Фотосинтез - що таке? Стадії фотосинтезу. Умови фотосинтезу

Ви коли-небудь замислювалися, скільки на планеті живих організмів ?! І адже всім їм потрібно вдихати кисень, щоб виробити енергію і видихнути вуглекислий газ. Саме вуглекислий газ

- основна причина такого явища, як задуха в приміщенні. Вона має місце тоді, коли в ньому знаходиться багато людей, а кімната тривалий час не провітрюється. Крім цього, отруйними речовинами наповнюють повітря виробничі об`єкти, приватний автомобільний і громадський транспорт.

З урахуванням вищесказаного виникає цілком логічне запитання: як же ми тоді ще не задихнулися, якщо все живе є джерелом отруйного вуглекислого газу? Спасителем усіх живих істот в даній ситуації виступає фотосинтез. Що таке є цей процес і в чому його необхідність?

Його результат - регулювання балансу вуглекислого газу і насичення повітря киснем. Відомий такий процес тільки представникам світу флори, тобто рослинам, оскільки відбувається тільки в їх клітинах.

Сам по собі фотосинтез - це надзвичайно складна процедура, що залежить від певних умов і відбувається в кілька етапів.

визначення поняття

Згідно з науковим визначенням, органічні речовини в процесі фотосинтезу перетворюються в органічні на клітинному рівні у автотрофніорганізмів за рахунок впливу сонячного світла.

Якщо сказати більш зрозумілою мовою, фотосинтез являє собою процес, при якому відбувається наступне:

1. Рослина насичується вологою. Джерелом вологи може бути вода з грунту або вологе тропічне повітря.
2. Відбувається реакція хлорофілу (спеціальної речовини, яка міститься в рослині) на вплив сонячної енергії.
3. Освіта необхідної представникам флори їжі, яку самостійно добути вони не в змозі гетеротрофним способом, а самі є її виробником. Інакше кажучи, рослини харчуються тим, що самі виробляють. Це і є результат фотосинтезу.

етап перший

Практично кожна рослина містить зелена речовина, завдяки якому воно може поглинати світло. Ця речовина є не чим іншим, як хлорофілом. Його місцезнаходження - хлоропласти. А ось хлоропласти розташовуються в стебловий частини рослини і його плодах. Але особливо поширений в природі фотосинтез листа. Оскільки останній досить простий за своєю структурою і має відносно велику поверхню, а значить, обсяги енергії, необхідної для протікання процесу-рятівника будуть набагато більше.

Коли світло поглинений хлорофілом, останній перебуває в стані збудження і свої енергетичні посили передає іншим органічним молекулам рослини. Найбільша кількість такої енергії дістається учасникам процесу фотосинтезу.

етап другий

Освіта фотосинтезу на другому етапі не вимагає обов`язкової участі світла. Він полягає у формуванні хімічних зв`язків з використанням отруйного вуглекислого газу, що утворюється з повітряних мас і води. Також відбувається синтез безлічі речовин, які забезпечують життєдіяльність представників флори. Такими є крохмаль, глюкоза.

У рослин такі органічні елементи виступають джерелом харчування для окремих частин рослини, одночасно забезпечуючи нормальний перебіг процесів життєдіяльності. Такі речовини отримують і представники фауни, які вживають рослини в їжу. Людський же організм насичується цими речовинами через їжу, яка входить в щоденний раціон.

Що? Де? Коли?

щоб органічні речовини перетворилися в органічні, потрібно забезпечити відповідні умови фотосинтезу. Для розглянутого процесу необхідний в першу чергу світло. Йдеться і про штучне, і про сонячному світлі. На природі зазвичай діяльність рослин характеризується інтенсивністю навесні і влітку, тобто тоді, коли існує необхідність в надходженні великої кількості сонячної енергії. Чого не скажеш про осінню пору, коли світла все менше, день все коротше. В результаті листя жовтіє, а потім і зовсім опадає. Але як тільки заблищать перші весняні промінчики сонця, зійде зелена травичка, тут же відновлять свою діяльність хлорофіли, і почнеться активне вироблення кисню та інших поживних речовин, які носять життєво важливий характер.

Умови фотосинтезу включають не тільки наявність освітленості. Вологи теж має бути достатньо. Адже рослина спершу поглинає вологу, а потім починається реакція з участю сонячної енергії. Результатом такого процесу і є продукти харчування рослин.

Тільки при наявності зеленого речовини відбувається фотосинтез. Що таке хлорофіли, ми вже розповідали вище. Вони виступають деяким провідником між світлом або сонячною енергією і самим рослиною, забезпечуючи належний перебіг їхнього життя і діяльності. Зелені речовини мають здатність поглинання безлічі сонячних променів.

Чималу роль відіграє і кисень. Щоб процес фотосинтезу пройшов успішно, рослинам потрібно його багато, оскільки в його складі міститься всього 0,03% вуглекислої кислоти. Значить, з 20 000 м³ повітря можна отримати 6 м³ кислоти. Саме остання речовина - основний вихідний матеріал для глюкози, яка, в свою чергу, є речовиною, необхідною для життєдіяльності.

Існує дві стадії фотосинтезу. Перша називається світлова, друга - темновая.

У чому механізм протікання світловий стадії

Світлова стадія фотосинтезу має ще одну назву - фотохімічна. Основними учасниками на цьому етапі є:

• енергія сонця;
• різноманітні пігменти.

З першої складової все зрозуміло, це сонячне світло. А ось що представляють собою пігменти, знає не кожен. Вони бувають зеленими, жовтими, червоними або синіми. До зелених відносяться хлорофіли груп «А» і «Б», до жовтим і червоним / синім - фікобіліни відповідно. Фотохимическую активність серед учасників цієї стадії процесу виявляють тільки хлорофіли «А». Решті належить доповнює роль, суть якої - збір квантів світла і їх транспортування до фотохимическому центру.

Оскільки хлорофіл наділений здатністю ефективного поглинання сонячної енергії з певною довжиною хвилі, були ідентифіковані наступні фотохімічні системи:

- Фотохімічний центр 1 (зелені речовини групи «А») - до складу включений пігмент 700, який поглинає світлові промені, довжина яких приблизно 700 нм. Цьому пігменту належить основна роль в створенні продуктів світловий стадії фотосинтезу.

- Фотохімічний центр 2 (зелені речовини групи «Б») - до складу включений пігмент 680, який поглинає світлові промені, довжина яких 680 нм. Йому належить роль другого плану, яка полягає в функції заповненні електронів, втрачених фотохимическим центром 1. Досягається завдяки гідролізу рідини.

На 350- 400 молекул пігментів, які концентрують в собі потоки світла в фотосистемі 1 і 2 доводиться тільки одна молекула пігменту, що є активним фотохімічно - хлорофілу групи «А».

Що відбувається?

1. Світлова енергія, що поглинається рослиною, впливає на що міститься в ньому пігмент 700, який переходить із звичайного стану в стан збудження. Пігмент втрачає електрон, в результаті чого утворюється так звана електронна діра. Далі молекула пігменту, яка втратила електрон, може виступати в якості його акцептора, тобто стороною, що приймає електрон, і повертати свою форму.

2. Процес розкладання рідини в фотохімічному центрі светопоглощающего пігменту 680 фотосистеми 2. При розкладанні води утворюються електрони, які спочатку акцептуються такою речовиною, як цитохром С550, і позначаються літерою Q. Потім від цитохрому електрони потрапляють в ланцюг переносників і транспортуються в фотохімічний центр 1 для заповнення електронної діри, яка стала результатом проникнення квантів світла і відновного процесу пігменту 700.

Бувають випадки, коли така молекула отримує назад електрон, ідентичний раніше. Це призведе до виділення енергії світла у вигляді тепла. Але практично завжди електрон, що має негативний заряд, з`єднується зі спеціальними железосернимі білками і переноситься по одній з ланцюгів до пігменту 700 або потрапляє в іншу ланцюг переносників і возз`єднується з постійним акцептором.

При першому варіанті має місце циклічна транспортування електрона замкнутого типу, при другому - нециклічні.

Обидва процеси потрапляють на першій стадії фотосинтезу під каталізацію однієї і тієї ж ланцюгом переносників електронів. Але варто зазначити, що при фотофосфорилювання циклічного типу початкової і одночасно кінцевою точкою транспортування є хролофілла, в той час коли нециклічного транспортування передбачає перехід зеленого речовини групи «Б» до хлорофілу «А».

Особливості циклічної транспортування

Фосфорилювання циклічне називається ще фотосинтетичним. В результаті такого процесу утворюються молекули АТФ. В основі такого транспортування лежить повернення через кілька послідовних етапів електронів в збудженому стані на пігмент 700, в результаті чого вивільняється енергія, яка бере участь в роботі фосфорилируют ферментної системи з метою подальшої акумуляції в фосфатних зв`язках АТФ. Тобто енергія не розсіюється.

Фосфорилювання циклічне є первинною реакцію фотосинтезу, в основі якої технологія освіти хімічної енергії на мембранних поверхнях тілактоідов хлоропластів завдяки використанню енергії сонячних променів.

Без фотосинтетичного фосфорилювання реакції асиміляції в темновой фазі фотосинтезу неможливі.

Нюанси транспортування нециклічного типу

Процес полягає у відновленні НАДФ + і освіті НАДФ * Н. Механізм заснований на передачі електрона ферредоксин, його відновної реакцією і подальшим переходом до НАДФ + з подальшим відновленням до НАДФ * Н.

В результаті електрони, які втратили пігмент 700, заповнюються завдяки електронам води, яка розкладається під світловими променями в фотосистемі 2.

Нециклический шлях електронів, перебіг якого також має на увазі світловий фотосинтез, здійснюється за допомогою взаємодії обох фотосистем між собою, пов`язує їх електронно-транспортні ланцюги. Світлова енергія направляє потік електронів назад. При транспортуванні від фотохімічного центру 1 до центру 2 електрони втрачають частину своєї енергії в зв`язку з акумуляцією в якості протонного потенціалу на мембранної поверхні тілактоідов.

У темновой фазі фотосинтезу процес створення потенціалу протонного типу в транспортній ланцюга електрона і його експлуатація для освіти АТФ в хлоропластах практично повністю ідентичний з таким же процесом в мітохондріях. Але особливості все-таки присутні. Тілактоідамі в даній ситуації виступають мітохондрії вивернуті на виворітну сторону. Це і є головною причиною того, що електрони і протони рухаються через мембрану в протилежному напрямку щодо перебігу перенесення в мембрані мітохондріальної. Електрони транспортуються до зовнішньої сторони, а протони накопичуються у внутрішній частині матриксу тілактоідного. Останній приймає тільки позитивний заряд, а зовнішня мембрана тілактоіда - негативний. З цього випливає, що шлях градієнта протонного типу протилежний його шляху в мітохондріях.

Наступною особливістю можна назвати високий рівень рН в потенціалі протонів.

Третьою особливістю є наявність в тілактоідной ланцюга тільки двох ділянок сполучення і як наслідок співвідношення молекули АТФ до протонів дорівнює 1: 3.

висновок

На першій стадії фотосинтез є взаємодією світлової енергії (штучної і неіскусственное) з рослиною. Реагують на промені зелені речовини - хлорофіли, велика частина яких міститься в листі.

Освіта АТФ і НАДФ * Н - результат такої реакції. Ці продукти необхідні для протікання темнова реакцій. Отже, світлова стадія - обов`язковий процес, без якого не відбудеться друга стадія - темновая.

Темнова стадія: суть і особливості

Темновий фотосинтез і його реакції є процедуру вуглекислоти в речовини органічного походження з отриманням вуглеводів. Здійснення таких реакцій відбувається в стромі хлоропласта і активну участь в них беруть продукти першої стадії фотосинтезу - світловий.

В основі механізму темновой стадії фотосинтезу покладено процес асиміляції діоксиду вуглецю (Ще називається фотохімічним карбоксилирование, циклом Кальвіна), який характеризується циклічністю. Складається з трьох фаз:

1. Карбоксилювання - приєднання СО₂.
2. Відновлювальна фаза.
3. Фаза регенерації рібулозодіфосфат.

Рібулофосфат - цукор з п`ятьма атомами вуглецю - піддається процедурі фосфорилювання за рахунок АТФ, в результаті чого утворюється рібулозодіфосфат, який далі піддається карбоксилирование завдяки з`єднанню з СО₂ продуктом з шістьма вуглецями, які миттєво розкладаються при взаємодії з молекулою води, створюючи дві молекулярні частки кислоти фосфоглицериновой. Потім ця кислота проходить курс повного відновлення при здійсненні ферментативної реакції, для якої обов`язкова присутність АТФ і НАДФ з утворенням цукру з трьома вуглецями - трехуглеродного цукру, триоз або альдегіду фосфогліцерінового. Коли два таких триоз конденсуються, виходить молекула гексози, яка може стати складовою частиною молекули крохмалю і регламентуватиме про запас.

Ця фаза завершується тим, що під час процесу фотосинтезу відбувається поглинання однієї молекули СО₂ і використання трьох молекул АТФ і чотирьох атомів Н. гексозофосфат піддається реакцій пентозофосфатного циклу, в результаті чого відбувається регенерація рібулозофосфата, який може знову возз`єднатися з іншою молекулою вуглецевої кислоти.

Реакції карбоксилювання, відновлення, регенерації не можна назвати специфічними виключно для клітини, в якій протікає фотосинтез. Що таке «однорідне» протікання процесів, теж не скажеш, оскільки відмінність все ж існує - при відновному процесі використовується НАДФ * Н, а не НАД * Н.

приєднання СО₂ рібулозодіфосфат піддається каталізації, яку забезпечує рібулозодіфосфаткарбоксілаза. Продуктом реакції є 3-фосфогліцерат, який відновлюється за рахунок НАДФ * Н2 і АТФ до глицеральдегид-3-фосфату. Процес відновлення каталізується Гліцеральдегід-3-фосфат-дегідрогенази. Останній легко перетворюється в дігідроксіацетонфосфат. Відбувається утворення фруктозобісфосфата. Частина його молекул бере участь в регенеруючому процесі рібулозодіфосфат, замикаючи цикл, а друга частина експлуатується для створення запасів вуглеводів в клітинах фотосинтезу, тобто має місце фотосинтез вуглеводів.

Енергія світла необхідна для фосфорилювання і синтезу речовин органічного походження, а енергія окислення органічних речовин необхідна для окисного фосфорилювання. Саме тому рослинність забезпечує життя тваринам і іншим організмам, які відносяться до гетеротрофних.

Фотосинтез в клітці рослин відбувається саме таким чином. Його продуктом є вуглеводи, необхідні для створення вуглецевих скелетів безлічі речовин представників світу флори, які мають органічне походження.

Речовини азоторганіческого типу засвоюються в фотосинтезуючих організмах за рахунок відновлення нітратів неорганічних, а сірка - за рахунок відновлення сульфатів до сульфгідрильних груп амінокислот. Забезпечує утворення білків, нуклеїнових кислот, ліпідів, вуглеводів, кофакторов саме фотосинтез. Що таке «асорті» речовин життєво важливо для рослин, уже підкреслювалося, а ось про продукти вторинного синтезу, які є цінними лікарськими речовинами (флавоноїди, алкалоїди, терпени, поліфеноли, стероїди, оргкіслоти і інші), не було сказано ні слова. Отже, без перебільшення можна сказати, що фотосинтез - запорука життя рослин, тварин і людей.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!