Световая фаза фотосинтеза, биология

Фотосинтез (от др.-греч. photo (свет) + synthese (соединение)) — это процесс, используемый зелёными растениями, водорослями и некоторыми бактериями, при котором они, используя энергию солнца и хлорофилла, превращают углекислый газ, воду и некоторые неорганические соли в химическую энергию (углеводы).

Фотосинтез — один из жизненно важных процессов на Земле. Он выполняет ключевую функцию, когда 1) производит энергию, которая накапливается в растениях, 2) поставляет кислород в атмосферу.

Причины, по которым фотосинтез важен:

это самый главный источник кислорода в атмосфере;
он прямо или косвенно влияет на бóльшую часть жизни на Земле;
служит основным энергетическим процессом для большинства деревьев и растений;
способствует симбиотическим отношениям между растениями, людьми и животными (когда виды удачно дополняют друг друга);
способствует углеродному циклу между землёй, океанами, растениями и животными (углерод переносится циклически, процесс, который крайне важен для поддержания жизни на Земле).

Как происходит фотосинтез

Для “приготовления своей пищи” растениям нужны углекислый газ, вода и солнечный свет. И эта “пища”, которую они сами для себя создают, называется глюкозой. В дополнение к глюкозе растения также производят кислород.

Схема фотосинтеза

Световая и темновая фазы фотосинтеза

В процессе фотосинтеза существуют две различные фазы (два цикла реакций), которые следуют одна за другой — световая (для этой нужен солнечный свет) и темновая (солнечный свет не требуется, она может происходить в любое время суток).

Световая фаза

Хлорофилл поглощает энергию солнечного света. Эта энергия передаётся фотосистемам, ответственным за фотосинтез. На этой фазе используется вода (H2O), для обеспечения электронов и ионов водорода. И как итог, производится кислород (O2).

Электроны и ионы водорода используются для создания АТФ и НАДФН. АТФ является молекулой накопления энергии. НАДФН является молекулой-носителем / донором электронов. И АТФ, и НАДФН будут использоваться на следующей стадии фотосинтеза (темновой).

Темновая фаза

Уже на второй, темновой фазе фотосинтеза, углекислый газ (CO2) и энергия из АТФ вместе с НАДФН используются для образования глюкозы.

Формула фотосинтеза

Мы уже узнали, что для “приготовления пищи” растениям нужны углекислый газ, вода и солнечный свет. Мы также знаем, что эта “пища” называется глюкозой и что вместе с глюкозой растения производят кислород. Это можно представить следующим образом:

Уравнение ниже показывает то же самое, что было показано выше, но тут появляется уже химическая формула для углекислого газа, воды, глюкозы и кислорода.
Из этого следует, что уравнение реакции фотосинтеза выглядит следующим образом:

Формула глюкозы

Химическая формула глюкозы (ещё называется декстроза) выглядит так:

Кто и как открыл фотосинтез

Ян Ингенхауз (1730–1799)

Ян Ингенхауз, родившийся в Голландии британский врач и учёный, известен своим открытием процесса фотосинтеза.
Уже существовали предыдущие исследования английского химика и естествоиспытателя Джозефа Пристли, из которых было известно, что растения производят и поглощают кислород из атмосферы.

В 1771 году два учёных встретились, и Ян Ингенхауз продолжил свои эксперименты. И в 1779 году он обнаруживает разницу реакции растения при солнечном свете и в тени.

Фотосинтез и хемосинтез

Хемосинтез — это синтез органических соединений из неорганических веществ, в этом процессе используется химическая энергия (что выделяется в реакциях окисления неорганических веществ).
Для сравнения фотосинтез — это процесс синтеза органических соединений из неорганических веществ, из неорганических веществ с помощью энергии света.
Хемосинтез происходит без хлорофилла, так как в этом процессе свет необязателен.
Например, нитрифицирующими бактериями можно окислить аммиак до азотистой кислоты.
В молекулах АТФ собирается освобождающаяся энергия, потом она расходуется на синтез органических веществ (процесс которого похож на тип реакций темновой фазы фотосинтеза).

Хемо-синтезирующие бактерии очень важны в круговороте веществ. Нитрофицирующие бактерии содействуют аккумуляции нитратов в почве.

Этот процесс был открыт русским микробиологом С. Н. Виноградским.

Сергей Николаевич Виноградский (1856–1953 гг.)

Иногда для обозначения усвоения углекислого газа бактериями вместо слова “хемосинтез” используется слово “автотрофия”. А термин “литотрофия” используется для обозначения процесса окисления бактериями неорганических соединений.

Узнайте также, что такое Глобальное потепление и Экосистема.

Световая стадия фотосинтеза

Основой жизнедеятельности растений является фотосинтез. В процессе фотосинтеза в тканях растения из неорганических веществ образуются органические.

Как и любая химическая реакция синтеза, фотосинтез проходит с поглощением энергии. Источником энергии световой фазы фотосинтеза является свет.

В процессе эволюции растения научились для своей жизнедеятельности использовать данную энергию. О световой фазе фотосинтеза мы постарались изложить кратко и понятно.

Что такое световая фаза фотосинтеза

Фотосинтез – сложный процесс, состоящий из 2 фаз: световой и темновой. Реакции протекающие в световой фазе фотосинтеза могут проходить только при освещении. Для темновой фазы свет не важен, она может проходить в любое время. Ниже представлена схема световой и темновой фазы фотосинтеза.

В течение световой стадии, растение захватывает фотоны света с помощью специальных светособирающих комплексов. Энергия фотонов необходима для прохождения процесса распада воды на кислород и водород.

Этот процесс, который происходит в световую фазу фотосинтеза называется фотолизом воды. Далее происходит образование конечных продуктов световой фазы, которые необходимы для прохождения реакций темновой фазы. Световая энергия накапливается в виде АТФ – аденозинтрифосфата.

Это вещество является носителем энергии и может ее высвобождать, превращаясь в АДФ – аденозиндифосфат.

Водород после фотолиза воды соединяется с ферментом НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), образуя НАДФН, который является источником водорода для дальнейших химических реакций.

Кислород при фотолизе воды выделяется в атмосферу. Таким образом, результатом световой фазы фотосинтеза является: распад воды под воздействием световой энергии с образованием конечных продуктов АТФ и НАДФН, использующихся для синтеза органики и свободного кислорода.

Где происходит световая фаза

Все процессы происходящие в световой стадии и темновой фазе фотосинтеза протекают в специальных клеточных структурах, называемых хлоропластами. Хлоропласт – зеленая пластида, внутри которой содержится хлорофилл. В растительной клетке содержится большое количество хлоропластов, необходимых для прохождения химических реакций фотосинтеза.

Различные фазы процесса проходят в разных частях хлоропласта. Эта пластида имеет сложную структуру, в ее состав входит большое количество тилакоидов. Тилакоиды – особые структуры внутри хлоропласта, отвечающие за преобразование световой энергии. Тилакоиды, расположенные рядом, образуют стопки – граны.

Световая фаза фотосинтеза происходит в гранах тилакоидов, на их мембранах и во внутритилакоидном пространстве. В этом особенность световой фазы фотосинтеза и этим она отличается от темновой, во время которой химические реакции протекают в строме хлоропласта – плотном веществе между тилакоидами.

Фотохимическая суть процесса

Основным процессом световой фазы фотосинтеза является фотолиз воды, представленный следующим уравнением:

2H2O + Qсвета → 4H+ + 4e— + O2

Расщепление воды под действием света происходит с помощью молекул хлорофилла, которые сосредоточены вблизи мембран тилакоидов.

Молекулы хлорофилла имеют свойство возбуждаться, и терять электроны при попадании на них кванта света. Эти электроны оседают на внешней стороне мембран, заряжая их отрицательно.

Сами молекулы хлорофилла, потерявшие электрон, восстанавливаются, отбирая электроны у воды, находящейся внутри тилакоида. При фотолизе вода расщепляется на следующие компоненты:

Протоны водорода;
Электроны водорода;
Кислород.

Кислород является побочным продуктом фотосинтеза и не участвует в дальнейших процессах. Он выводится наружу из ткани растения и поступает в атмосферу. Протоны накапливаются в специальном протонном резервуаре, находящемся внутри тилакоида.

Протоны заряжают внутреннюю часть тилакоидной мембраны положительно. Таким образом, мембраны тилакоидов имеют отрицательный заряд с внешней стороны, а положительный – с внутренней. Эти заряды постепенно увеличиваются по мере накопления протонов и электронов.

Разность потенциалов между внешней и внутренней поверхностью мембраны должна достигать не менее 200mВ, чтобы начался процесс образования конечных продуктов световой стадии. Только в этом случае протоны начнут проходить сквозь каналы АТФ-синтазы, находящиеся в тилакоидных мембранах.

АТФ-синтаз – комплекс белковых молекул, обеспечивающий восстановление содержащегося в растительной клетке АДФ (аденозиндифосфат) до АТФ (аденозинтрифосфат). Для этого используется энергия протона, проходящего тилакоидную мембрану. Прошедший мембрану протон и электрон, находящийся на внешней ее стороне вступают в реакцию с находящейся в строме хлоропласта молекулой НАДФ с образованием НАДФН.

2Н+ + 2е— + НАДФ → НАДФН

Светособирающие комплексы

Только небольшая часть молекул хлорофилла поглощает энергию, отдавая электроны. Они находятся в реакционных центрах и называются молекулами-ловушками. Остальная же часть этого пигмента собрана в светособирающие комплексы, задачей которых является не поглощение, а передача энергии.

Для чего нужны светособирающие комплексы? Если бы каждая молекула хлорофилла улавливала свет, то такая работа была бы крайне неэффективной. Процесс возбуждения и потери электрона проходил бы очень редко, а структура передачи электронов была бы слишком сложной из-за очень большого количества молекул.

На самом деле существует очень мало молекул, поглощающих энергию и отдающих электроны. На каждую из них приходится до 300 молекул, собранных в светособирающие комплексы по антенному типу. Они расположены на нескольких уровнях.

На первом уровне сосредоточено наибольшее количество молекул, улавливающих свет. Они передают энергию на более низкий уровень, где молекул уже гораздо меньше.

Конечно, происходит передача не квантов света, а только энергии, полученной при поглощении света. Таким образом, хлорофилл может не только поглощать световую энергию, но и передавать ее.

На самом нижнем уровне светособирающего комплекса находится 1 молекула-ловушка. Энергия поступает к ней со всего антенного комплекса. Передача энергии происходит с определенными потерями ее количества.

Но молекула-ловушка получает энергию в десятки или даже в сотни раз чаще, чем молекулы, расположенные на самом высоком уровне. Молекулы-ловушки входят в состав фотосистем, которые участвуют в транспорте электронов во время световой стадии фотосинтеза.

Основные компоненты цепи переноса электронов

В течение световой стадии происходит перенос электронов от тилакоидных фотосистем с помощью промежуточных веществ-переносчиков до образования конечных продуктов фазы. Электрон-транспортная цепь имеет сложную структуру и множество компонентов.

Основными компонентами цепи переноса электронов являются:

Фотосистема 1;
Фотосистема 2;
Комплекс цитохромов b6-f;
Вещества-переносчики;
НАДФ-редуктаза.

Существует 2 вида фотосистем с возможностью поглощения света разной длины волны.

Фотосистема 1 способна поглощать свет с длиной волны 700 нм, фотосистема 2 – 680 нм. Фотосистемы работают параллельно. При поглощении света фотосистемы отдают электроны на вещества-переносчики или акцепторы. В электрон-транспортной цепи задействовано множество акцепторов, которые захватывают электроны и отдают их другому компоненту цепи.

Когда фотосистема 2 теряет электрон под воздействием света, он сначала попадает на акцептор феофитин. Далее в его транспорте принимает участие целый ряд акцепторов, последним из которых является пластоцианин. Далее электрон попадает в фотосистему 1, восполняя электрон, отданный этой фотосистемой под воздействием кванта света.

Недостающий электрон фотосистемы 2 восполняется за счет воды.

Фотосистема 1 отдает электрон на акцептор ферредоксин. Отсюда он поступает в последний компонент цепи НАДФ-редуктазу. Здесь образуется в световую фазу фотосинтеза вещество НАДФН. Недостачу электронов фотосистема 1 восполняет за счет электронов, приходящих от фотосистемы 2.

Особое значение в электрон-транспортной цепи имеет комплекс цитохромов b6-f. Электроны, проходя через этот комплекс, многократно взаимодействуют с акцептором пластохиноном. При этом комплекс цитохромов увеличивает количество, не только электронов, но также и протонов, что повышает эффективность световой стадии.

Продукты световой стадии

При прохождении этапа световой фазы фотосинтеза образуются следующие продукты, необходимые для синтеза органики в дальнейших темновых реакциях: АТФ и НАДФН. АТФ – источник биохимической энергии. Эта молекула синтезируется из АДФ при поглощении энергии движущегося протона.

Формулу синтеза АТФ во время световой фазы фотосинтеза можно представить в следующем формуле:

АДФ + ортофосфорная кислота + энергия → АТФ + Н2О

Синтезированный АТФ может участвовать во всех химических реакциях, для прохождения которых необходима энергия. При взаимодействии с водой происходит обратная реакция с выделением энергии.

АТФ вновь расщепляется на АДФ и ортофосфорную кислоту:

АТФ + H2O → АДФ + ортофосфорная кислота + энергия

Для образования органических веществ при фотосинтезе такая энергетическая составляющая крайне необходима, так как синтез органики требует поглощения большого количества энергии. НАДФН – восстановленный фермент, который является источником водорода. Он используется в химических процессах темновой фазы, где отдает водород и превращается в фермент НАДФ.

Фотосинтез. Значение фотосинтеза. Световая и Темновая фазы фотосинтеза • биология-в.рф

Фотосинтез. Значение фотосинтеза. Световая и Темновая фазы фотосинтеза Световая фаза фотосинтеза, Биология

Фотосинтез. Значение фотосинтеза. Световая и Темновая фазы фотосинтеза

Фотосинтез – это совокупность процессов синтеза органических соединений из неорганических благодаря преобразованию световой энергии в энергию химических связей. К фототрофным организмам принадлежат зеленые растения, некоторые прокариоты – цианобактерии, пурпурные и зеленые серобактерии, растительные жгутиковые.

Исследования процесса фотосинтеза начались во второй половине XVIII века. Важное открытие сделал выдающийся русский ученый К. А. Тимирязев, который обосновал учение о космической роли зеленых растений.

Растения поглощают солнечные лучи и превращают световую энергию в энергию химических связей синтезированных ими органических соединений. Тем самым они обеспечивают сохранение и развитие жизни на Земле.

Ученый также теоретически обосновал и экспериментально доказал роль хлорофилла в поглощении света в процессе фотосинтеза.

Хлорофиллы являются основными из фотосинтезирующих пигментов. По структуре они похожи на гем гемоглобина, но вместо железа содержат магний. Содержание железа необходимо для обеспечения синтеза молекул хлорофилла.

Существует несколько хлорофиллов, которые отличаются своим химическим строением. Обязательным для всех фототрофов является хлорофилл а. Хлорофилл b встречается у зеленых растений, хлорофилл с – у диатомовых и бурых водорослей.

Хлорофилл d характерен для красных водорослей.

Зеленые и пурпурные фотосинтезирующие бактерии имеют особые бактериохлорофиллы. Фотосинтез бактерий имеет много общего с фотосинтезом растений.

Отличается он тем, что у бактерий донором водорода является сероводород, а у растений – вода. У зеленых и пурпурных бактерий нет фотосистемы II. Бактериальный фотосинтез не сопровождается выделением кислорода.

Суммарное уравнение бактериального фотосинтеза:

6С02 + 12H2S → C6H12O6+ 12S + 6Н20.

В основе фотосинтеза лежит окислительно-восстановительный процесс. Он связан с перенесением электронов от соединений-поставщиков электронов-доноров к соединениям, которые их воспринимают – акцепторам. Световая энергия превращается в энергию синтезированных органических соединений (углеводов).

На мембранах хлоропластов есть особые структуры – реакционные центры, которые содержат хлорофилла. У зеленых растений и цианобактерий различают две фотосистемы – первую (I) и вторую (II), которые имеют разные реакционные центры и связаны между собой через систему перенесения электронов.

Две фазы фотосинтеза

Состоит процесс фотосинтеза из двух фаз: световой и темновой.

Световая фаза фотосинтеза

Происходит лишь при наличии света на внутренних мембранах митохондрий в мембранах особых структур – тилакоидов. Фотосинтезирующие пигменты улавливают кванты света (фотоны).

Это приводит к «возбуждению» одного из электронов молекулы хлорофилла.

С помощью молекул-переносчиков электрон перемещается на внешнюю поверхность мембраны тилакоидов, приобретая определенную потенциальную энергию.

Этот электрон в фотосистеме I может возвратиться на свой энергетический уровень и восстанавливать ее. Может также передаваться НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Взаимодействуя с ионами водорода, электроны восстанавливают это соединение. Восстановленный НАДФ (НАДФ • Н) поставляет водород для восстановления атмосферного С02 до глюкозы.

Подобные процессы происходят в фотосистеме II. Возбужденные электроны могут передаваться фотосистеме I и восстанавливать ее.

Восстановление фотосистемы II происходит за счет электронов, которые поставляют молекулы воды. Молекулы воды расщепляются (фотолиз воды) на протоны водорода и молекулярный кислород, который выделяется в атмосферу.

Электроны используются для восстановления фотосистемы II. Уравнение фотолиза воды:

2Н20 → 4Н+ + 02 + 2е.

При возвращении электронов из внешней поверхности мембраны тилакоидов на предыдущий энергетический уровень выделяется энергия.

Она запасается в виде химических связей молекул АТФ, которые синтезируются во время реакций в обеих фотосистемах.

Процесс синтеза АТФ с АДФ и фосфорной кислотой называется фотофосфорилированием. Некоторая часть энергии используется для испарения воды.

Во время световой фазы фотосинтеза образуются богатые энергией соединения: АТФ и НАДФ • Н. При распаде (фотолизе) молекулы воды в атмосферу выделяется молекулярный кислород.

Темновая фаза фотосинтеза

Реакции протекают во внутренней среде хлоропластов. Могут происходить как при наличии света, так и без него. Синтезируются органические вещества (С02 восстанавливается до глюкозы) с использованием энергии, которая образовалась в световой фазе.

Процесс восстановления углекислого газа является циклическим и называется циклом Кальвина. Назван в честь американского исследователя М. Кальвина, который открыл этот циклический процесс.

Начинается цикл с реакции атмосферного углекислого газа с рибулезобифосфатом. Катализирует процесс фермент карбоксилаза.

Рибулезобифосфат – это пятиуглеродный сахар, соединенный с двумя остатками фосфорной кислоты. Происходит целый ряд химических преобразований, каждое из которых катализирует свой специфический фермент.

Как конечный продукт фотосинтеза образуется глюкоза, а также восстанавливается рибулезобифосфат.

Суммарное уравнение процесса фотосинтеза:

6С02 + 6Н20 → С6Н12О6 + 602

Значение фотосинтеза

Благодаря процессу фотосинтеза поглощается световая энергия Солнца и происходит преобразование ее в энергию химических связей синтезированных углеводов. По цепям питания энергия передается гетеротрофным организмам.

В процессе фотосинтеза поглощается углекислый газ и выделяется кислород. Весь атмосферный кислород имеет фотосинтетическое происхождение. Ежегодно выделяется свыше 200 млрд. тонн свободного кислорода.

Кислород защищает жизнь на Земле от ультрафиолетового излучения, создавая озоновый экран атмосферы.

Процесс фотосинтеза малоэффективен, так как в синтезированное органическое вещество переводится лишь 1-2 % солнечной энергии. Связано это с тем, что растения недостаточно поглощают свет, часть его поглощается атмосферой и т. п. Большая часть солнечного света отражается от поверхности Земли назад в космос.

Клеточный уровеньУровни организации живого

Фазы фотосинтеза – описание и таблица

Как понятно из названия, фотосинтез по своей сути являет собой природный синтез органических веществ, превращая СО2 из атмосферы и воду в глюкозу и свободный кислород.
При этом необходимо наличие энергии солнечного света.
Химическое уравнение процесса фотосинтеза в общем можно представить в следующем виде:

Фотосинтез имеет две фазы: темную и световую. Химические реакции темной фазы фотосинтеза существенно отличаются от реакций световой фазы, однако темная и световая фаза фотосинтеза зависят друг от друга.

Световая фаза может происходить в листьях растений исключительно при солнечном свете. Для темной же необходимо наличие углекислого газа, именно поэтому растение все время должно поглощать его из атмосферы. Все сравнительные характеристики темной и световой фаз фотосинтеза будут предоставлены ниже. Для этого была создана сравнительная таблица «Фазы фотосинтеза».

Световая фаза фотосинтеза

Основные процессы в световой фазе фотосинтеза происходят в мембранах тилакоидов. В ней участвуют хлорофилл, белки-переносчики электронов, АТФ-синтетаза (фермент, ускоряющий реацию) и солнечный свет.

Далее механизм реакции можно описать так: когда солнечный свет попадает на зеленые листья растений, в их структуре возбуждаются электроны хлорофилла (заряд отрицательный), которые перейдя в активное состояние, покидают молекулу пигмента и оказываются на внешней стороне тилакоида, мембрана которого заряжена также отрицательно. В то же время молекулы хлорофилла окисляются и уже окисленные они восстанавливаются, отбирая таким образом электроны у воды, которая находится в структуре листа.

Этот процесс приводит к тому, что молекулы воды распадаются, а созданные в результате фотолиза воды ионы, отдают свои электроны и превращаются в такие радикалы ОН, которые способны проводить дальнейшие реакции. Далее эти реакционноспособные радикалы ОН объединяются, создавая полноценные молекулы воды и кислород. При этом свободный кислород выходит во внешнюю среду.

В результате всех этих реакций и превращений, мембрана тилакоида листа с одной стороны заряжается положительно (за счет иона Н+), а с другой — отрицательно (за счет электронов).

Когда разность между этими зарядами в двух сторонах мембраны достигает больше 200 мВ, протоны проходят через специальные каналы фермента АТФ-синтетазы и за счет этого происходит превращение АДФ до АТФ (в результате процесса фосфорилизации).

А атомный водород, который освобождается из воды, восстанавливает специфический переносчик НАДФ+ до НАДФ·Н2. Как видим, в результате световой фазы фотосинтеза происходит три основных процесса:

синтез АТФ;
создание НАДФ·Н2;
образование свободного кислорода.

Последний освобождается в атмосферу, а НАДФ·Н2 и АТФ берут участие в темной фазе фотосинтеза.

Темная фаза фотосинтеза

Темная и световая фазы фотосинтеза характеризуются большими затратами энергии со стороны растения, однако темная фаза протекает быстрее и требует меньше энергии. Для реакций темной фазы не нужен солнечный свет, поэтому они могут происходить и днем и ночью.

Все основные процессы этой фазы протекают в строме хлоропласта растения и являют собой своеобразную цепочку последовательных превращений углекислого газа из атмосферы. Первая реакция в такой цепи – фиксация углекислого газа. Чтобы она проходила более плавно и быстрее, природой был предусмотрен фермент РиБФ-карбоксилаза, который катализирует фиксацию СО2.

Далее происходит целый цикл реакций, завершением которого является преобразование фосфоглицериновой кислоты в глюкозу (природный сахар). Все эти реакции используют энергию АТФ и НАДФ•Н2, которые были созданы в световой фазе фотосинтеза. Помимо глюкозы в результате фотосинтеза образуются также и другие вещества. Среди них разные аминокислоты, жирные кислоты, глицерин, а также нуклеотиды.

Фазы фотосинтеза: таблица сравнений

Критерии сравнения	Световая фаза	Темная фаза
Солнечный свет	Обязателен	Необязателен
Место протекание реакций	Граны хлоропласта	Строма хлоропласта
Зависимость от источника энергии	Зависит от солнечного света	Зависит от АТФ и НАДФ•Н2, образованных в световой фазе и от количества СО2 из атмосферы
Исходные вещества	Хлорофилл, белки-переносчики электронов, АТФ-синтетаза	Углекислый газ
Суть фазы и что образуется	Выделяется свободный О2, образуется АТФ и НАДФ•Н2	Образование природного сахара (глюкозы) и поглощение СО2 из атмосферы