Что происходит в световой фазе фотосинтеза? | We are students – Мы студенты!
О второй фазе – темновой – вы можете прочитать здесь, ну а пока мы рассмотрим особенности световой фазы фотосинтеза:
- протекает только при участии солнечного света;
- у прокариот световая фаза протекает в цитоплазме, у эукариот реакции происходят на мембранах гран хлоропластов, где располагается хлорофилл;
- за счет энергии солнечного света происходит образование молекул АТФ (аденозинтрифосфат), в которых она и запасается.
Реакции, протекающие в световой фазе
Необходимым условием для того чтобы началась световая фаза фотосинтеза, является наличие солнечного света. Все начинается с того, что фотон света попадает на хлорофилл (в хлоропластах) и переводит его молекулы в возбужденное состояние. Это происходит оттого, что электрон в составе пигмента, поймав фотон света, переходит на более высокий энергетический уровень.
Затем этот электрон, пройдя по цепи переносчиков (ими являются белки, сидящие в мембранах хлоропласта), отдает избыточную энергию на реакцию синтеза АТФ.
АТФ – очень удобная молекула для хранения энергии. Она относится к макроэргическим соединениям – это такие вещества, при гидролизе которых выделяется большое количество энергии.
Еще молекула АТФ удобна тем, что выделять из нее энергию можно в два этапа: отделять по одному остатку фосфорной кислоты за раз, каждый раз получая порцию энергии. Она идет дальше на любые нужды клетки и организма в целом.
Расщепление воды
Световая фаза фотосинтеза позволяет получить энергию от солнечного света. Она идет не только на образование АТФ, а еще и на расщепление воды:
Этот процесс еще называют фотолизом (фото – свет, лизис – расщеплять). Как видно, в итоге происходит выделение кислорода, который позволяется дышать всем животным и растениям.
Протоны идут на формирование НАДФ-Н, который будет использован в темновой фазе как источник этих же протонов.
А электроны, образованные при фотолизе воды возместят хлорофиллу его потери в самом начале цепочки. Таким образом, все встает на свои места и система опять готова поглотить очередной фотон света.
Значение световой фазы
Растения являются автотрофами – организмами, которые способны получать энергию не от расщепления готовых веществ, а создавать ее самостоятельно, используя только свет, углекислый газ и воду. Именно поэтому в пищевой цепочке они являются продуцентами. Животные в отличие от растений не могут совершать в своих клетках фотосинтез.
Механизм фотосинтеза – видео
Источник: https://westud.ru/chto-v-svetovoj-faze-fotosinteza/
Фазы фотосинтеза
Фотосинтез – процесс довольно сложный и включает две фазы: световую, которая всегда происходит исключительно на свету, и темновую. Все процессы происходят внутри хлоропластов на особых маленьких органах – тилакоидах.
В ходе световой фазы хлорофиллом поглощается квант света, в результате чего образуются молекулы АТФ и НАДФН. Вода при этом распадается, образуя ионы водорода и выделяя молекулу кислорода.
Возникает вопрос, что это за непонятные загадочные вещества: АТФ и НАДН?
АТФ – это особые органические молекулы, которые имеются у всех живых организмов, их часто называют «энергетической» валютой.
Именно эти молекулы содержат высокоэнергетические связи и являются источником энергии при любых органических синтезах и химических процессах в организме.
Ну, а НАДФН – это собственно источник водорода, используется непосредственно при синтезе высокомолекулярных органических веществ – углеводов, который происходит во второй, темновой фазе фотосинтеза с использованием углекислого газа. Но давайте по порядку.
Cветовая фаза фотосинтеза
В хлоропластах содержится очень много молекул хлорофилла, и все они поглощают солнечный свет. Одновременно свет поглощается и другими пигментами, но они не умеют осуществлять фотосинтез. Сам процесс происходит лишь только в некоторых молекулах хлорофилла, которых совсем немного.
Другие же молекулы хлорофилла, каротиноидов и других веществ образуют особые антенные, а также светособирающие комплексы (ССК). Они, как антенны, поглощают кванты света и передают возбуждение в особые реакционные центры или ловушки. Эти центры находятся в фотосистемах, которых у растений две: фотосистема II и фотосистема I.
В них имеются особые молекулы хлорофилла: соответственно в фотосистеме II – P680, а в фотосистеме I – P700. Они поглощают свет именно такой длины волны(680 и 700 нм).
По схеме более понятно, как все выглядит и происходит во время световой фазы фотосинтеза.
На рисунке мы видим две фотосистемы с хлорофиллами Р680 и Р700. Также на рисунке показаны переносчики, по которым происходит транспорт электронов.
Итак: обе молекулы хлорофилла двух фотосистем поглощают квант света и возбуждаются. Электрон е- (на рисунке красный) у них переходит на более высокий энергетический уровень.
Возбужденные электроны обладает очень высокой энергией, они отрываются и поступают в особую цепь переносчиков, которая находится в мембранах тилакоидов – внутренних структур хлоропластов.
По рисунку видно, что из фотосистемы II от хлорофилла Р680 электрон переходит к пластохинону, а из фотосистемы I от хлорофилла Р700 – к ферредоксину.
В самих молекулах хлорофилла на месте электронов после их отрыва образуются синие дырки с положительным зарядом. Что делать?
Чтобы восполнить недостачу электрона молекула хлорофилла Р680 фотосистемы II принимает электроны от воды, при этом образуются ионы водорода. Кроме того, именно за счет распада воды образуется выделяющийся в атмосферу кислород. А молекула хлорофилла Р700, как видно из рисунка, восполняет недостачу электронов через систему переносчиков от фотосистемы II.
В общем, как бы ни было сложно, именно так протекает световая фаза фотосинтеза, ее главная суть заключается в переносе электронов.
Также по рисунку можно заметить, что параллельно транспорту электронов происходит перемещение ионов водорода Н+ через мембрану, и они накапливаются внутри тилакоида.
Так как их там становится очень много, они перемещаются наружу с помощью особого сопрягающего фактора, который на рисунке оранжевого цвета, изображен справа и похож на гриб.
В завершении мы видим конечный этап транспорта электрона, результатом которого является образование вышеупомянутого соединения НАДН. А за счет переноса ионов Н+ синтезируется энергетическая валюта – АТФ (на рисунке видно справа).
Итак, световая фаза фотосинтеза завершена, в атмосферу выделился кислород, образовались АТФ и НАДН. А что же дальше? Где обещанная органика? А дальше наступает темновая стадия, которая заключается, главным образом, в химических процессах.
Темновая фаза фотосинтеза
Для темновой фазы фотосинтеза обязательным компонентом является углекислый газ – СО2. Поэтому растение должно постоянно его поглощать из атмосферы. Для этой цели на поверхности листа имеются специальные структуры – устьица. Когда они открываются, СО2 поступает именно внутрь листа, растворяется в воде и вступает в реакцию световой фазы фотосинтеза.
В ходе световой фазы у большинства растений СО2 связывается с пятиуглеродным органическим соединением (которое представляет собой цепочку из пяти молекул углерода), в результате чего образуются две молекулы трехуглеродного соединения (3-фосфоглицериновая кислота). Т.к. первичным результатом являются именно эти трехуглеродные соединения, растения с таким типом фотосинтеза получили название С3-растений.
Дальнейший синтез, происходящий в хлоропластах, довольно сложен. В конечном итоге образуется шестиуглеродное соединение, из которого потом могут синтезироваться глюкоза, сахароза или крахмал.
Именно в виде этих органических веществ растение накапливает энергию. Только небольшая их часть остается в листе и используется для его нужд.
Остальные же углеводы путешествуют по всему растению и поступают именно туда, где больше всего нужна энергия, например, в точки роста.
Благодарю! наконец-то я всё это осмыслил:-)
Действительно, очень Хороший и понятный сайт ,еще в придачу и рисунки есть! Благодарю!
Отличное объяснение!Спасибо!
Спасибо большое за этот текст он очень понятный к экзаменам самое то !!!!????
Великолепно подан материал, всё доходчиво и чётко
Источник: http://happyflora.ru/view_post3.php?latter=420
Фотосинтез
Фотосинтез — синтез органических соединений из неорганических за счет энергии света (hv). Суммарное уравнение фотосинтеза:
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
Фотосинтез протекает при участии фотосинтезирующих пигментов, обладающих уникальным свойством преобразования энергии солнечного света в энергию химической связи в виде АТФ.
Фотосинтезирующие пигменты представляют собой белковоподобные вещества. Наиболее важный из них — пигмент хлорофилл.
У эукариот фотосинтезирующие пигменты встроены во внутреннюю мембрану пластид, у прокариот — во впячивания цитоплазматической мембраны.
Строение хлоропласта очень похоже на строение митохондрии. Во внутренней мембране тилакоидов граны содержатся фотосинтетические пигменты, а также белки цепи переноса электронов и молекулы фермента АТФ-синтетазы.
Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой.
Световая фаза фотосинтеза протекает только на свету в мембране тилакоидов граны. В этой фазе происходит поглощение хлорофиллом квантов света, образование молекулы АТФ и фотолиз воды.
Под действием кванта света (hv) хлорофилл теряет электроны, переходя в возбужденное состояние:
Хл → Хл + e—
Эти электроны передаются переносчиками на наружную, т.е. обращенную к матриксу поверхность мембраны тилакоидов, где накапливаются.
Одновременно внутри тилакоидов происходит фотолиз воды, т.е. ее разложение под действием света
2H2O → O2 +4H+ + 4e—
Образующиеся электроны передаются переносчиками к молекулам хлорофилла и восстанавливают их: молекулы хлорофилла возвращаются в стабильное состояние.
Протоны водорода, образовавшиеся при фотолизе воды, накапливаются внутри тилакоида, создавая Н+-резервуар. В результате внутренняя поверхность мембраны тилакоида заряжается положительно (за счет Н+), а наружная — отрицательно (за счет e—).
По мере накопления по обе стороны мембраны противоположно заряженных частиц нарастает разность потенциалов. При достижении критической величины разности потенциалов сила электрического поля начинает проталкивать протоны через канал АТФ-синтетазы.
Выделяющаяся при этом энергия используется для фосфорилирования молекул АДФ:
АДФ + Ф → АТФ
Образование АТФ в процессе фотосинтеза под действием энергии света называются фотофосфорилированием.
Ионы водорода, оказавшись на наружной поверхности мембраны тилакоида, встречаются там с электронами и образуют атомарный водород, который связывается с молекулой-переносчиком водорода НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат):
2H+ + 4e— + НАДФ+ → НАДФ • H2
Таким образом, во время световой фазы фотосинтеза происходят три процесса: образование кислорода вследствие разложения воды, синтез АТФ, образование атомов водорода в форме НАДФ • H2. Кислород диффундирует в атмосферу, АТФ и НАДФ • H2 участвуют в процессах темновой фазы.
Темновая фаза фотосинтеза протекает в матриксе хлоропласта как на свету, так и в темноте и представляет собой ряд последовательных преобразований CO2, поступающего из воздуха, в цикле Кальвина. Осуществляются реакции темновой фазы за счет энергии АТФ. В цикле Кальвина CO2 связывается с водородом из НАДФ • H2 с образованием глюкозы.
В процессе фотосинтеза кроме моносахаридов (глюкоза и др.) синтезируются мономеры других органических соединений — аминокислоты, глицерин и жирные кислоты. Таким образом, благодаря фотосинтезу растения обеспечивают себя и все живое на Земле необходимыми органическими веществами и кислородом.
Сравнительная характеристика фотосинтеза и дыхания эукариот приведена в таблице:
| Уравнение реакции | 6CO2 + 6H2O + Энергия света → C6H12O6 + 6O2 | C6H12O6 + 6O2 → 6H2O + Энергия (АТФ) |
| Исходные вещества | Углекислый газ, вода | Органические вещества, кислород |
| Продукты реакции | Органические вещества, кислород | Углекислый газ, вода |
| Значение в круговороте веществ | Синтез органических веществ из неорганических | Разложение органических веществ до неорганических |
| Превращение энергии | Превращение энергии света в энергию химических связей органических веществ | Превращение энергии химических связей органических веществ в энергию макроэргических связей АТФ |
| Важнейшие этапы | Световая и темновая фаза (включая цикл Кальвина) | Неполное окисление (гликолиз) и полное окисление (включая цикл Кребса) |
| Место протекания процесса | Хлоропласта | Гиалоплазма (неполное окисление) и митохондрии (полное окисление) |
Источник: http://jbio.ru/fotosintez
Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь
В 1905 году английский физиолог растений Ф. Блэкмен обнаружил, что скорость фотосинтеза не может увеличиваться беспредельно, какой-то фактор ограничивает ее.
На основании этого он выдвинул предположение о наличии двух фаз фотосинтеза: световой и темновой.
При низкой интенсивности освещения скорость световых реакций возрастает пропорционально нарастанию силы света, и, кроме того, данные реакции не зависят от температуры, поскольку для их протекания не нужны ферменты. Световые реакции протекают на мембранах тилакоид.
Скорость темновых реакций, напротив, возрастает с повышением температуры, однако по достижении температурного порога в 30°С этот рост прекращается, что свидетельствует о ферментативном характере указанных превращений, происходящих в строме. Следует отметить, что свет также оказывает на темновые реакции определенное влияние, несмотря на то, что они называются темновыми.
Световая фаза фотосинтеза протекает на мембранах тилакоидов, несущих несколько типов белковых комплексов, основными из которых являются фотосистемы I и II, а также АТФсинтаза.
В состав фотосистем входят пигментные комплексы, в которых, кроме хлорофилла, присутствуют и каротиноиды.
Каротиноиды улавливают свет в тех областях спектра, в которых этого не делает хлорофилл, а также защищают хлорофилл от разрушения светом высокой интенсивности.
Кроме пигментных комплексов, фотосистемы включают и ряд белков-акцепторов электронов, которые последовательно передают друг другу электроны от молекул хлорофилла. Последовательность этих белков называется электронтранспортной цепью хлоропластов.
С фотосистемой II также ассоциирован специальный комплекс белков, который обеспечивает выделение кислорода в процессе фотосинтеза. Этот кислородвыделяющий комплекс содержит ионы марганца и хлора.
В световой фазе кванты света, или фотоны, попадающие на молекулы хлорофилла, расположенные на мембранах тилакоидов, переводят их в возбужденное состояние, характеризующееся более высокой энергией электронов. При этом возбужденные электроны от хлорофилла фотосистемы I передаются через цепь посредников на переносчик водорода НАДФ, присоединяющий при этом протоны водорода, всегда имеющиеся в водном растворе:
НАДФ+2e−+2H+→НАДФН+Н+.
Восстановленный НАДФН+Н+ будет впоследствии использован в темновой стадии. Электроны от хлорофилла фотосистемы II также передаются по электронтранспортной цепи, однако они заполняют «электронные дырки» хлорофилла фотосистемы I.
Недостаток электронов в хлорофилле фотосистемы II заполняется за счет отнимания у молекул воды, которое происходит с участием уже упоминавшегося выше кислородвыделяющего комплекса.
В результате разложения молекул воды, которое называется фотолизом, образуются протоны водорода и выделяется молекулярный кислород, являющийся побочным продуктом фотосинтеза:
H2O→2H++2e−+
O2↑.
Генетическая информация в клетке. Гены, генетический код и его свойства. Матричный характер реакций биосинтеза. Биосинтез белка и нуклеиновых кислот
Генетическая информация в клетке
Воспроизведение себе подобных является одним из фундаментальных свойств живого. Благодаря этому явлению существует сходство не только между организмами, но и между отдельными клетками, а также их органоидами (митохондриями и пластидами).
Материальной основой этого сходства является передача зашифрованной в последовательности нуклеотидов ДНК генетической информации, которая осуществляется благодаря процессам репликации (самоудвоения) ДНК. Реа лизуются все признаки и свойства клеток и организмов благодаря белкам, структуру которых в первую очередь и определяют последовательности нуклеотидов ДНК.
Поэтому первостепенное значение в процессах метаболизма играет именно биосинтез нуклеиновых кислот и белка. Структурной единицей наследственной информации является ген.
Источник: https://cyberpedia.su/16x10ad7.html
Биологический процесс фотосинтеза и его значение в природе
Фотосинтез является очень сложным биологическим процессом. Его изучает наука биология на протяжении многих лет, но, как показывает история изучения фотосинтеза, некоторые этапы до сих пор непонятны.
В научных справочниках последовательное описание этого процесса занимает несколько страниц. Цель этой статьи — описать такое явление, как фотосинтез, кратко и понятно для детей, в виде схем и объяснения.
Научное определение
Для начала важно узнать, что такое фотосинтез. В биологии определение звучит так: это процесс образования органических веществ (пищи) из неорганических (из углекислого газа и воды) в хлоропластах с помощью энергии света.
Чтобы понять это определение, можно представить совершенную фабрику — это любое зеленое растение, которое является фотосинтетиком.
«Топливом» для этой фабрики служит солнечный свет, растения используют воду, углекислый газ и минералы, чтобы производить пищу почти для всех форм жизни на земле.
Эта «фабрика» совершенная, потому что она, в отличие от других заводов, не приносит вред, а, наоборот, по ходу производства выделяет в атмосферу кислород и поглощает углекислый газ. Как видно, для фотосинтеза необходимы определенные условия.
Этот уникальный процесс можно представить в виде формулы или уравнения:
солнце +вода+углекислый газ = глюкоза+вода+кислород
Строение листа растения
Для того чтобы охарактеризовать сущность процесса фотосинтеза, необходимо рассмотреть строение листа. Если рассмотреть под микроскопом, можно увидеть прозрачные клетки, в которых находятся от 50 до 100 зеленых пятнышек. Это хлоропласты, где находится хлорофилл — основной фотосинтетический пигмент, и в которых осуществляется фотосинтез.
Хлоропласт похож на маленькую сумочку, а внутри него — сумочки еще меньше. Они называются тилакоидами. Молекулы хлорофилла находятся на поверхности тилакоидов и расположены по группам, которые называются фотосистемами. У большинства растений существует два вида фотосистем (ФС): фотосистемаI и фотосистемаII. К фотосинтезу способны только клетки, имеющие хлоропласт.
Описание световой фазы
Какие реакции происходят во время световой фазы фотосинтеза? В группе ФСII энергия солнечного света предается электронам молекулы хлорофилла, вследствие чего электрон заряжается, то есть «возбуждается настолько», что выпрыгивает из группы фотосистемы и «подхватывается» молекулой-переносчиком в мембране тилакоида. Этот электрон переходит от переносчика к переносчику, пока не разрядится. После этого он может использоваться в другой группе ФСI для замены электрона.
В группе фотосистемы II недостает электрона, и теперь она положительно заряженная и требует новый электрон. Но где взять такой электрон? Область в группе, известная как комплекс выделения кислорода, поджидает беззаботно «прогуливающуюся» молекулу воды.
В молекулу воды входит один атом кислорода и два атома водорода. Комплекс выделения кислорода в ФСII имеет марганца четыре иона, которые забирают электроны у атомов водорода. В результате происходит расщепление молекулы воды на два положительных иона водорода, два электрона и один атом кислорода.
Молекулы воды расщепляются, и атомы кислорода распределяются по парам, образуя при этом молекулы газа кислорода, который возвращает растение в воздух.
Ионы водорода начинают собираться в сумочке тилакоида, отсюда растение сможет их использовать, а с помощью электронов решается проблема потери в комплексе ФС II, который готов повторить этот цикл много раз в секунду.
В тилакоидном мешочке происходит скопление ионов водорода, и они начинают искать выход. Два иона водорода, образующиеся всегда при распаде молекулы воды, это далеко не всё: проходя путь из комплекса ФС II в комплекс ФС I, электроны притягивают в мешочек и другие ионы водорода. Затем эти ионы скапливаются в тилакоиде. Как им оттуда выбраться?
Оказывается, у них имеется «турникет» с одним выходом — фермент, который используется при выработке клеточного «топлива», называемого АТФ (аденозинтрифосфат). Проходя через этот «турникет», ионы водорода предоставляют энергию, которая необходима для перезарядки уже используемых молекул АТФ. Молекулы АТФ — это клеточные «батареи». Они отдают энергию для реакций внутри клетки.
При сборе сахара нужна еще одна молекула. Она называется НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Молекулы НАДФ — это «грузовики», каждый из них доставляет по атому водорода к ферменту молекулы сахара. Образование НАДФ происходит в комплексе ФС I.
Пока фотосистема (ФС II) расщепляет молекулы воды и создает из них АТФ, фотосистема (ФС I) поглощает свет и выдает электроны, которые потом будут нужны при образовании НАДФ.
Молекулы АТФ и НАДФ находятся на хранении в строме и потом будут использованы для образования сахара.
Продукты световой фазы фотосинтеза:
Схема ночной фазы
После световой фазы протекает темновая стадия фотосинтеза. Впервые эту фазу открыл Кальвин. Впоследствии это открытие было названо с3 — фотосинтезом. У некоторых видов растений наблюдается вид фотосинтеза — с4.
В процессе фотосинтеза световой фазы сахар не производится. При свете образуется только АТФ и НАДФ. Ферменты используются в строме (пространстве вне тилакоида) для производства сахара. Хлоропласт можно сравнить с фабрикой, на которой бригады (ФС I и ФС II) внутри тилакоида производят грузовики и батареи (НАДФ и АТФ) для работы третьей бригады (особых ферментов) стромы.
Эта бригада образовывает сахар путем присоединения атомов водорода и молекулы углекислого газа благодаря химическим реакциям, используя при этом ферменты, находящиесяся в строме. Все три бригады работают днем, а «сахарная» и днем, и ночью, до того пока не израсходуется АТФ и НАДФ, которые остались после дневной смены.
В строме много атомов и молекул соединяются с помощью ферментов. Некоторые ферменты — это молекулы белка, имеющие особую форму, и это позволяет им брать те атомы или молекулы, которые нужны для определенной реакции.
После того как произойдет соединение, фермент отпускает новообразованную молекулу, и такой процесс повторяется постоянно.
В строме ферменты пускают по цепочке молекулы сахара, которые собрали, перестраивают их, заряжают с помощью АТФ, присоединяют углекислоту, добавляют водород, затем отправляют трехуглеродный сахар в другую часть клетки, где его преобразуют в глюкозу и множество других веществ.
Итак, темновая фаза характеризуется образованием молекул глюкозы. А из глюкозы синтезируются углеводы.
Фотосинтез световая и темновая фазы (таблица)
| фаза световая | фаза темновая | |
| место осуществления процесса (органеллы клеток) | мембрана тилакоидов | стром |
| источник энергии | солнце | АТФ |
| исходные вещества, необходимые для реакции |
|
углекислый газ |
| вещества, которые продуцируются в конечном результате процесса |
|
глюкоза |
Роль в природе
Каково же значение фотосинтеза в природе? Можно смело сказать, что жизнь на Земле зависит от фотосинтеза.
- С его помощью растения вырабатывают кислород, который так необходим для дыхания.
- В процессе дыхания выделяется углекислый газ. Если бы его не поглощали растения, то в атмосфере бы возник парниковый эффект. С появлением парникового эффекта может меняться климат, таять ледники, в результате может затопить много земельных участков.
- Процесс фотосинтеза помогает питать все живые существа, а также осуществляет снабжение человечества топливом.
- Благодаря выделяемому с помощью фотосинтеза кислороду в виде кислородно-озонового экрана атмосферы происходит защита всего живого от ультрафиолетового излучения.
Источник: https://1001student.ru/biologiya/biologicheskij-protsess-fotosinteza-i-ego-znachenie-v-prirode.html
Фазы фотосинтеза. Механизмы и связь между световой и темновой фазами фотосинтеза
Фотосинтез у зеленых растений – это процесс преобразования света в химическую энергию органических соединений, синтезируемых из диоксида углерода и воды. Процесс фотосинтеза представляет собой цепь окислительно-восстановительных реакций, совокупность которых принято подразделять на две фазы – световую и темновую.
Во время световой фазы фотосинтеза энергия солнечной радиации, поглощенная пигментными системами хлоропластов, преобразуется в электрохимическую.
Преобразование осуществляется путем переноса электронов и ионов водорода с помощью специальных переносчиков через мембрану тилакоидов. Такой перенос ионов Н+ и электронов выяснен еще не до конца. С позиции хемиосмотической теории П.
Митчелла в общих чертах его можно представить следующим образом.
При попадании кванта света на молекулу хлорофилла один из его электронов переходит на более высокий энергетический уровень, т. е. оказывается в возбужденном состоянии.
Возбужденный электрон может вернуться в основное состояние, и в этом случае его избыточная энергия выделяется в виде флуоресценции (красное свечение) или тепла, или же он передается в качестве энергии возбуждения другим молекулам. Кроме того, электрон может отрываться от молекулы хлорофилла.
В последнем случае электроны, обладающие запасом энергии, захватываются переносчиками, встроенными в мембрану, и парами переносятся на внешнюю сторону мембраны тилакоида.
Здесь электроны акцептируются коферментом НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), к которому присоединяется два протона из стромы и образуется НАДФ-восстановленный НАДФ ∙ H + H+:
НАДФ+ + 2e- + 2H+ → НАДФ ∙ H + H-.
Связывание протонов приводит к формированию отрицательного поля вокруг тилакоида.
Молекулы хлорофилла, утратившие электроны, являются сильными окислителями и заполняют «электронные дырки» электронами из молекул воды, находящихся внутри тилакоидов. Молекулы воды при этом разрушаются:
2H2O – 4e- → 4H+ + O2.
Этот процесс называется фотолизом, или фотоокислением воды. Благодаря фотолизу внутри тилакоида накапливаются положительно заряженные протоны H+ и образуется молекулярный кислород, который диффундирует в атмосферу.
Увеличение концентрации протонов внутри тилакоида осуществляется также благодаря активному закачиванию их из стромы, что сопряжено с транспортом электронов.
Таким образом, в результате поглощения хлорофиллом световой энергии и вызванного ею транспорта электронов на внутренней стороне мембраны тилакоидов создается электрохимический потенциал водорода (ΔμH+), имеющий две составляющие: концентрационную (ΔpH+), возникающую в результате неравномерного распределения H+ по разные стороны мембраны, и электрохимическую, обусловленную противоположными зарядами разных сторон мембраны тилакоида.
По мере накопления протонов на внутренней стороне тилакоида нарастает разность потенциалов и при достижении критической величины (150 мв) протоны начинают двигаться в строму через каналы фермента АТФ-синтетазы, встроенного в мембрану тилакоида. Энергия перехода H+ по протонному каналу используется для фосфорилирования имеющихся в матриксе молекул АДФ:
АДФ + Фн → АТФ.
Образовавшиеся молекулы АТФ переходят в строму, где участвуют в реакциях фиксации CO2.
Таким образом, в результате переноса электронов и протонов через мембрану тилакоида происходит превращение световой энергии в химическую энергию макроэргических связей молекулы АТФ, а также образование сильного восстановителя НАДФ ∙ H + H+ и выделение свободного кислорода. Кислород, образующийся при фотолизе воды, является побочным продуктом фотосинтеза. Он может использоваться дальше растительными клетками для дыхания или выделяться в атмосферу.
Темновая фаза осуществляется в строме хлоропластов без непосредственного участия света. Это восстановление CO2 до уровня органических веществ за счет использования энергии АТФ и НАДФ ∙ H + H+, синтезированных во время световой фазы.
Восстановление молекул CO2 начинается с их фиксации молекулами пятиуглеродного сахара рибулозодифосфата. При взаимодействии рибулозодифосфата и CO2 образуется сначала нестойкое шестиуглеродное соединение, которое затем ферментативным путем распадается на две трехуглеродные молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК).
Дальнейшее превращение ФГК требует участия продуктов световой фазы фотосинтеза – АТФ и НАДФ ∙ H + H+. При восстановлении фосфоглицериновой кислоты образуется фосфоглицериновый альдегид (триозофосфат) – первый сахар.
В конечном итоге через ряд промежуточных соединений образуются шестиуглеродные сахара, а затем другие органические вещества (амино- и органические кислоты, нуклеотиды, спирты, в том числе глицерол и др.):
CO2 + C5 → C6 → 2C3
2C3 + АТФ + НАДФ ∙ H + H+ → 2C3 + АДФ + НАДФ + H3PO4.
Следует учесть, что в этих реакциях одновременно участвуют многие однотипные молекулы. На определенном этапе судьба трехуглеродных молекул ФГА может оказаться различной.
Одни из них соединяются друг с другом и образуют шестиуглеродные сахара (C6H12O6), которые, в свою очередь, могут полимеризоваться в крахмал, целлюлозу и другие макромолекулы или использоваться на энергетические нужды клетки. Другие молекулы ФГА идут на синтез аминокислот путем присоединения аминогрупп или на синтез карбоновых кислот, спиртов и т. д.
Наконец, третьи вовлекаются в длинный ряд реакций, которые приводят к превращению трехуглеродных молекул в молекулы исходного пятиуглеродного сахара – рибулозодифосфата, которые снова могут акцептировать диоксид углерода. Поскольку часть трехуглеродных конечных продуктов превращается в новые молекулы рибулозодифосфата, процесс фиксации углерода, по существу представляет собой цикл.
Его называют C3-циклом (по C3-продуктам) или циклом Кальвина – в честь ученого, открывшего этот процесс. Следует также отметить, что неорганические соединения, используемые в цикле Кальвина, поглощаются корнями растений в виде нитратов, фосфатов и сульфатов из почвы.
В темновой фазе фотосинтеза энергия макроэргических связей АТФ преобразуется в химическую энергию органических веществ, т. е. энергия как бы консервируется в химических связях между атомами органических соединений.
Если объединить реакции световой и темновой фазы, исключив все промежуточные этапы, то получается суммарное уравнение процесса фотосинтеза:
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2.
В изучение процесса фотосинтеза, раскрытие его механизма большой вклад внесли русский ученый К. А. Тимирязев, американцы М. Кальвин и Д. Арнон, австралийцы М. Д. Хетч и К. Р. Слэйк, белорусские ученые Т. Н. Годнев, А. А. Шлык.
Читать далее
Источник: http://ed-lib.ru/biology/28-fazy-fotosinteza-mehanizmy-i-svjaz-mezhdu-svetovoj-i-temnovoj-fazami-fotosinteza.html
Биология и медицина
Большая часть солнечной энергии испускается в виде фотонов – квантов видимого света. Энергия света поглощается хлорофиллом и переводит его в возбужденное состояние.
Электрон в составе хлорофилла поглощает квант света определенной длины волны и перемещается на более высокий энергетический уровень этой молекулы. Такой электрон можно сравнить с камнем, поднятым на высоту, который приобретает потенциальную энергию и теряет ее, падая с высоты.
Возбужденный электрон, как по ступеням, перемещается по цепи переносчиков электронов. При этом он теряет энергию, которая служит для фосфорилирования АДФ в АТФ и запасания ее в высокоэнергетической связи этого соединения. Часть возбужденных светом электронов используется также для восстановления НАДФ+ в НАДФН.
Под действием солнечного света в хлоропластах происходит также расщепление молекулы воды – фотолиз , при этом образуются электроны, которые возмещают потери их хлорофиллом; в качестве побочного продукта при этом образуется кислород. В 1939г.
Роберту Хиллу впервые удалось показать, что в изолированных хлоропластах под действием света, при добавлении акцептора электронов, происходит выделение кислорода. Эта реакция, описываемая приведенным ниже уравнением, получила название реакции Хилла :
hv
2Н20+2А = 2АН2+02 где А – акцепторы электронов и протонов (или атомов водорода); такими акцепторами в хлоропластах являются молекулы НАДФ + ; hv – квант световой энергии (h – постоянная Планка, a v-частота излучения).
В составе хлоропластов описаны две фотосистемы разного строения и состава: фотосистема I и фотосистема II . На рис. 36 приведена схема, упрощенно изображающая просходящие в этих двух фотосистемах процессы.
В фотосистеме I имеется реакционный центр, представляющий собой молекулы хлорофилла в комплексе с особым белком. Этот комплекс поглощает красный свет с длиной волны в 700 нм, поэтому его называют фотохимическим центром Р700 (буква Р от англ. pigment – пигмент).
Под действием света электрон в этом реакционном центре переходит в возбужденное состояние, “перескакивая” на высокий энергетический уровень молекулы хлорофилла.
Возбужденный электрон хлорофилла переносится на ферредоксин , который представляет собой содержащий железо белок и является сильным биологическим восстановителем. От ферредоксина высокоэнергетические электроны через фермент – редуктазу ферредоксина переносятся на НАДФ + , восстанавливая его в НАДФН.
В молекулах хлорофилла фотосистемы I остаются при этом дыры – незаполненные места электронов, перешедших в НАДФН. Эти дыры заполняются электронами, которые образуются в фотосистеме II .
В фотосистеме II также имеется реакционный центр – комплекс хлорофилла с белком, который поглощает свет с длиной волны 680 нм (его называют Р680 ). Под действием света электрон хлорофилла в фотохимическом центре Р680 также переходит в возбужденное состояние и захватывается первым переносчиком в длинной цепи, обозначаемым буквой Z.
От этого акцептора электрон спускается по цепи переносчиков “вниз” и в конечном итоге заполняет дыру, образовавшуюся в хлорофилле фотосистемы I . Таким образом, фотосистема II поставляет электроны для фотосистемы I, которые расходуются в ней на восстановление НАДФ + в НАДФН. Однако это не единственная функция фотосистемы II.
Возбужденные светом электроны фотосистемы II от акцептора Z “перескакивают” вниз по цепи переносчиков, куда входят пластохинон (PQ) , цитохром b 563 , цитохром f , пластоцианин и конечный акцептор – хлорофилл фотосистемы I . На этом пути энергия электрона расходуется на “зарядку” универсального биологического аккумулятора: на фосфорилирование АДФ в богатую энергией АТФ .
Таким образом, энергия света запасается в молекулах АТФ и расходуется далее для синтеза углеводов, белков, нуклеиновых кислот и для иных жизненных процессов растений, а через них и иных живых организмов, населяющих нашу планету. Этой же цели служит НАДФН , образующийся в фотосистеме I.
Откуда берутся электроны в фотосистеме II для передачи их фотосистеме I? Многочисленные исследования показали, что источником электронов в фотосистеме I является вода. Расщепление молекулы воды фотолиз происходит благодаря энергии света, катализирует этот процесс марганецсодержащий ферментный комплекс.
При этом возникают электроны (е-), протоны (Н+) и в качестве побочного продукта кислород , который выделяется в атмосферу нашей планеты. Это тот кислород, которым мы дышим и который необходим всем аэробным организмам. Уравнение, изображающее фотолиз воды, выглядит так:
hv
2Н20=4Н+ 4е- +02
Ссылки:
- Световая стадия фотосинтеза
- ФОТОСИНТЕЗ И ХЕМОСИНТЕЗ
Источник: http://medbiol.ru/medbiol/biology_sk/0006d612.htm
Световая фаза фотосинтеза
Презентацию на тему Световая фаза фотосинтеза можно скачать абсолютно бесплатно на нашем сайте. Предмет презентации : Биология.
Красочные слайды и илюстрации помогут вам заинтересовать своих одноклассников или аудиторию.
Для просмотра содержимого презентации воспользуйтесь плеером, или если вы хотите скачать презентацию – нажмите на соответствующий текст под плеером. Презентация содержит 28 слайдов.
Тема: Световая фаза фотосинтеза
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный педагогический университет» (УрГПУ) Географо –биологический факультет (ГБФ)
ФОТОСИНТЕЗ
Биологический смысл: преобразование солнечной энергии в химическую энергию органических соединений.
СВЕТОВАЯ ФАЗА ТЕМНОВАЯ ФАЗА
Молекулы пигментов поглощают фотоны, передают поглощенную энергию молекулам хлорофилла, происходит трансформация энергии света в химическую энергию АТФ и восстановленного НАДФ*Н, выделяется кислород в результате фоторазложения воды. Эти процессы происходят на мембранах хлоропластов.
В строме хлоропластов восстанавливается поглощенный СО2 с образованием углеводов и других органических соединений.
Фотосинтез один из наиболее мощных процессов преобразования солнечной энергии (т. е. энергий термоядерных процессов, протекающих на Солнце), которая высвобождается в результате превращения водорода в гелий:
Фотон света (определенной длины волны), который поглощает хлорофилл.
Локализация фотосинтетического аппарата в клетке зеленого растения
Хлорофилл
Для более полного использования падающего на листья света, энергия фотонов улавливается 200-400 молекулами пигментов светособирающего (антенного) комплекса и передается к одной молекуле хлорофилла, являющейся реакционным центром, которая и участвует в фотохимических реакциях.
ХЛОРОПЛАСТ ЯДРО ВАКУОЛЬ ГРАНА СТРОМА ТИЛАКОИД ЛЮМЕН
Необходимо нажать на этот значок, для просмотра фильма: Хлоропласт: 046.avi
ЛАМЕЛЛА РИБОСОМА ЦИТОПЛАЗМА
Электрон в составе молекулы хлорофилла, и энергия фотона переходит в энергию перемещения электрона на вышележащую орбиталь, т.е. на более высокий энергетический уровень.
Атом молекулы хлорофилла
ЭТОТ ЭЛЕКТРОН ПЕРЕДАЕТСЯ ПО ЦЕПИ ЦИТОХРОМОВ
Фотон света
Фотофосфорилирование: электрон переходит от одного цитохрома к другому, при этом он теряет часть энергии (солнечную энергию), и энергия преобразуется в энергию АТФ. Посредник акцептор (принимает) электрона НАДФ. Электрон перемещается через мембрану тилакоида.
Фотолиз воды Н2О ОН- + Н+ ГИДРОКСИЛ ПРОТОН 4ОН – 2Н2О+О2
ЭЛЕКТРОН НА МОЛЕКУЛУ ХЛОРОФИЛЛА
Хлорофилл потерял свой электрон, но он должен его за счет чего-либо компенсировать –компенсацию оказывает анион гидроксила, образовавшегося при фотолизе воды.
Остается анион ОН- –он неустойчив, и ему тоже необходим электрон –поэтому образуется кислород и вода (это побочные продукты процесса, их условно можно назвать «отходы производства»). 4ОН – 2Н2О+О2
Протоны водорода скапливаются внутри тилакоидов (люмен) на мембране, а с другой стороны (внешняя сторона) скапливаются НАДФ с электроном.
Н+ е-
Когда протоны (+ заряд) с одной стороны и электроны (- заряд) с другой стороны скапливаются в значительных количествах, то возникает потенциал действия: ионы водорода устремляются к электронам через мембрану тилакоида в месте с АТФ-синтетазой. Она активизируется и образуется АТФ.
АТФ
Водород присоединяется к НАДФ с электроном и образуется НАДФ*Н.
Фотосинтез начинается с улавливания света пигментами –хлорофиллами входящими в состав хлоропластов клеток.
Совокупность молекул светособирающего комплекса и реакционного центра составляет фотосистему
Предположение о существовании в хлоропластах двух фотосистем высказал Р. Эмерсон в 1957 г, изучая влияние света на квантовый выход (количество выделившегося кислорода или связанного углекислого газа на 1 квант поглощенной энергии ) фотосинтеза у водоросли хлореллы.
СХЕМА ОРГАНИЗАЦИИ ТИЛАКОИДОВ ГРАН И СТРОМЫ
ОБЩАЯ СХЕМА СВЕТОВОЙ ФАЗЫ ФОТОСИНТЕЗА
Мембрана тилакоида
АТФ-синтетазы Цепь цитохромов Вода (Н2О) ОН- + Н+ Фосфорилирование НАДФ НАДФ* + Н+ НАДФ*Н Электрон 4ОН 2Н2О + О2
ОБЩАЯ СХЕМА ФОТОСИНТЕЗА И ЕГО ПРОДУКТЫ
АЭРОБНЫЙ АНАЭРОБНЫЙ
ВЫДЕЛЕНИЕ КИСЛОРОДА
КИСЛОРОД НЕ ВЫДЕЛЯЕТСЯ
Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется: 150 млрд. тонн органического вещества (первичная продукция). 2. Выделяется около 200 млн. тонн свободного кислорода.
Выводы: Световая фаза фотосинтеза очень сложный физиологический процесс преобразования энергии, которая протекает в хлоропластах (на тилакоидах гран).
Известно, что солнечная энергия не может непосредственно участвовать в образовании органического вещества, так вот в преобразовании этой нескончаемой энергии, и заключается основной биологический смысл световой фазы.
Энергия солнца запасается в связях химических соединений (АТФ и НАДФ*Н), которые в последующем смогут участвовать в других процессах фотосинтез (темновая фаза). Световая фаза фотосинтеза очень сложный биологический процесс, требующий понимания законов физики и химия.
А так же их последующая интеграция в биологическую науку, только в свете ее мы сможем полностью понять и осознать значение данного процесса для биосферы нашей планеты.
Источник: https://prezentacii.org/prezentacii/prezentacii-po-biologii/3536-svetovaya-faza-fotosinteza.html
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 |
Фотосинтез — видео
Источник: https://life-students.ru/fazy-fotosinteza-opisanie-i-tablica/
Загрузка...
