9 клас Біологія ІУ Фотосинтез (урок 2 частина 3)

Фотосинтез

Фотосинтез — процес утворення органічних речовин за участі неорганічних із використанням енергії світла (див. рис.).

Найбільш відомим різновидом фотосинтезу є оксигенний. Його здійснюють ціанобактерії та зелені рослини, які для поглинання світла використовують хлорофіл. Під час фотосинтезу з молекул води й вуглекислого газу утворюються молекули глюкози і як побічний продукт виділяється кисень.

Інший різновид фотосинтезу — аноксигенний — здійснюють деякі прокаріоти, зокрема пурпурові бактерії. Для поглинання світла вони використовують бактеріохлорофіл, а як побічний продукт виділяється сірка або деякі сполуки Сульфуру чи інших елементів.

У ціанобактерій фотосинтез відбувається в цитоплазмі, а в зелених рослин — у хлоропластах. Це не дивно, адже хлоропласти — це ціанобактерії, які колись були поглинуті клітинами зелених рослин. Під час фотосинтезу 6 молекул води та 6 молекул вуглекислого газу перетворюються на 1 молекулу глюкози й 6 молекул кисню. Фотосинтез складається з двох фаз: світлової (протікає на мембранах тилакоїдів) і темнової (протікає в стромі хлоропластів).

У світловій фазі фотосинтезу молекули хлорофілу вловлюють енергію світла (фотони) і втрачають електрони, які хлорофіл відновлює під час фотолізу * води, використовуючи електрони атомів Гідрогену. Утворені внаслідок фотолізу йони Гідрогену Н+ сполучаються з молекулами-переносниками, а частина енергії світла використовується для синтезу АТФ. Атоми Оксигену з’єднуються в молекули кисню, що виводяться з клітини. Отже, продуктами світлової фази фотосинтезу є АТФ, йони Гідрогену, приєднані до молекул-переносників, та молекулярний кисень.

Темнова фаза фотосинтезу не пов’язана з використанням світла. У темновій фазі йони Гідрогену, молекули СО₂ та молекули АТФ, які утворилися під час світлової фази, використовуються для синтезу молекул глюкози в реакціях циклу Кальвіна. Для здійснення цих реакцій потрібна енергія, що надходить у вигляді молекул АТФ, утворених у світловій фазі.

Продуктами темнової фази фотосинтезу є молекули глюкози, молекули-переносники без йонів Гідрогену та молекули АДФ, утворені з АТФ під час вивільнення енергії.

Важливу функцію в циклі Кальвіна виконують тріози — молекули моносахаридів, які містять три атоми Карбону. Тому такий тип фотосинтезу називають С₃-фотосинтезом. До групи рослин із С₃-фотосинтезом належать пшениця, рис, овес, цукровий буряк тощо. Ці організми здатні засвоювати 30–50 мг вуглекислого газу за годину.

Окрім С₃-фотосинтезу, розрізняють також С₄-фотосинтез та САМ-метаболізм. Обидва процеси виникли у зв’язку з пристосуванням рослин до спекотних та посушливих умов існування. Їхнє основне призначення — зберігати воду під час здійснення фотосинтезу. Для того щоб фотосинтез відбувався, вуглекислий газ має постійно надходити через відкриті продихи клітин рослини, що в посушливих умовах призводить до надмірного випаровування води.

У разі С4-фотосинтезу світлова й темнова фази розділені в просторі. Темнову фазу здійснюють не всі клітини, а лише ті, що зосереджені біля жилок листків. Тому вдень продихи забезпечують надходження повітря тільки до незначної частини клітин. До групи рослин із С4-фотосинтезом належать кукурудза, молочай, просо, щириця тощо.

Організмами із САМ-метаболізмом є рослини з родин Товстянкові й Кактусові (наприклад, опунція). Буквальний переклад цього скорочення — «метаболізм за типом товстянкових». САМ-рослини не можуть забезпечити високу продуктивність, оскільки повільно ростуть і не здатні конкурувати з групами рослин із С3- та С4-фотосинтезом. Для САМ-метаболізму також характерне розділення світлової і темнової фаз, але не в просторі, а в часі. Світлова фаза відбувається вдень, а темнова — уночі. Продукти світлової фази накопичуються протягом дня, а вночі використовуються для синтезу глюкози

* Фотоліз — руйнування молекул під дією світла.

https://www.youtube.com/watch?v=xrybcmLkBYw&t=2s

Ознайомся з особливостями фотосинтезу, переглянувши відео Фотосинтез (11 хвилин)

ПЛАСТИЧНИЙ ОБМІН. ФОТОСИНТЕЗ. ХЕМОСИНТЕЗ

Фотосинтез – процес утворення органічних сполук із неорганічних за рахунок світлової енергії. Це надзвичайно складний процес, що включає довгу послідовність біохімічних реакцій. Основними умовами проходження фотосинтезу є наявність хлорофілу, енергії світла, вуглекислого газу та води.

6СO2 + 6Н2O → С6Н12O6 + 6O2↑

Фотосинтез відбувається у рослин, багатьох бактерій, деяких архей і найпростіших, тобто в організмів, відомих як фотоавтотрофи. Фотосинтез у рослин здійснюється в хлоропластах, розташованих у клітинах слані (водорості) або органів – плодів, стебел, бруньок, листків (у вищих рослин). Світло для фотосинтезу вловлюється хлорофілом, вода доставляється через поверхню тіла або з кореня розвиненою мережею судин, вуглекислий газ надходить через продихи та через покриви шляхом дифузії. Ціанобактерії та інші фотосинтезуючі прокаріоти для здійснення фотосинтезу мають у своїх клітинах різні складчасті структури з фотосинтезуючими пігментами, як то внутрішні впинання мембран, фотомембрани. В основі фотосинтезу лежить окиснювально-відновний процес перенесення електронів від сполук-донорів до сполук-акцепторів.

У процесі фотосинтезу виділяють світлову і темнову фази.

Світлова фаза – сукупність процесів, які забезпечують утворення молекулярного кисню, атомарного водню та А ТФ за рахунок світлової енергії. Світлова стадія фотосинтезу відбувається на тилакоїдах хлоропластів за участю світла. Ця стадія розпочинається з моменту поглинання квантів світла молекулою хлорофілу. При цьому електрони атома Магнію у молекулі хлорофілу переходять на вищий енергетичний рівень, нагромаджуючи потенціальну енергію. Частина електронів зразу ж повертається на своє попереднє місце, а енергія, що виділяється при цьому, випромінюється у вигляді тепла. Але значна частина збуджених електронів з високим рівнем енергії передає її іншим хімічним сполукам для фотохімічної роботи, яка здійснюється за кількома основними напрямками: а) перетворення енергії електронів на енергію АТФ, що називається фотофосфорилюванням; б) відновлення універсального біологічного переносника водню НАДФ+ до НАДФ•Н2. Під безпосереднім впливом світла відбувається процес розкладу води – фотоліз. При цьому утворюються електрони (e-), протони (Н+) і, як побічний продукт, молекулярний кисень. Протони Гідрогену Н+, приєднуючи електрони з високим енергетичним рівнем, перетворюються на атомарний водень, який використовується в реакціях відновлення НАДФ.

Отже, основними реакціями світлової фази є: 1) фотоліз води (розщеплення води за участю світла); 2) відновлення НАДФ (приєднання до сполуки- переносника молекул водню); 3) фотофосфорилювання (приєднання залишку фосфорної кислоти до АДФ за рахунок енергії світла). У результаті реакцій світлової фази утворюються такі продукти, як атомарний водень, молекулярний кисень і АТФ.

Ланцюг перенесення електронів під час світлової фази фотосинтезу: 1 - мембрана тилакоїда; 2 - внутрішній простір тилакоїда; 3 - завдяки фотолізу води звільняються електрони, які відновлюють фотосистему II; 4 - фотосистема II; 5 - реакційний центр фотосистеми II; 6 -ланцюг перенесення електронів; 7 - енергія, що звільнилася, частково використовується на синтез молекул АТФ; 8 - фотосистема І; 9 - реакційний центр фотосистеми І; 10 - відновлення НАДФ; 11 - квант світла, що потрапляє на фотосистему II; 12 - квант світла, що потрапляє на фотосистему І

Темнова фаза – сукупність процесів, які забезпечують відновлення СO2 до глюкози завдяки енергії АТФ та за рахунок водню від НАДФ.Основою даних перетворень є циклічні реакції (цикл фіксації вуглекислого газу). Цей процес вперше вивчив американський біохімік М. Кальвін, іменем якого й названо це явище – цикл Кальвіна. Цикл Кальвіна, або С3-фотосинтез, включає три стадії: карбоксилювання, відновлення і регенерацію.

I. Карбоксилювання – це сукупність реакцій, які забезпечують приєднання вуглекислого газу до пентоз. Реакція відбувається за участю ферментів-карбоксилаз:

• до пентоз (рибулозобіфосфатів) приєднується СО2 з утворенням нестійких гексоз;

• гексози одразу розщеплюються на дві тріози (фосфогліцерати, або фосфогліцеринові кислоти): С5 → С6 → 2С3.

II. Відновлення тріоз – це сукупність реакцій, які забезпечують видалення Оксигену (або приєднання Гідрогену, тобто відновлення) з продуктів карбоксилювання за участю НАДФ • Н2 та енергії АТФ:

•кожна з тріоз приєднує по одній фосфатній групі від 2АТФ, що збагачує молекули енергією (утворюються дифосфогліцерати);

• збагачені енергією тріози приєднують по одному атому водню від НАДФ • Н2 (утворюються гліцеральдегіди, або фосфогліцеринові альдегіди).

III. Регенерація акцепторів – це сукупність реакцій, які забезпечують відновлення рибулозобіфосфатів, які є акцепторами молекул вуглекислого газу:

• частина тріоз (фосфогліцеринових альдегідів) поєднується, утворюючи вуглеводи-гексози, а потім й інші органічні речовини (амінокислоти, нуклеотиди, органічні кислоти та ін.);

• інша частина утворює пентози (рибульозобіфосфати), які знову включаються в цикл Кальвіна.

Отже, в темновій фазі з вуглекислого газу повітря, гідрогену від НАДФ за рахунок енергії АТФ утворюються глюкоза та інші органічні сполуки.