Фотосинтез – процесс пластического и энергетического обменов

8 Обмен веществ и превращение энергии в клетке. фотосинтез. фотолиз воды.

• Обмен веществ — совокупность химических превращений, направленных на сохранение и самовоспроизведение биологических систем. Он включает в себя:
• поступление веществ в организм в процессе питания и дыхания,
• внутриклеточный обмен веществ, или метаболизм,
• выделение конечных продуктов обмена.
• Метаболизм складывается из двух одновременно протекающих в клетке процессов: пластического (фотосинтез, биосинтез белка) и энергетического обменов(дыхание, брожение).
• Фотосинтез

Фотосинтез — процесс, при котором в клетках, содержащих хлорофилл, под действием энергии света образуются органические вещества из неорганических. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород, как побочный продукт фотосинтеза.

Процессы фотосинтеза идут в тканях, содержащих хлоропласты, — в листе.

П роцесс фотосинтеза делиться на фазы:

1. Световая.

2. Темновая.

Световая фаза. Обязательное условие — участие энергии солнечного света!

Начало процессу задаёт свет. Он активирует хлорофилл (вещество, содержащееся в хлоропластах). А активированный хлорофилл разрушает молекулу воды на водород и кислород. Кислород выделяется в воздух.

Темновая фаза. Этот этап фотосинтеза называют темновым, потому что здесь все процессы идут без участия света.

1. На этом этапе в ходе множества химических реакций с участием углекислого газа и активных компонентов, полученных на первом этапе фотосинтеза, образуется органическое вещество (углевод) — сахар (глюкоза).
2. 
3. Фотолиз воды

Ф отолиз воды — процесс распада воды под действием солнечного света. Побочным продуктом распада воды является кислород, выделяющийся в атмосферу.

• Фотосинтез»
• Цель урока: изучить механизм и значение процесса фотосинтеза.
• Задачи:
• Образовательные:
• Расширить и углубить представление о воздушном питании растений,
• Раскрыть сущность процесса фотосинтеза,
• Подробно изучить химизм и механизм световой и темновой фаз фотосинтеза,
• Рассмотреть значение фотосинтеза в природе и жизни человека;
• Развивающие:
• Развивать умение извлекать информацию из текста и иллюстраций, выполнять анализ и сравнение, установление причинно-следственных связей,
• Формировать навык самостоятельной работы с текстом учебника,
• Продолжить работу по формированию научного мировоззрения на основании интегративного подхода к изучаемой проблеме;
• Воспитательные:
• Способствовать воспитанию любознательности, формированию познавательного интереса к изучаемой теме и предмету в целом,
• Осуществлять экологическое воспитание,
• Продемонстрировать возможность практического применения знаний для сохранения здоровья людей.
• Тип урока: комбинированный урок.
• ХОД УРОКА

I. Оргмомент (1 мин) Приветствие, проверка готовности к уроку, позитивный настрой на работу.

1. II. Проверка Д/З (3 мин)
2. (СЛАЙД №2) Учащимся по очереди предлагается найти определение следующих терминов из предложенного списка
3. Что такое метаболизм?

Анаболизм – это..

• Метаболизм – совокупность химических реакций в живой клетке, складывающихся из противоположных процессов пластического и энергетического обменов.
• Пластический обмен – (ассимиляция, анаболизм) – совокупность реакций, обеспечивающих синтез органических соединений в клетке (фотосинтез, биосинтез белков).
• Энергетический обмен – (диссимиляция, катаболизм) – совокупность реакций расщепления органических соединений, сопровождающихся выделением энергии.

Питание – процесс потребления энергии и веществ. Итак, по способу питания, т.е. по способу извлечения энергии и по источникам энергии организмы бывают автотрофами (греч. “аутос” – сам, “трофос” – питание) и гетеротрофами (греч. “гетерос” – различный).

Гетеротрофами называются организмы, не способные синтезировать органические соединения из неорганических, использующие в виде пищи (источника энергии) готовые органические соединения из окружающей среды. Это большинство бактерий, грибы, животные.

Автотрофами называются организмы, создающие из неорганических веществ окружающей среды (почвы, воды, воздуха) органические вещества с помощью энергии света или химической энергии минеральных веществ, используемые для построения их тела. Автотрофы – это некоторые бактерии и почти все растения.

III Мотивационно-ориентационный этап (4 мин)

Подведение к теме (формулирование эвристического вопроса на основании рассказа учителя об опыте учёного).

Учитель: Ребята, биологию вы изучаете с шестого класса и за это время научились объяснять суть многих процессов и явлений, происходящих в природе. Но давайте мысленно перенесёмся лет на четыреста назад, в 1600 год. Именно тогда бельгийский естествоиспытатель Ян Ван-Гельмонт решил узнать, благодаря чему растёт растение.

Для этого он поставил опыт: посадил побег ивы в кадку с землёй, предварительно взвесив побег и землю. В течение пяти лет он поливал растение чистой дождевой водой, не содержащей минеральных солей.

Взвесив иву, через пять лет, ученый обнаружил, что её вес увеличился на 65 килограммов, а вес земли в горшке уменьшился всего на 50 граммов.

IV Изучение нового материала (25 мин)

Условия необходимые для фотосинтеза. Место протекания процесса (5 мин)

Учитель: Знакомиться с процессом фотосинтеза вы начали ещё в начальной школе, а более подробно изучать – в курсе биологии шестого класса. Как вы тогда объясняли, что такое фотосинтез? (варианты ответов учащихся)

(СЛАЙД №5)

Фотосинтез – это процесс образования кислорода зелёными растениями на свету.

Фотосинтез – это образование на свету в листьях из углекислого газа и воды органических соединений (определение, данное в 70-е годы XIX столетия К.А. Тимирязевым).

Очень образно описал это явление русский ученый, физиолог растений – К.А. Тимирязев: “Дайте самому лучшему повару сколько угодно свежего воздуха, сколько угодно солнечного света и целую речку чистой воды и попросите, чтобы из всего этого он приготовил Вам сахар, крахмал, жиры и зерно, – он решит, что вы над ним смеетесь.

Но то, что кажется совершенно фантастическим человеку, беспрепятственно совершается в зеленых листьях растений”.

(Климент Аркадьевич – не первый, кто заинтересовался ролью зеленого листа, но он первый обобщил все данные о фотосинтезе, которые были известны в науке к началу XX века и сформулировал научное понятие этого процесса в книге “Жизнь растений”).

Задание: Рассмотрите имеющиеся иллюстрации опытов и их описание. Подумайте и ответьте на вопрос, что доказывает каждый из предложенных опытов? (СЛАЙДЫ №5,6)

1 Опыт Джозефа Пристли (с мышонком). Выделение растениями кислорода, необходимого для дыхания живых организмов.

2 Опыт с лучинкой. Зелёные растения выделяют кислород только на свету.

3 Опыт с окаймлённой геранью. Органические вещества образуются только при наличии хлорофилла.

4 Опыт со щёлочью под колпаком. Необходимость углекислого газа для фотосинтеза.

5 Опыт с надписью на листе герани. Образование крахмала в листьях на свету.

Учитель: Сделайте вывод, какие основные вещества необходимы для процесса фотосинтеза

При каких условиях возможно протекание процесса фотосинтеза? (Ответ: углекислый газ, вода, хлорофилл, свет).

Следовательно, мы можем предположить, что для протекания данного процесса необходимо наличие определенных веществ и условий.

А где же конкретно происходит процесс фотосинтеза? Для того, чтобы это определить составьте схему из предложенных изображений, которая будет отражать место протекания процесса фотосинтеза. (СЛАЙД №8)

Растение – лист –– клетки – пластиды (хлоропласты) – тилакоиды, содержащие пигмент хлорофилл.

Именно в этих маленьких структурах и происходит процесс фотосинтеза. А вспомните пожалуйста в чем особенности строения хлоропласта. (СЛАЙД №9)

6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2↑

Значение фотосинтеза (5 минут) (СЛАЙД №12)

Учитель: О фотосинтезе можно говорить не только на уроках биологии и химии. Если по-настоящему любить природу, можно описать этот процесс красивым литературным языком. V Закрепление. (5 минут) ( СЛАЙД 13 -19)

1. В качестве закрепления интерактивный тест.
2. VI Подведение итогов, оценивание учащихся ( 2 мин)
3. Учитель: Давайте вспомним тему нашего сегодняшнего урока и цель, которую мы с вами ставили в начале урока. ( ответы учащихся)

Как вы думаете достигли ли вы темы нашего сегодняшнего урока? Что узнали сегодня на уроке? (Ответы учащихся)

• VII Домашнее задание (30 сек) (СЛАЙД№20)
• Параграф 24, ответить на вопросы после параграфа, творческое задание, сделать рисунок объясняющий процесс фотосинтеза для учащихся 6 класса.
• Рефлексия (30 сек)

Что такое пластический и энергетический обмен: особенности протекания процесса у животных, растений и человека

При метаболизме происходят следующие процессы: пластический и энергетический обмен. При распаде сложных веществ получается энергия, которая необходима для построения и работы животного организма, человека. В биологии и анатомии рассматриваемые явления тесно взаимосвязаны между собой. С их помощью осуществляется рост тканей, сокращение мускулатуры, поддержка тепла.

Отличительные характеристики

Взаимосвязь между организмом и окружающей средой осуществляется через обмен веществ либо метаболизм. Чтобы обеспечить жизнедеятельность, необходимо постоянное поступление внутрь организма пищи, воздуха, неорганических и органических веществ. К последним элементам относятся:

• жиры;
• белки;
• соли;
• углеводы;
• кислород;
• витамины.

Их значение для человека и животных связано с проведением химических реакций.

Таблица: сравнительные характеристики энергетического и пластического обмена

Название процесса	Функции
Энергетический (катаболизм, окисление, диссимиляция)	Расщепляет органические компоненты, которые поступают из внешней среды либо образовались в ходе пластического обмена. В результате реакции выделяется энергия — молекулы АТФ (аденозинтрифосфата), которые синтезируют вещества.
Пластический (биосинтез, анаболизм, ассимиляция)	При синтезе специфических веществ органического класса затрачивается энергия. Полученные компоненты называются строительным материалом и энергетическим запасом.

Энергетический обмен (катаболизм) отличается от пластического тем, что направлен на получение энергии в результате расщепления сложных компонентов на простые. В обратном направлении происходит пластический процесс (анаболизм). Он связан с синтезом сложных веществ из простых. Для его проведения требуется энергия.

Кратко про этапы катаболизма:

• подготовительный;
• анаэробное брожение (гликолиз);
• дыхание на уровне клеток.

На первом этапе желудочный сок и ферменты расщепляют белки на аминокислоты, а липиды на глицерин и высшие кислоты. Из углеводов получаются простые структуры (моносахариды). Следующие 2 этапы осуществляются внутри организма. Для анаэробной реакции, в отличие от аэробной, кислород не нужен.

При гликолизе расщепляется глюкоза на простые компоненты, включая молочную кислоту и этиловый спирт. Процесс характеризуется выделением углекислого газа. Реакция протекает в специальных структурах клетки. Она сопровождается получением АТФ.

Реакция, при которой происходит распад моносахарида до этилового спирта, применяется бактериями, дрожжами. Если после процесса остается пировиноградная кислота, тогда он протекает в животных клетках. Свойства бактерий, которые можно направить на расщепление глюкозы до молочной кислоты, используются в пищевой промышленности.

Последняя стадия энергетического обмена протекает в митохондриях. Для нее характерно клеточное дыхание. Для выполнения реакции необходим кислород. При сжигании органических веществ вырабатываются природные катализаторы — ферменты. Другой процесс, который протекает в митохондриях — сжигание пировиноградной кислоты, что приводит к высвобождению энергии.

В результате пластического обмена образуются вещества, необходимые для построения клеток и организма. Для него характерны 3 разновидности:

• фотосинтез;
• хемосинтез;
• биосинтез.

Первое явление характерно для растений и бактерий фотосинтезирующей группы (автотрофы). Они способы для себя вырабатывать органические вещества из неорганических. Второй процесс протекает в бактериях и не требует кислород.

Организмы, которые выбирают хемосинтез, называются хемотрофами. Грибы и животные относятся к гетеротрофам. Существа получают органические компоненты из иных организмов.

Этапы фотосинтеза и хемосинтеза

Явление считается основой жизни на Земле. Растительные организмы забирают из атмосферы углекислый газ, отдавая кислород. В основе процесса находится образование глюкозы с кислородом из углекислого газа и воды. Фактор, обеспечивающий протекание реакции — наличие солнечной энергии.

При таком химическом воздействии из 6 молекул углекислого газа и воды образуются молекулы кислорода и глюкоза. Место проведения процесса — зеленые листья растений (хлоропласты). В состав органелл входит хлорофилл. Он обеспечивает фотосинтез, придавая листьям зеленый оттенок. Вокруг хлоропласта предусмотрены 2 мембраны, а в цитоплазме граны.

В микроорганизмах, железобактериях протекает пластический обмен — хемосинтез. Для него требуется энергия, которая получается при окислении некоторых компонентов. Вещество, окисляющее бактерии, является сероводородом.

Транскрипция и трансляция

При обмене белков наблюдается расщепление тех веществ, которые находились в пище, на аминокислоты. Их последних формируются личные белки. Для пластического обмена характерен и синтез белков, который включает в себя следующие процессы:

1. Транскрипция.
2. Трансляция.

В первом случае синтезируется информационная РНК путем комплементарности. Явление протекает в ядре в 3 стадиях: образование первого транскрипта, процессинг (обработка информации), сплайсинг (сращивание). При трансляции переносится зашифрованная информация о структуре белка на синтезирующийся полипептид.

Процесс протекает в цитоплазме клетки — рибосоме (органоид, отвечающий за синтез белков). Для органа характерна овальная форма, состоящая из 2 частей. Они соединяются под воздействием иРНК. Трансляция состоит из 4 этапов. Предварительно активируются аминокислоты под влиянием специального фермента. На первой стадии рибосома может выбрать АТФ.

На следующем этапе формируется аминоациладенилат. К транспортной РНК присоединяются активированные аминокислоты. На 3-й стадии аминокислоты с РНК соединяются с рибосомой.

На последнем этапе аминокислота входит в структуру белка, при этом высвобождается транспортная РНК. При воспалительных, инфекционных или онкологических реакциях нарушается работа всего организма, включая обменные процессы.

Для постановки диагноза проводятся лабораторные исследования.

Энергетический и пластический обмен. Фотосинтез

Термины, проверяемые в экзаменационной работе: автотрофные организмы,, анаболизм, анаэробный гликолиз, ассимиляция, аэробный гликолиз, биологическое окисление, брожение, диссимиляция, биосинтез, гетеротрофные организмы, дыхание, катаболизм, кислородный этап, метаболизм, пластический обмен, подготовительный этап, световая фаза фотосинтеза, темновая фаза фотосинтеза, фотолиз воды, фотосинтез, энергетический обмен.

Обмен веществ (метаболизм) – это совокупность взаимосвязанных процессов синтеза и расщепления химических веществ, происходящих в организме.

Биологи разделяют его на пластический (анаболизм) и энергетический обмены (катаболизм), которые связаны между собой. Все синтетические процессы нуждаются в веществах и энергии, поставляемых процессами расщепления.

Процессы расщепления катализируются ферментами, синтезирующимися в ходе пластического обмена, с использованием продуктов и энергии энергетического обмена.

• Для отдельных процессов, происходящих в организмах, используются следующие термины:
• Анаболизм (ассимиляция) – синтез более сложных мономеров из более простых с поглощением и накоплением энергии в виде химических связей в синтезированных веществах.
• Катаболизм (диссимиляция) – распад более сложных мономеров на более простые с освобождением энергии и ее запасанием в виде макроэргических связей АТФ.

Живые существа для своей жизнедеятельности используют световую и химическую энергию. Зеленые растения – автотрофы, – синтезируют органические соединения в процессе фотосинтеза, используя энергию солнечного света.

Источником углерода для них является углекислый газ. Многие автотрофные прокариоты добывают энергию в процессе хемосинтеза– окисления неорганических соединений. Для них источником энергии могут быть соединения серы, азота, углерода.

 Гетеротрофы используют органические источники углерода, т.е. питаются готовыми органическими веществами.

Среди растений могут встречаться те, которые питаются смешанным способом (миксотрофно) – росянка, венерина мухоловка или даже гетеротроф– но – раффлезия. Из представителей одноклеточных животных миксотрофами считаются эвглены зеленые.

Ферменты, их химическая природа, роль в метаболизме. Ферменты – это всегда специфические белки – катализаторы. Термин «специфические» означает, что объект, по отношению к которому этот термин употребляется, имеет неповторимые особенности, свойства, характеристики. Каждый фермент обладает такими особенностями, потому что, как правило, катализирует определенный вид реакций.

Ни одна биохимическая реакция в организме не происходит без участия ферментов. Особенности специфичности молекулы фермента объясняются ее строением и свойствами. В молекуле фермента есть активный центр, пространственная конфигурация которого соответствует пространственной конфигурации веществ, с которыми фермент взаимодействует.

Узнав свой субстрат, фермент взаимодействует с ним и ускоряет его превращение.

Ферментами катализируются все биохимические реакции. Без их участия скорость этих реакций уменьшилась бы в сотни тысяч раз. В качестве примеров можно привести такие реакции, как участие РНК – полимеразы в синтезе – и-РНК на ДНК, действие уреазы на мочевину, роль АТФ – синтетазы в синтезе АТФ и другие. Обратите внимание на то, что названия многих ферментов оканчиваются на «аза».

Активность ферментов зависит от температуры, кислотности среды, количества субстрата, с которым он взаимодействует. При повышении температуры активность ферментов увеличивается. Однако происходит это до определенных пределов, т.к. при достаточно высоких температурах белок денатурируется.

Среда, в которой могут функционировать ферменты, для каждой группы различна. Есть ферменты, которые активны в кислой или слабокислой среде или в щелочной или слабощелочной среде. В кислой среде активны ферменты желудочного сока у млекопитающих. В слабощелочной среде активны ферменты кишечного сока.

Пищеварительный фермент поджелудочной железы активен в щелочной среде. Большинство же ферментов активны в нейтральной среде.

Энергетический обмен – это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ. Процессы расщепления органических соединений у аэробных организмов происходят в три этапа, каждый из которых сопровождается несколькими ферментативными реакциями.

Первый этап – подготовительный. В желудочно-кишечном тракте многоклеточных организмов он осуществляется пищеварительными ферментами. У одноклеточных – ферментами лизосом.

На первом этапе происходит расщепление белков до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, полисахаридов до моносахаридов, нуклеиновых кислот до нуклеотидов.

 Этот процесс называется пищеварением.

Второй этап – бескислородный (гликолиз). Его биологический смысл заключается в начале постепенного расщепления и окисления глюкозы с накоплением энергии в виде 2 молекул АТФ. Гликолиз происходит в цитоплазме клеток.

Он состоит из нескольких последовательных реакций превращения молекулы глюкозы в две молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) и две молекулы АТФ, в виде которой запасается часть энергии, выделившейся при гликолизе: С6Н12O6 + 2АДФ + 2Ф → 2С3Н4O3 + 2АТФ.

Остальная энергия рассеивается в виде тепла.

В клетках дрожжей и растений (при недостатке кислорода) пируват распадается на этиловый спирт и углекислый газ. Этот процесс называется спиртовым брожением.

Энергии, накопленной при гликолизе, слишком мало для организмов, использующих кислород для своего дыхания. Вот почему в мышцах животных, в том числе и у человека, при больших нагрузках и нехватке кислорода образуется молочная кислота (С3Н6O3), которая накапливается в виде лактата. Появляется боль в мышцах. У нетренированных людей это происходит быстрее, чем у людей тренированных.

Третий этап – кислородный, состоящий из двух последовательных процессов – цикла Кребса, названного по имени Нобелевского лауреата Ганса Кребса, и окислительного фосфорилирования.

Его смысл заключается в том, что при кислородном дыхании пируват окисляется до окончательных продуктов – углекислого газа и воды, а энергия, выделяющаяся при окислении, запасается в виде 36 молекул АТФ. (34 молекулы в цикле Кребса и 2 молекулы в ходе окислительного фосфорилирования).

Эта энергия распада органических соединений обеспечивает реакции их синтеза в пластическом обмене. Кислородный этап возник после накопления в атмосфере достаточного количества молекулярного кислорода и появления аэробных организмов.

Окислительное фосфорилирование или клеточное дыхание происходит, на внутренних мембранах митохондрий, в которые встроены молекулы-переносчики электронов.

В ходе этой стадии освобождается большая часть метаболической энергии. Молекулы-переносчики транспортируют электроны к молекулярному кислороду.

Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть расходуется на образование АТФ.

1. Суммарная реакция энергетического обмена:
2. С6Н12O6 + 6O2 → 6СO2 + 6Н2O + 38АТФ.
3. А1. Способ питания хищных животных называется
4. 1) автотрофным 3) гетеротрофным
5. 2) миксотрофным 4) хемотрофным
6. А2. Совокупность реакций обмена веществ называется:
7. 1) анаболизм 3) диссимиляция
8. 2) ассимиляция 4) метаболизм
9. А3. На подготовительном этапе энергетического обмена происходит образование:
10. 1) 2 молекул АТФ и глюкозы
11. 2) 36 молекул АТФ и молочной кислоты
12. 3) аминокислот, глюкозы, жирных кислот
13. 4) уксусной кислоты и спирта
14. А4. Вещества, катализирующие биохимические реакции в организме, – это:
15. 1) белки 3) липиды
16. 2) нуклеиновые кислоты 4) углеводы
17. А5. Процесс синтеза АТФ в ходе окислительного фосфорилирования происходит в:
18. 1) цитоплазме 3) митохондриях
19. 2) рибосомах 4) аппарате Гольджи
20. А6. Энергия АТФ, запасенная в процессе энергетического обмена, частично используется для реакций:
21. 1) подготовительного этапа
22. 2) гликолиза
23. 3) кислородного этапа
24. 4) синтеза органических соединений
25. А7. Продуктами гликолиза являются:
26. 1) глюкоза и АТФ
27. 2) углекислый газ и вода
28. 3) пировиноградная кислота и АТФ
29. 4) белки, жиры, углеводы
30. В1. Выберите события, происходящие на подготовительном этапе энергетического обмена у человека
31. 1) белки распадаются до аминокислот
32. 2) глюкоза расщепляется до углекислого газа и воды
33. 3) синтезируются 2 молекулы АТФ
34. 4) гликоген расщепляется до глюкозы
35. 5) образуется молочная кислота
36. 6) липиды расщепляются до глицерина и жирных кислот
37. ВЗ. Определите последовательность превращений куска сырого картофеля в процессе энергетического обмена в организме свиньи:
38. А) образование пирувата
39. Б) образование глюкозы
40. В) всасывание глюкозы в кровь
41. Г) образование углекислого газа и воды
42. Д) окислительное фосфорилирование и образование Н2О
43. Е) цикл Кребса и образование СО2
44. Часть С

С1. Объясните причины утомляемости спортсменов-марафонцев на дистанциях, и как она преодолевается?

ответы Энергетический и пластический обмен. Часть А. А1 – 3. А2 – 4. А3 – 3. А4 – 1. А5 – 3. А6 – 4. А7 – 3.

Часть В. В1 – 1, 4, 6. В2. А – 1; Б – 1; В – 2; Г– 1; Д – 2; Е – 2. ВЗ. Б, В, А, Е, Д, Г.

Часть С. С1 1) На дистанциях у спортсменов возникает нехватка кислорода. 2) Начинает накапливаться молочная кислота в мышцах, что вызывает их усталость. 3) Спортсмен начинает чаще дышать, учащается сердцебиение. Кислорода поступает больше, и молочная кислота расщепляется до конечных продуктов распада быстрее.

                                 Фотосинтез и хемосинтез

Все живые существа нуждаются в пище и питательных веществах. Питаясь, они используют энергию, запасенную, прежде всего, в органических соединениях – белках, жирах, углеводах. Гетеротрофные организмы, как уже говорилось, используют пищу растительного и животного происхождения, уже содержащую органические соединения.

Растения же создают органические вещества в процессе фотосинтеза. Исследования в области фотосинтеза начались в 1630 г. экспериментами голландца ван Гельмонта. Он доказал, что растения получают органические вещества не из почвы, а создают их самостоятельно. Джозеф Пристли в 1771 г. доказал «исправление» воздуха растениями.

Помещенные под стеклянный колпак они поглощали углекислый газ, выделяемый тлеющей лучиной.

Исследования продолжались, и в настоящее время установлено, что фотосинтез – это процесс образования органических соединений из диоксида углерода (СО2) и воды с использованием энергии света и проходящий в хлоропластах зеленых растений и зеленых пигментах некоторых фотосинтезирующих бактерий.

Хлоропласты и складки цитоплазматической мембраны прокариот содержат зеленый пигмент – хлорофилл. Молекула хлорофилла способна возбуждаться под действием солнечного света и отдавать свои электроны и перемещать их на более высокие энергетические уровни.

Этот процесс можно сравнить с подброшенным вверх мячом. Поднимаясь, мяч запасается потенциальной энергией; падая, он теряет ее. Электроны не падают обратно, а подхватываются переносчиками электронов (НАДФ+ – никотинамиддифосфат).

При этом энергия, накопленная ими ранее, частично расходуется на образование АТФ. Продолжая сравнение с подброшенным мячом, можно сказать, что мяч, падая, нагревает окружающее пространство, а часть энергии падающих электронов запасается в виде АТФ.

Процесс фотосинтеза подразделяется на реакции, вызываемые светом, и реакции, связанные с фиксацией углерода. Их называют световой и темновой фазами.

«Световая фаза» – это этап, на котором энергия света, поглощенная хлорофиллом, преобразуется в электрохимическую энергию в цепи переноса электронов. Осуществляется на свету, в мембранах гран при участии белков – переносчиков и АТФ-синтетазы.

• Реакции, вызываемые светом, происходят на фотосинтетических мембранах гран хлоропластов:
• 1) возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;
• 2) восстановление акцепторов электронов – НАДФ+ до НАДФ • Н
• 2Н+ + 4е- + НАДФ+ → НАДФ • Н;
• 3) фотолиз воды, происходящий при участии квантов света: 2Н2О → 4Н+ + 4е- + О2.

Данный процесс происходит внутри тилакоидов – складках внутренней мембраны хлоропластов. Из тилакоидов формируются граны – стопки мембран.

Так как в экзаменационных работах спрашивают не о механизмах фотосинтеза, а о результатах этого процесса, то мы и перейдем к ним.

Результатами световых реакций являются: фотолиз воды с образованием свободного кислорода, синтез АТФ, восстановление НАДФ+ до НАДФ • Н. Таким образом свет нужен только для синтеза АТФ и НАДФ-Н.

«Темновая фаза» – процесс преобразования СО2 в глюкозу в строме (пространстве между гранами) хлоропластов с использованием энергии АТФ и НАДФ • Н.

Результатом темновых реакций являются превращения углекислого газа в глюкозу, а затем в крахмал. Помимо молекул глюкозы в строме происходит образование, аминокислот, нуклеотидов, спиртов.

1. Значение фотосинтеза. В процессе фотосинтеза образуется свободный кислород, который необходим для дыхания организмов:
2. кислородом образован защитный озоновый экран, предохраняющий организмы от вредного воздействия ультрафиолетового излучения;
3. фотосинтез обеспечивает производство исходных органических веществ, а следовательно, пищу для всех живых существ;
4. фотосинтез способствует снижению концентрации диоксида углерода в атмосфере.
5. Хемосинтез – образование органических соединений из неорганических за счет энергии окислительно-восстановительных реакций соединений азота, железа, серы. Существует несколько видов хемосинтетических реакций:
6. 1) окисление аммиака до азотистой и азотной кислоты нитрифицирующими бактериями:
7. NH3 → HNQ2 → HNO3 + Q;
8. 2)превращение двухвалентного железа в трехвалентное железобактериями:
9. Fe2+ → Fe3+ + Q;
10. 3)окисление сероводорода до серы или серной кислоты серобактериями
11. H2S + O2 = 2H2O + 2S + Q,
12. H2S + O2 = 2H2SO4 + Q.
13. Выделяемая энергия используется для синтеза органических веществ.

Роль хемосинтеза. Бактерии – хемосинтетики, разрушают горные породы, очищают сточные воды, участвуют в образовании полезных ископаемых.

А1. Фотосинтез – это процесс, происходящий в зеленых растениях. Он связан с:

• 1) расщеплением органических веществ до неорганических
• 2) созданием органических веществ из неорганических
• 3) химическим превращения глюкозы в крахмал
• 4) образованием целлюлозы
• А2. Исходным материалом для фотосинтеза служат
• 1) белки и углеводы 3) кислород и АТФ
• 2) углекислый газ и вода 4) глюкоза и кислород
• А3. Световая фаза фотосинтеза происходит
• 1) в гранах хлоропластов 3) в строме хлоропластов
• 2) в лейкопластах 4) в митохондриях
• А4. Энергия возбужденных электронов в световой стадии используется для:
• 1) синтеза АТФ 3) синтеза белков
• 2) синтеза глюкозы 4) расщепления углеводов
• А5. В результате фотосинтеза в хлоропластах образуются:
• 1) углекислый газ и кислород
• 2) глюкоза, АТФ и кислород
• 3) белки, жиры, углеводы
• 4) углекислый газ, АТФ и вода
• А6. К хемотрофным организмам относятся
• 1) возбудители туберкулеза
• 2) молочнокислые бактерии
• 3) серобактерии
• 4) вирусы
• В1. Выберите процессы, происходящие в световой фазе фотосинтеза
• 1) фотолиз воды
• 2) образование глюкозы
• 3) синтез АТФ и НАДФ • Н
• 4) использование СО2
• 5) образование свободного кислорода
• 6) использование энергии АТФ
• В2. Выберите вещества, участвующие в процессе фотосинтеза
• целлюлоза 4) углекислый газ
• гликоген 5) вода
• хлорофилл 6) нуклеиновые кислоты

С1. Какие условия необходимы для начала процесса фотосинтеза?

С2. Как строение листа обеспечивает его фотосинтезирующие функции?

Ответы Фотосинтез и хемосинтез.Часть А. А1 – 2. А2 – 2. А3 – 1. А4 – 1. А5 – 2. А6 – 3.

Часть В. В1 – 1, 3, 5. В2 – 3, 4, 5.

Часть С. С1 В растение должны поступать вода, углекислый газ и энергия солнечного света. Кроме того, в листьях должен присутствовать НАДФ, который начнет принимать возбужденные электроны молекулы хлорофилла.

С2 Широкая и плоская поверхность большинства листьев позволяет максимально эффективно улавливать свет. Наличие устьиц обеспечивает газообмен. Проводящие сосуды – жилки, обеспечивают доставку воды. Мякоть листа состоит из фотосинтезирующей ткани, клетки которой богаты хлорофиллом.

Особенности пластического и энергетического обменов растительной клетки. Фотосинтез

Хлоропласты – это утолщенные овальные или круглые образования, расположенные в цитоплазме растительной клетки. В каждой клетке находится 40-50 хлоропластов.

Они покрыты двойной мембраной, а внутри них размещаются плоские мешочки – тилакоиды. В тилакоидах находятся хлорофиллы, переносчики электронов и ферменты, участвующие в световой фазе фотосинтеза, а также АДФ, АТФ, НАДФ+ и НАДФ-Н.

Десятки тилакоидов плотно уложены в стопки, которые называются гранами.

Во внутреннем пространстве между гранами – в строме – размещаются ферменты, участвующие в восстановлении СО2 до глюкозы за счет энергии продуктов световой фазы фотосинтеза – АТФ и НАДФ-Н. Хлоропласты имеют свой собственный генетический аппарат – молекулы ДНК – и автономно воспроизводятся внутри клеток.

Под воздействием солнечного света растения сине-зеленые бактерии и водоросли способны синтезировать органические вещества – углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты.

Биосинтез, происходящий при использовании световой энергии, называют фотосинтезом. Организмы, способные к фотосинтезу, называют фотоавтотрофами.

А человек, животные и грибы неспособны синтезировать органические вещества из неорганических соединений, их называют гетеротрофами.

Фотосинтез. Преобразование энергии света в энергию химических связей

Поток солнечных лучей несет волны света разной длины. Растения с помощью молекулы хлорофилла поглощают волны света красной и синей частей спектра. Волны света зеленой части спектра хлорофилл пропускает не задерживая, и поэтому у растений зеленый цвет.

С помощью энергии света электрон в составе хлорофилла переносится на более высокий энергетический уровень. Далее этот высокоэнергетический электрон, как по ступенькам, перескакивает по цепи переносчиков электронов, теряя энергию.

Энергия электронов при этом расходуется на «зарядку» своего рода биологических «аккумуляторов» – АТФ. При передаче электроном своей энергии к АДФ присоединяется еще один фосфат: АДФ + Ф → АТФ.

При расщеплении АТФ ферментом аденозинтрифосфатазой (АТФазой) концевой фосфат отщепляется и освобождается энергия:

В растительной клетке АТФ используется для транспорта воды и солей, для деления клеток, роста и движения, для синтеза в растениях молекул глюкозы, крахмала, целлюлозы и иных органических соединений. Однако для синтеза в растениях органических веществ необходим еще один биологический «аккумулятор», запасающий энергию света НАДФ-Н.

Потерявшая энергию окисленная форма этого соединения представляет собой НАДФ+ («над-эф-плюс»). Теряя один атом водорода и один электрон, НАДФ-Н превращается в НАДФ+ и восстанавливает углекислый газ (при участии молекул воды) до глюкозы С6Н1206; недостающие протоны (Н+) берутся из водной среды.

Этот процесс можно записать в виде химического уравнения:

Однако при смешивании углекислого газа и воды глюкоза не образуется. Для этого нужна не только НАДФ-Н, но и энергия АТФ и соединение, связывающее СО2, которое используется на этапах синтеза глюкозы, а также ряд ферментов – биологических катализаторов этого процесса.

Фотолиз воды. Энергия света расходуется также на расщепление молекулы воды – фотолиз (реакция Роберта Хилла). При этом образуются протоны (Н+), электроны и свободный кислород:

Электроны, образующиеся при фотолизе, восполняют потери их хлорофиллом. Часть электронов при участии протонов восстанавливает НАДФ+ до НАДФ-Н. Кислород – побочный продукт этой реакции.

Когда растения используют энергию солнечного света, кислород им не нужен. Однако в отсутствие солнечного освещения растения становятся аэробами.

В ночной темноте они потребляют кислород и окисляют запасенные днем глюкозу, фруктозу, крахмал и другие соединения, уподобляясь в этом животным.

Световая и темновая фазы фотосинтеза. В процессе фотосинтеза различают световую и темновую фазы.

В световой фазе энергия света преобразуется в энергию химических связей АТФ и НАДФ-Н, и происходит фотолиз воды.

В темновой фазе с участием АТФ и НАДФ происходит восстановление CO2 до глюкозы (C6H12O6). Хотя свет не требуется для осуществления данного процесса, он участвует в его регуляции.

Конспект занятия по биологии на тему "Пластический обмен. Фотосинтез, хемосинтез."

ФОТОСИНТЕЗ. ХЕМОСИНТЕЗ.

ФОТОСИНТЕЗ — это совокупность процессов синтеза органических соединений из неорганических с использованием энергии солнечного света.

К ФОТОСИНТЕЗУ СПОСОБНЫ зелёные растения, цианобактерии, пурпурные и зелёные серобактерии, растительные жгутиковые.

Фотосинтез происходит в хлоропластах на ТИЛАКОИДАХ. На мембранах тилакоидов имеются частицы (реакционные центры) двух типов – ФС-1, ФС-2.

В частицах находится хлорофилл и другие пигменты, ферменты и переносчики электронов – белки – цитохромы. ●ХЛОРОФИЛЛЫ.

По структуре они похожи на гем гемоглобина, но вместо железа содержат магний.

Хлорофилл аI поглощает свет длиной волны 700 нм и является основнымпигментом.Хлорофилл а Il поглощает свет длиной волны 680 нм.

Хлорофилл bвстречается у зелёных растений. Хлорофилл с— у диатомовых и бурых водорослей. Хлорофилл d – у красных водорослей. Бактерии имеют особые бактериохлорофиллы.

ФОТОСИНТЕЗ БАКТЕРИЙ отличаетсяот фотосинтеза растений тем, что: • у бактерий донором водорода является сероводород, а у растений — вода. Бактериальный фотосинтез НЕ СОПРОВОЖДАЕТСЯ ВЫДЕЛЕНИЕМ О2. У бактерий есть только фотосистема 1 и имеет место циклическое фосфорилирование.

• СУМАРНОЕ УРАВНЕНИЕ БАКТЕРИАЛЬНОГО ФОТОСИНТЕЗА:
• 6СО2+ 12Н2S → С6Н12О6 + 12S + 6Н2О.
• ● Фотосинтез можно подразделить на две фазы: световая и темновая
• ►СВЕТОВАЯ ФАЗА ФОТОСИНТЕЗА.
• ● У РАСТЕНИЙ И ЦИАНОБАКТЕРИЙ, имеющих ФС– 1 и ФС– 2, имеет место нециклическое фосфорилирование .
• Квант света выбивает электроны из хлорофилла ФС – 1 и ФС – 2.
• ► ФОТОСИСТЕМА I.
• Возбуждённая молекула а700 отдаёт электрон по цепи переносчиков коферменту НАДФ, который восстанавливается до НАДФ ∙ Н2. Молекула а700 окисляется и превращается в а 700+:
• свет _
• хлорофилл а 700 →хлорофилл а700+ + ē
• ► ФОТОСИСТЕМА II.

Электрон из молекулы хлорофилла а680 по системе переносчиков переходит в фотосистему I и восстанавливает молекулу а700+. При этом происходит образование АТФ. Молекула а700 становится вновь способной поглощать свет.

Молекула хлорофилла а680восстанавливается за счёт электронов, отщепляемых от молекулы воды в процессе фотолиза.

Молекулы воды расщепляются на протоны водорода и молекулярный кислород, который выделяется в атмосферу. Электроны используются для восстановления хлорофилла а680+.

●УРАВНЕНИЕ ФОТОЛИЗА ВОДЫ:

1. 2Н2О → 4Н+ + О2 ↑ + 4ē.
2. Протоны взаимодействуют с молекулой НАДФ, образуя комплекс НАДФ ▪Н2
3. Во время световой фазы фотосинтеза образуются богатые энергией соединения: АТФ и НАДФ∙Н2, которые используются в темновой фазе для синтеза органических веществ.
4. ● ОБЩЕЕ УРАВНЕНИЕ НЕЦИКЛИЧЕСКОГО ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ:
5. Н2О + НАДФ + 2АДФ + 2Ф → 1/2О2 + НАДФ∙Н2 + 2АТФ.
6. ► ТЕМНОВАЯ ФАЗА ФОТОСИНТЕЗА.

Протекает во внутренней среде хлоропластов как на свету, так и без него. В результате СО2 восстанавливается до органических веществ, за счёт использования энергии АТФ и НАДФ∙Н2 накопленных в световую фазу. Существуют разные пути восстановления. Основным из них является ЦИКЛ КАЛЬВИНА.

• ● ОБЩЕЕ УРАВНЕНИЕ ТЕМНОВОЙ ФАЗЫ:
• 6СО2 + 12НАДФ∙Н2 + 18АТФ →С6Н12Об + 12НАДФ + 18АДФ + 18Ф + 6Н2О.
• На скорость фотосинтеза оказывают влияни: интенсивность света, наличие влаги, минеральных веществ, температура, концентрация СО2, и др.
• ● ОБЩЕЕ УРАВНЕНИЕ ФОТОСИНТЕЗА: 6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2.

В синтезированное орг. Вещ-во переводится лишь 1-2 % солнечной энергии.

ХЕМОСИНТЕЗ.

● ХЕМОСИНТЕЗ— это совокупность реакций синтеза органических веществ из неорганических с использованием энергии, выделяющейся при окислении неорганических соединений (сероводорода, серы, азотистой кислоты, оксидных соединений железа и марганца). Хемосинтез открыл ВИНОГРАДСКИЙ в 1887 г. ●ХЕМОСИНТЕЗИРУЮЩИЕ ОРГАНИЗМЫ:

► НИТРИФИЦИРУЮЩИЕ БАКТЕРИИокисляют образующийся при гниении органических в-в NH3 до нитрита и нитрата (нитрозомонас, нитробактер).

В водоёмах, вода которых содержит Н2S, живут ► БЕСЦВЕТНЫЕ СЕРОБАКТЕРИИ. Они окисляют сероводород и накапливаютв своих клеткахсеру.

► ЖЕЛЕЗОБАКТЕРИИпереводят железо Fе2+ в железо Fе3+, участвуя в круговороте железа в природе. ►ВОДОРОДНЫЕ БАКТЕРИИ используют в качестве источника энергии реакции окисления молекулярного водорода до воды.

Энергия, выделяемая при окислении указанных выше соединений, используется бактериями-хемосинтетиками для восстановления СО2, до органических веществ.