trifoszforsav (ATP) szintéziséhez, mennyisége pedig meghaladja a 10 kcal/mol értéket. Az oxidált anyagok egy része már citokróm szinten leadja elektronjait a láncnak, és így további energiafelhasználás keletkezik a redukálószer szintéziséhez. A kemoszintézis során a szerves vegyületek bioszintézise a szén-dioxid autotróf asszimilációja miatt megy végbe, vagyis pontosan ugyanúgy, mint a fotoszintézis során. Az elektronok átvitelének eredményeként a bakteriális légző enzimek lánca mentén, amelyek beépülnek sejtmembrán, energiát nyerünk ATP formájában. Az igen nagy energiafelhasználás miatt a hidrogéneken kívül minden kemoszintetizáló baktérium meglehetősen kis mennyiségű biomasszát képez, ugyanakkor nagy mennyiségű szervetlen anyagot oxidál. A hidrogénbaktériumokat a tudósok fehérje előállítására és a légkör szén-dioxidtól való megtisztítására használják, különösen zárt térben ökológiai rendszerek. Nagyon sokféle kemoszintetikus baktérium létezik, azok legtöbb a pszeudomonádokhoz tartozik, megtalálhatók fonalas és bimbós baktériumok, leptospira, spirillum és corynebaktériumok között is.

Példák a kemoszintézis prokarióták általi alkalmazására.

A kemoszintézis (a folyamatot Szergej Nyikolajevics Vinogradszkij orosz kutató fedezte fel) lényege a szervezet energiatermelése redox-reakciók révén, amelyeket a szervezet maga hajt végre egyszerű (szervetlen) anyagokkal. Ilyen reakciók lehetnek például az ammónium oxidációja nitritté, vagy kétértékű vas oxidációja vas(III), hidrogén-szulfid kénné stb. Csak kemoszintézisre képes. bizonyos csoportok prokarióták (baktériumok tág értelemben szavak). A kemoszintézis miatt jelenleg csak egyes hidrotermális területek ökoszisztémái léteznek (az óceán fenekén olyan helyek, ahol a meleg kifolyói vannak talajvíz, gazdag redukált anyagokban - hidrogén, hidrogén-szulfid, vas-szulfid stb.), valamint rendkívül egyszerű, csak baktériumokból álló ökoszisztémák. nagy mélység szárazföldi sziklatörésekben.

A baktériumok kemoszintetikusak és elpusztítják sziklák, tiszta szennyvíz, részt vesznek az ásványi anyagok képződésében.

A fotoszintézis meglehetősen összetett folyamat, és két fázisból áll: a világosságból, amely mindig kizárólag a világosságnál jelentkezik, és a sötétből. Minden folyamat a kloroplasztokon belül játszódik le speciális kis szerveken - tilakoidokon. A fényfázis során a klorofill egy kvantum fényt nyel el, ami ATP és NADPH molekulák képződését eredményezi. A víz ezután lebomlik, hidrogénionokat képezve és oxigénmolekulát szabadít fel. Felmerül a kérdés, hogy mik ezek a felfoghatatlan rejtélyes anyagok: ATP és NADH?

Az ATP különleges szerves molekulák, amelyek minden élő szervezetben megtalálhatók, gyakran nevezik „energia” pénznemnek. Ezek a molekulák nagy energiájú kötéseket tartalmaznak, és energiaforrást jelentenek szerves szintézisekés a szervezetben zajló kémiai folyamatok. Nos, a NADPH tulajdonképpen hidrogénforrás, közvetlenül a nagy molekulatömegű szerves anyagok - szénhidrátok - szintézisében használják fel, ami a fotoszintézis második, sötét fázisában történik szén-dioxid felhasználásával. De vegyük sorba a dolgokat.

A fotoszintézis könnyű fázisa

A kloroplasztiszok sok klorofill molekulát tartalmaznak, és mindegyik felszívódik napfény. Ugyanakkor más pigmentek elnyelik a fényt, de nem képesek fotoszintézist végrehajtani. Maga a folyamat csak néhány klorofill molekulában megy végbe, amelyekből nagyon kevés van. A klorofill, karotinoidok és egyéb anyagok egyéb molekulái speciális antenna- és fénygyűjtő komplexeket (LHC) alkotnak. Az antennákhoz hasonlóan elnyelik a fénykvantumokat, és a gerjesztést speciális reakcióközpontokba vagy csapdákba továbbítják. Ezek a központok a fotorendszerekben helyezkednek el, amelyek közül a növényeknek kettő van: a II. és az I. fotoszisztéma. Speciális klorofillmolekulákat tartalmaznak: a II - P680, illetve az I - P700 fotorendszerben. Pontosan ilyen hullámhosszú fényt nyelnek el (680 és 700 nm).

Az ábra világosabbá teszi, hogy minden hogyan néz ki és történik a fotoszintézis fényfázisában.

Az ábrán két fotorendszert látunk P680 és P700 klorofillal. Az ábrán láthatók azok a hordozók is, amelyeken keresztül az elektrontranszport végbemegy.

Tehát: két fotorendszer mindkét klorofillmolekulája elnyel egy fénykvanumot és gerjesztődik. Az e- elektron (az ábrán piros) magasabb energiaszintre mozog.

A gerjesztett elektronok nagyon nagy energiájúak, leszállnak és belépnek egy speciális hordozóláncba, amely a tilakoid membránokban található - belső szerkezetek kloroplasztiszok. Az ábra azt mutatja, hogy a II. fotorendszerből a P680 klorofillból egy elektron a plasztokinonhoz, az I. fotorendszerből pedig a P700 klorofillból a ferredoxinhoz jut. Magukban a klorofillmolekulákban, az elektronok helyett, azok eltávolítása után pozitív töltésű kék ​​lyukak képződnek. Mit tegyek?

Az elektronhiány kompenzálására a II. fotorendszer klorofill P680 molekulája elektronokat fogad fel a vízből, és hidrogénionok képződnek. Ezenkívül a víz lebomlásának köszönhető, hogy oxigén kerül a légkörbe. A klorofill P700 molekula pedig, amint az az ábrán látható, a II. fotorendszer hordozórendszerén keresztül pótolja az elektronhiányt.

Általánosságban elmondható, hogy bármilyen nehéz is, ez pontosan így megy világos fázis fotoszintézis, annak a fő szempont elektronok átvitelével jár. Az ábrán az is látható, hogy az elektrontranszporttal párhuzamosan a H+ hidrogénionok áthaladnak a membránon, és felhalmozódnak a tilakoid belsejében. Mivel nagyon sok van belőlük, egy speciális konjugációs tényező segítségével mozognak kifelé, ami az ábrán narancssárga színű, a képen a jobb oldalon látható, és úgy néz ki, mint egy gomba.

A végén látjuk végső szakasz elektrontranszport, ami a fent említett NADH vegyület képződését eredményezi. A H+ ionok átvitelének köszönhetően pedig szintetizálódik az energia valuta - ATP (az ábrán jobb oldalon látható).

Tehát a fotoszintézis könnyű fázisa befejeződött, oxigén szabadul fel a légkörbe, ATP és NADH képződik. mi lesz ezután? Hol van az ígért szerves anyag? És akkor jön a sötét szakasz, amely főleg kémiai folyamatokból áll.

A fotoszintézis sötét fázisa

A fotoszintézis sötét fázisában a szén-dioxid – CO2 – elengedhetetlen komponens. Ezért a növénynek folyamatosan fel kell vennie a légkörből. Erre a célra speciális struktúrák vannak a levél felületén - sztómák. Amikor kinyílnak, a CO2 belép a levélbe, feloldódik vízben és reagál a fotoszintézis fényfázisával.

A legtöbb növényben a könnyű fázisban a CO2 egy öt szénatomos szerves vegyülethez kötődik (ami öt szénmolekulából álló lánc), így két molekula három szénatomos vegyület (3-foszfoglicerinsav) keletkezik. Mert Az elsődleges eredmény pontosan ezeket a három szénatomot tartalmazó növényeket nevezi C3 növényeknek.

A kloroplasztiszokban végbemenő további szintézis meglehetősen bonyolult. Végül egy hat szénatomos vegyület keletkezik, amelyből glükóz, szacharóz vagy keményítő állítható elő. A növény ezeknek a szerves anyagoknak a formájában halmoz fel energiát. Ezeknek csak egy kis része marad a lapban, és az igényeinek megfelelően használják fel. A többi szénhidrát az egész növényben bejut, és pontosan oda kerül, ahol a legnagyobb szükség van energiára, például a növekedési pontokon.

Minden élőlény a bolygón élelemre vagy energiára van szüksége a túléléshez. Egyes élőlények más élőlényekkel táplálkoznak, míg mások képesek előállítani a sajátjukat táplálkozási elemek. Saját táplálékukat, a glükózt állítják elő a fotoszintézisnek nevezett folyamat során.

A fotoszintézis és a légzés összefügg. A fotoszintézis eredménye a glükóz, amely kémiai energiaként raktározódik el. Ez a tárolt kémiai energia a szervetlen szén (szén-dioxid) átalakulásából származik szerves szén. A légzés folyamata felszabadítja a tárolt kémiai energiát.

A növényeknek az általuk előállított termékek mellett szénre, hidrogénre és oxigénre is szükségük van a túléléshez. A talajból felszívott víz hidrogént és oxigént biztosít. A fotoszintézis során a szén és a víz az élelmiszerek szintetizálására szolgál. A növényeknek nitrátokra is szükségük van az aminosavak előállításához (az aminosav a fehérje előállításának egyik összetevője). Ezen kívül magnéziumra van szükségük a klorofill előállításához.

Jegyzet: A más élelmiszerektől függő élőlényeket ún. A növényevők, például a tehenek, valamint a rovarokat fogyasztó növények a heterotrófok példái. Azokat az élőlényeket, amelyek maguk állítják elő táplálékukat, úgy hívják. A zöld növények és algák az autotrófok példái.

Ebben a cikkben többet megtudhat arról, hogy a fotoszintézis hogyan megy végbe a növényekben, és milyen feltételekkel történik a folyamat.

A fotoszintézis definíciója

A fotoszintézis az a kémiai folyamat, amelynek során a növények, egyes algák glükózt és oxigént állítanak elő szén-dioxidból és vízből, energiaforrásként csak fényt használva.

Ez a folyamat rendkívül fontos a földi élet számára, mert oxigén szabadul fel, amelytől minden élet függ.

Miért van szükségük a növényeknek glükózra (táplálékra)?

Az emberekhez és más élőlényekhez hasonlóan a növényeknek is tápanyagra van szükségük a túléléshez. A glükóz jelentősége a növények számára a következő:

• A fotoszintézis által termelt glükózt a légzés során használják fel energia felszabadítására, amelyre a növénynek más létfontosságú folyamatokhoz szüksége van.
• A növényi sejtek a glükóz egy részét keményítővé is alakítják, amelyet szükség szerint felhasználnak. Emiatt az elhalt növényeket biomasszaként használják fel, mert kémiai energiát tárolnak.
• A glükózra más vegyi anyagok, például fehérjék, zsírok és növényi cukrok előállításához is szükség van, amelyek a növekedéshez és más fontos folyamatokhoz szükségesek.

A fotoszintézis fázisai

A fotoszintézis folyamata két szakaszra oszlik: világos és sötét fázisra.

A fotoszintézis könnyű fázisa

Ahogy a neve is sugallja, a világos fázisokhoz napfényre van szükség. Fényfüggő reakciókban a napfény energiáját a klorofill elnyeli és tárolt kémiai energiává alakítja NADPH elektronhordozó molekula (nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfát) és ATP (adenozin-trifoszfát) energiamolekula formájában. A kloroplaszton belüli tilakoid membránokban könnyű fázisok fordulnak elő.

A fotoszintézis vagy a Calvin-ciklus sötét fázisa

A sötét fázisban vagy a Calvin-ciklusban a világos fázisból származó gerjesztett elektronok energiát adnak a szén-dioxid-molekulákból szénhidrátok képződéséhez. A fénytől független fázisokat a folyamat ciklikussága miatt néha Calvin-ciklusnak is nevezik.

Bár a sötét fázisok nem használnak fényt reagensként (és ennek eredményeként előfordulhatnak nappal vagy éjszaka), működésükhöz fényfüggő reakciók termékei szükségesek. A fénytől független molekulák az ATP és NADPH energiahordozó molekuláktól függenek, hogy új szénhidrátmolekulákat hozzanak létre. Az energia átvitele után az energiahordozó molekulák visszatérnek a fényfázisokba, hogy több energikus elektront termeljenek. Ezenkívül számos sötét fázisú enzim aktiválódik a fény hatására.

A fotoszintézis fázisainak diagramja

Jegyzet: Ez azt jelenti, hogy a sötét fázisok nem folytatódnak, ha a növények túl sokáig nem jutnak fényhez, mivel a világos fázis termékeit használják fel.

A növényi levelek szerkezete

Nem tudjuk teljes mértékben tanulmányozni a fotoszintézist anélkül, hogy többet nem ismernénk a levél szerkezetéről. A levél létfontosságú játékhoz igazodik fontos szerepet a fotoszintézis folyamata során.

A levelek külső szerkezete

• Négyzet

A növények egyik legfontosabb jellemzője a leveleik nagy felülete. A legtöbb zöld növénynek széles, lapos és nyitott levelei vannak, amelyek ugyanannyit képesek elkapni napenergia(napfény) a fotoszintézishez szükséges.

• Központi véna és levélnyél

A központi ér és a levélnyél összekapcsolódik, és a levél alapját képezi. A levélnyél úgy helyezi el a levelet, hogy az a lehető legtöbb fényt kapja.

• Levéllemez

Az egyszerű leveleknek egy levéllemezük van, míg az összetett leveleknek több. A levéllemez a levél egyik legfontosabb összetevője, amely közvetlenül részt vesz a fotoszintézis folyamatában.

• Vénák

A levelekben lévő erek hálózata szállítja a vizet a szárakról a levelekre. A felszabaduló glükózt a levelekből az ereken keresztül a növény más részeibe is eljuttatják. Ezenkívül ezek a levélrészek megtámasztják és laposan tartják a levéllemezt, hogy jobban elnyeljék a napfényt. Az erek elrendezése (ventáció) a növény típusától függ.

• Levél alap

A levél alapja a legalsó része, amely a szárral tagolódik. A levél tövében gyakran egy pár szál van.

• Levél széle

A növény típusától függően a levél széle különböző formájú lehet, beleértve: egész, szaggatott, fogazott, rovátkolt, recézett stb.

• Levélvég

Mint a levél széle, a teteje az különféle formák, beleértve: éles, kerek, tompa, hosszúkás, kihúzott stb.

A levelek belső szerkezete

Az alábbiakban egy közeli diagram látható belső szerkezet levélszövetek:

• Kutikula

A kutikula a fő, védőrétegként működik a növény felszínén. Általában vastagabb a levél tetején. A kutikulát viaszszerű anyag borítja, amely megvédi a növényt a víztől.

• Felhám

Az epidermisz egy sejtréteg, amely a levél fedőszövete. Az övé fő funkciója- a belső levélszövetek védelme kiszáradástól, mechanikai sérülésektől és fertőzésektől. Szabályozza a gázcsere és a transzspiráció folyamatát is.

• Mezofill

A mezofil a növény fő szövete. Itt megy végbe a fotoszintézis folyamata. A legtöbb növényben a mezofill két rétegre oszlik: a felső palánk, az alsó pedig szivacsos.

• Védelmi ketrecek

A védősejtek a levelek epidermiszében található speciális sejtek, amelyeket a gázcsere szabályozására használnak. Fellépnek védő funkció sztómák számára. A sztóma pórusai nagyokká válnak, amikor a víz szabadon elérhető egyébként, a védősejtek lomhává válnak.

• Sztóma

A fotoszintézis attól függ, hogy a levegőből a sztómán keresztül a szén-dioxid (CO2) behatol a mezofil szövetbe. A fotoszintézis melléktermékeként keletkező oxigén (O2) a sztómán keresztül távozik a növényből. Amikor a sztómák nyitva vannak, a párolgás következtében a víz elvész, és a párologtató áramon keresztül a gyökerek által felszívott vízzel kell helyettesíteni. A növények kénytelenek egyensúlyba hozni a levegőből felszívódó CO2 mennyiségét és a sztómapórusokon keresztüli vízveszteséget.

A fotoszintézishez szükséges feltételek

A növényeknek a következő feltételekkel kell végrehajtaniuk a fotoszintézis folyamatát:

• szén-dioxid. Színtelen, szagtalan, a levegőben található földgáz, amelynek tudományos neve CO2. Szén és szerves vegyületek égése során keletkezik, és légzés közben is előfordul.
• Víz. Átlátszó folyadék vegyi anyag szagtalan és íztelen (normál körülmények között).
• Fény. Bár a mesterséges fény is megfelelő a növények számára, a természetes napfény hajlamos létrehozni legjobb körülmények között fotoszintézishez, mert természetes ultraibolya sugárzás, amely rendelkezik pozitív hatást növényeken.
• Klorofill. Ez zöld pigment, növényi levelekben található.
• Tápanyagok és ásványi anyagok. A növényi gyökerek által a talajból felszívódó vegyszerek és szerves vegyületek.

Mi keletkezik a fotoszintézis eredményeként?

• Szőlőcukor;
• Oxigén.

(A fényenergia zárójelben van feltüntetve, mert nem anyag)

Jegyzet: A növények a CO2-t a levegőből a leveleiken keresztül, a vizet pedig a talajból a gyökereiken keresztül nyerik. A fényenergia a Napból származik. A keletkező oxigén a levelekből a levegőbe kerül. A kapott glükóz más anyagokká, például keményítővé alakítható, amelyet energiaraktárként használnak.

Ha a fotoszintézist elősegítő tényezők hiányoznak vagy nem megfelelő mennyiségben vannak jelen, akkor a növényt negatívan érintheti. Például a kevesebb fény kedvező feltételeket teremt a rovarok számára, amelyek megeszik a növény leveleit, a vízhiány pedig lelassítja.

Hol történik a fotoszintézis?

A fotoszintézis a növényi sejtekben, kis plasztidokban, az úgynevezett kloroplasztiszokban megy végbe. A kloroplasztok (leginkább a mezofil rétegben találhatók) tartalmaznak egy klorofill nevű zöld anyagot. Az alábbiakban a sejt más részei láthatók, amelyek a kloroplasztiszokkal működnek együtt a fotoszintézis végrehajtásában.

A növényi sejt felépítése

A növényi sejtrészek funkciói

• : szerkezeti és mechanikai támaszt nyújt, megvédi a sejteket a sejtektől, rögzíti és meghatározza a sejt alakját, szabályozza a növekedés sebességét és irányát, és formát ad a növényeknek.
• : platformot biztosít a legtöbb számára kémiai folyamatok enzimek szabályozzák.
• : gátként működik, szabályozza az anyagok sejtbe és onnan történő mozgását.
• : a fent leírtak szerint klorofillt tartalmaznak, egy zöld anyagot, amely a fotoszintézis folyamata révén elnyeli a fényenergiát.
• : egy üreg a sejt citoplazmájában, amely vizet tárol.
• : genetikai jelet (DNS) tartalmaz, amely szabályozza a sejt tevékenységét.

A klorofill elnyeli a fotoszintézishez szükséges fényenergiát. Fontos megjegyezni, hogy a fény nem minden színhullámhossza nyelődik el. A növények elsősorban a vörös és kék hullámhosszokat nyelik el – a zöld tartományban nem nyelnek el fényt.

Szén-dioxid a fotoszintézis során

A növények a szén-dioxidot a levegőből veszik fel a leveleiken keresztül. A szén-dioxid a levél alján lévő kis lyukon keresztül szivárog - a sztómán.

A levél alsó részén lazán elhelyezkedő sejtek találhatók, hogy a szén-dioxid elérje a levelek más sejtjeit. Ez azt is lehetővé teszi, hogy a fotoszintézis által termelt oxigén könnyen elhagyja a levelet.

A szén-dioxid nagyon alacsony koncentrációban van jelen a levegőben, amelyet belélegzünk, és szükséges tényező a fotoszintézis sötét fázisában.

Fény a fotoszintézis során

A levél általában rendelkezik nagy terület felületén, így sok fényt képes elnyelni. Felső felületét viaszos réteg (kutikula) védi a vízveszteségtől, a betegségektől és az időjárás viszontagságaitól. A lap teteje az, ahol a fény megüti. Ezt a mezofil réteget palisádnak nevezik. Felszívódásra alkalmas nagy mennyiségben könnyű, mert sok kloroplasztot tartalmaz.

A fényfázisokban a fotoszintézis folyamata fokozódik nagy számban Sveta. Több klorofillmolekula ionizálódik, és több ATP és NADPH keletkezik, ha fényfotonok zöld levélre összpontosítva. Bár a fény rendkívül fontos a fotofázisokban, meg kell jegyezni, hogy a túlzott mennyiség károsíthatja a klorofillt, és csökkentheti a fotoszintézis folyamatát.

A fényfázisok nem nagyon függnek a hőmérséklettől, a víztől vagy a szén-dioxidtól, bár ezek mind szükségesek a fotoszintézis folyamatának befejezéséhez.

Víz a fotoszintézis során

A növények a fotoszintézishez szükséges vizet a gyökereiken keresztül szerzik be. Gyökérszőrük van, amely a talajban nő. A gyökerek jellemzőek nagy terület felületek és vékony falak, ami lehetővé teszi a víz könnyű átjutását.

A képen a növények és sejtjeik láthatók elegendő vízzel (balra) és annak hiányával (jobbra).

Jegyzet: A gyökérsejtek nem tartalmaznak kloroplasztokat, mert általában sötétben vannak, és nem tudnak fotoszintetizálni.

Ha a növény nem vesz fel elegendő vizet, kiszárad. Víz nélkül a növény nem lesz képes elég gyorsan fotoszintetizálni, és akár el is pusztulhat.

Mi a víz jelentősége a növények számára?

• Oldott ásványi anyagokat biztosít, amelyek támogatják a növény egészségét;
• Közlekedési eszköz;
• Megőrzi a stabilitást és az állóképességet;
• Lehűti és nedvességgel telíti;
• Lehetővé teszi, hogy végezzen különféle kémiai reakciók növényi sejtekben.

A fotoszintézis jelentősége a természetben

A fotoszintézis biokémiai folyamata a napfény energiáját használja fel a víz és a szén-dioxid oxigénné és glükózzá alakítására. A glükózt építőelemként használják a növényekben a szövetek növekedéséhez. Így a fotoszintézis az a módszer, amellyel gyökerek, szárak, levelek, virágok és termések keletkeznek. A fotoszintézis folyamata nélkül a növények nem lesznek képesek növekedni vagy szaporodni.

• Producerek

Fotoszintetikus képességüknek köszönhetően a növényeket termelőként ismerik, és szinte mindennek az alapjául szolgálnak tápláléklánc a Földön. (Az algák a növények megfelelői). Minden táplálék, amit megeszünk, fotoszintetikus szervezetektől származik. Közvetlenül fogyasztjuk ezeket a növényeket, vagy olyan állatokat eszünk, mint például tehenek vagy sertések, amelyek növényi táplálékot fogyasztanak.

• A tápláléklánc alapja

Belső vízrendszerek, növények és algák is képezik a tápláléklánc alapját. Az algák táplálékul szolgálnak, amelyek viszont táplálékforrásként szolgálnak a nagyobb szervezetek számára. Fotoszintézis nélkül vízi környezet az élet lehetetlen lenne.

• Szén-dioxid eltávolítás

A fotoszintézis a szén-dioxidot oxigénné alakítja. A fotoszintézis során a légkörből származó szén-dioxid belép a növénybe, majd oxigénként szabadul fel. A mai világban, ahol a szén-dioxid szintje riasztó ütemben növekszik, minden olyan folyamat, amely eltávolítja a szén-dioxidot a légkörből, környezetvédelmi szempontból fontos.

• Tápanyag kerékpározás

A növények és más fotoszintetikus organizmusok létfontosságú szerepet játszanak a tápanyag-ciklusban. A levegőben lévő nitrogén megkötődik a növényi szövetekben, és elérhetővé válik fehérjék előállításához. A talajban található mikroelemek is beépíthetők növényi szövetés elérhetővé válnak a táplálékláncban feljebb lévő növényevők számára.

• Fotoszintetikus függőség

A fotoszintézis a fény intenzitásától és minőségétől függ. Az Egyenlítőn, ahol egész évben bőséges a napfény, és a víz nem korlátozó tényező, a növények gyorsan növekednek, és meglehetősen nagyra nőhetnek. Ezzel szemben az óceán mélyebb részein a fotoszintézis ritkábban megy végbe, mivel a fény nem hatol át ezekbe a rétegekbe, ami egy kopárabb ökoszisztémát eredményez.

Fényenergia felhasználásával vagy anélkül. A növényekre jellemző. A következőkben nézzük meg, mi a fotoszintézis sötét és világos fázisa.

Általános információk

A magasabb rendű növények fotoszintézis szerve a levél. A kloroplasztok organellákként működnek. A fotoszintetikus pigmentek tilakoidjaik membránjában találhatók. Ezek karotinoidok és klorofillok. Ez utóbbiak többféle formában léteznek (a, c, b, d). A fő az a-klorofill. Molekulája tartalmaz egy porfirin „fejet”, amelynek közepén magnéziumatom található, valamint egy fitol „farkat”. Az első elemet lapos szerkezetként mutatjuk be. A „fej” hidrofil, ezért a membránnak azon a részén található, amely a vizes környezet felé irányul. A fitol "farok" hidrofób. Ennek köszönhetően megtartja a klorofill molekulát a membránban. A klorofillok elnyelik a kék-ibolya és a vörös fényt. A zöldet is tükrözik, így a növények jellegzetes színüket adják. A tilaktoid membránokban a klorofill molekulák fotorendszerekbe szerveződnek. A kék-zöld algákat és növényeket az 1. és 2. rendszer jellemzi. A fotoszintetikus baktériumok csak az elsővel rendelkeznek. A második rendszer képes lebontani a H 2 O-t és oxigént szabadítani.

A fotoszintézis könnyű fázisa

A növényekben végbemenő folyamatok összetettek és többlépcsősek. Különösen a reakcióknak két csoportját különböztetjük meg. Ezek a fotoszintézis sötét és világos fázisai. Ez utóbbi az ATP enzim, az elektrontranszfer fehérjék és a klorofill részvételével történik. A fotoszintézis világos fázisa a tilaktoid membránokban történik. A klorofill elektronok izgalomba jönnek és elhagyják a molekulát. Ezt követően a thylactoid membrán külső felületére kerülnek. Az viszont negatív töltésű lesz. Az oxidáció után megindul a klorofillmolekulák redukciója. Elektronokat vesznek a vízből, amely az intralakoid térben van jelen. Így a fotoszintézis fényfázisa a bomlás (fotolízis) során megy végbe a membránban: H 2 O + Q fény → H + + OH -

A hidroxil-ionok reaktív gyökökké alakulnak, és elektronjaikat adományozzák:

OH - → .OH + e -

Az OH gyökök egyesülve szabad oxigént és vizet képeznek:

4NO. → 2H 2 O + O 2.

Ebben az esetben az oxigén a környező (külső) környezetbe kerül, és a protonok a thylactoid belsejében halmozódnak fel egy speciális „tartályban”. Ennek eredményeként, ahol a fotoszintézis fényfázisa megtörténik, a thylaktoid membrán az egyik oldalon H + miatt kap. pozitív töltés. Ugyanakkor az elektronok miatt negatívan töltődik.

Az ADP foszforilációja

Ahol a fotoszintézis fényfázisa következik be, ott potenciálkülönbség van a membrán belső és külső felülete között. Amikor eléri a 200 mV-ot, a protonok elkezdődnek az ATP szintetáz csatornákon keresztül. Így a fotoszintézis könnyű fázisa a membránban következik be, amikor az ADP ATP-vé foszforilálódik. Ebben az esetben atomi hidrogént küldenek, hogy visszaállítsák a speciális hordozót, a nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfátot, a NADP+-t a NADP-be.H2:

2Н + + 2е — + NADP → NADP.Н 2

A fotoszintézis könnyű fázisa tehát magában foglalja a víz fotolízisét. Ezt viszont három legfontosabb reakció kíséri:

1. ATP szintézis.
2. A NADP.H kialakulása 2.
3. Oxigén képződése.

A fotoszintézis fényfázisát ez utóbbinak a légkörbe való kibocsátása kíséri. A NADP.H2 és az ATP a kloroplasztisz strómájába költözik. Ezzel befejeződik a fotoszintézis világos fázisa.

A reakciók másik csoportja

A fotoszintézis sötét fázisa nem igényel fényenergiát. A kloroplasztisz strómájába kerül. A reakciókat a levegőből érkező szén-dioxid egymás utáni átalakulásának láncaként mutatják be. Ennek eredményeként glükóz és más szerves anyagok képződnek. Az első reakció a rögzítés. Ribulóz-bifoszfát (öt szénatomos cukor) A RiBP szén-dioxid-akceptorként működik. A reakcióban a katalizátor a ribulóz-bifoszfát-karboxiláz (enzim). A RiBP karboxilezésének eredményeként hat szénatomos instabil vegyület képződik. Szinte azonnal két PGA (foszfoglicerinsav) molekulára bomlik. Ezt követően egy reakcióciklus megy végbe, ahol több köztes terméken keresztül glükózzá alakul át. A NADP.H 2 és az ATP energiáját használják fel, amelyek a fotoszintézis fényfázisában alakultak át. Ezeknek a reakcióknak a ciklusát Calvin-ciklusnak nevezik. A következőképpen ábrázolható:

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

A fotoszintézis során a glükózon kívül szerves (komplex) vegyületek egyéb monomerei is képződnek. Ide tartozik különösen, zsírsavak, glicerin, aminosavak nukleotidok.

C3 reakciók

Ezek a fotoszintézis egyik fajtája, amely első termékként három szénatomos vegyületeket állít elő. Ez az, amit fentebb Kálvin-ciklusként írtunk le. Mint jellegzetes vonásait A C3 fotoszintézist a következők végzik:

1. A RiBP a szén-dioxid akceptorja.
2. A karboxilezési reakciót RiBP karboxiláz katalizálja.
3. Hat szénatomos anyag képződik, amely ezt követően 2 FHA-ra bomlik.

A foszfoglicerinsav TP-vé (trióz-foszfátok) redukálódik. Egy részüket a ribulóz-bifoszfát regenerálására használják, a többit glükózzá alakítják.

C4 reakciók

Ezt a fajta fotoszintézist a négy szénatomos vegyületek első termékként való megjelenése jellemzi. 1965-ben felfedezték, hogy a C4 anyagok először jelennek meg egyes növényekben. Például ezt állapították meg a köles, a cirok, a cukornád és a kukorica esetében. Ezek a növények C4-es növényekként váltak ismertté. A következő évben, 1966-ban Slack és Hatch (ausztrál tudósok) felfedezték, hogy szinte teljesen hiányzik belőlük a fotolégzés. Azt is megállapították, hogy az ilyen C4-es növények sokkal hatékonyabban szívják fel a szén-dioxidot. Ennek eredményeként az ilyen termények szén-dioxid átalakulásának útját kezdték Hatch-Slack útnak nevezni.

Következtetés

A fotoszintézis jelentősége nagyon nagy. Ennek köszönhetően a szén-dioxid minden évben felszívódik a légkörből hatalmas kötetek(milliárd tonna). Ehelyett nem kevesebb oxigén szabadul fel. A fotoszintézis a szerves vegyületek képződésének fő forrása. Az oxigén részt vesz az ózonréteg kialakulásában, amely megvédi az élő szervezeteket a rövidhullámú UV-sugárzás hatásaitól. A fotoszintézis során egy levél a ráeső fény teljes energiájának mindössze 1%-át nyeli el. Termőképessége 1 grammon belül van szerves vegyület 1 négyzetméterenként m felület óránként.