Fotosinteză este un ansamblu de procese pentru sinteza compușilor organici din cei anorganici datorită conversiei energiei luminoase în energia legăturilor chimice. Organismele fototrofe includ plante verzi, unele procariote - cianobacterii, bacterii cu sulf violet și verde și flagelate de plante.
Cercetările asupra procesului de fotosinteză au început în a doua jumătate a secolului al XVIII-lea. Descoperire importantă realizat de remarcabilul om de știință rus K. A. Timiryazev, care a fundamentat doctrina rolului cosmic al plantelor verzi. Plantele absorb lumina solară și transformă energia luminii în energia legăturilor chimice ale compușilor organici sintetizati de ele. Astfel, ele asigură conservarea și dezvoltarea vieții pe Pământ. De asemenea, omul de știință a fundamentat teoretic și a demonstrat experimental rolul clorofilei în absorbția luminii în timpul fotosintezei.
Clorofilele sunt principalii pigmenți fotosintetici. Ele sunt similare ca structură cu hemoglobinei, dar conțin magneziu în loc de fier. Conținutul de fier este necesar pentru a asigura sinteza moleculelor de clorofilă. Există mai multe clorofile care diferă în ceea ce privește structura chimica. Obligatoriu pentru toate fototrofele este clorofila a . Clorofilăb găsite în plantele verzi clorofila c – în diatomee și alge brune. Clorofila d caracteristic algelor roșii.
Bacteriile fotosintetice verzi și violet au special bacterioclorofile . Fotosinteza bacteriană are multe în comun cu fotosinteza plantelor. Diferă prin aceea că, la bacterii, donorul de hidrogen este hidrogenul sulfurat, iar la plante este apa. Bacteriile verzi și violete nu au fotosistemul II. Fotosinteza bacteriană nu este însoțită de eliberarea de oxigen. Ecuația generală pentru fotosinteza bacteriană este:
6C02 + 12H2S → C6H12O6 + 12S + 6H20.
Fotosinteza se bazează pe procesul redox. Este asociat cu transferul de electroni de la compușii care furnizează electroni-donatori la compușii care îi acceptă - acceptori. Energia luminii este transformată în energia compușilor organici sintetizați (carbohidrați).
Există structuri speciale pe membranele cloroplastelor - centre de reacție care conțin clorofilă. În plantele verzi și cianobacteriile, există două fotosisteme – primul (eu) Şi secunda (II) , care au centre de reacție diferite și sunt interconectate printr-un sistem de transfer de electroni.
Două faze ale fotosintezei
Procesul de fotosinteză constă din două faze: lumină și întuneric.
Apare numai în prezența luminii pe membranele interioare ale mitocondriilor din membranele structurilor speciale - tilacoizi . Pigmenții fotosintetici captează cuante de lumină (fotoni). Aceasta duce la „excitarea” unuia dintre electronii moleculei de clorofilă. Cu ajutorul moleculelor purtătoare, electronul se deplasează pe suprafața exterioară a membranei tilacoide, dobândind o anumită energie potențială.
Acest electron în fotosistemul I poate reveni la nivelul său de energie și o poate restabili. NADP (nicotinamid adenin dinucleotid fosfat) poate fi de asemenea transmis. Prin interacțiunea cu ionii de hidrogen, electronii restaurează acest compus. NADP redus (NADP H) furnizează hidrogen pentru a reduce CO 2 atmosferic la glucoză.
Procese similare apar în fotosistemul II . Electronii excitați pot fi transferați în fotosistemul I și restabiliți-l. Restaurarea fotosistemului II are loc datorită electronilor furnizați de moleculele de apă. Moleculele de apă se despart (fotoliza apei) în protoni de hidrogen și oxigen molecular, care este eliberat în atmosferă. Electronii sunt utilizați pentru a restabili fotosistemul II. Ecuația fotolizei apei:
2Н 2 0 → 4Н + + 0 2 + 2е.
Când electronii de pe suprafața exterioară a membranei tilacoide revin la nivelul de energie anterior, energia este eliberată. Este stocat sub formă de legături chimice molecule de ATP, care sunt sintetizate în timpul reacțiilor din ambele fotosisteme. Procesul de sinteză a ATP cu ADP și acid fosforic se numește fotofosforilarea . O parte din energie este folosită pentru a evapora apa.
În timpul fazei de lumină a fotosintezei, se formează compuși bogați în energie: ATP și NADP H. În timpul descompunerii (fotolizei) moleculelor de apă, oxigenul molecular este eliberat în atmosferă.
Reacțiile au loc în mediul intern al cloroplastelor. Ele pot apărea atât în prezența luminii, cât și fără ea. Substanțele organice sunt sintetizate (C0 2 se reduce la glucoză) folosind energia care s-a format în faza luminoasă.
Procesul de reducere a dioxidului de carbon este ciclic și se numește Ciclul Calvin . Numit după cercetătorul american M. Calvin, care a descoperit acest proces ciclic.
Ciclul începe cu reacția dioxidului de carbon atmosferic cu ribuloză bifosfat. Procesul este catalizat de o enzimă carboxilază . Bifosfatul de ribuloză este un zahăr cu cinci atomi de carbon combinat cu două unități de acid fosforic. Se întâmplă o serie intreaga transformări chimice, fiecare dintre ele catalizează propria sa enzimă specifică. Cum se formează produsul final al fotosintezei? glucoză , iar ribuloza bifosfat este de asemenea redus.
Ecuația generală pentru procesul de fotosinteză este:
6C0 2 + 6H 2 0 → C 6 H 12 O 6 + 60 2
Datorită procesului de fotosinteză, energia luminoasă de la Soare este absorbită și transformată în energia legăturilor chimice ale carbohidraților sintetizați. Energia este transferată prin lanțurile trofice către organisme heterotrofe. În timpul fotosintezei, dioxidul de carbon este absorbit și oxigenul este eliberat. Tot oxigenul atmosferic este de origine fotosintetică. Peste 200 de miliarde de tone de oxigen liber sunt eliberate anual. Oxigenul protejează viața de pe Pământ de radiații ultraviolete, creând un scut de ozon al atmosferei.
Procesul de fotosinteză este ineficient, deoarece doar 1-2% este transformat în materie organică sintetizată. energie solară. Acest lucru se datorează faptului că plantele nu absorb suficient de lumină, o parte din aceasta este absorbită de atmosferă etc. Cea mai mare parte a luminii solare este reflectată de la suprafața Pământului înapoi în spațiu.
Unde are loc fotosinteza?
frunzele plantelor verzi
Definiţie
1) faza de lumina;
2) Faza intunecata.
Fazele fotosintezei
Faza de lumină
Faza intunecata
Rezultat
Unde are loc fotosinteza?
Ei bine, pentru a răspunde imediat la întrebare, voi spune că fotosinteza are loc în frunzele plantelor verzi, sau mai degrabă în celulele lor. Rolul principal aici este jucat de cloroplate, celule speciale fără de care fotosinteza este imposibilă. Voi observa că acest proces, fotosinteza, este, mi se pare, o proprietate uimitoare a viețuitoarelor.
La urma urmei, toată lumea știe că prin fotosinteză, dioxidul de carbon este absorbit și oxigenul este eliberat. Un astfel de fenomen este simplu de înțeles și, în același timp, unul dintre cele mai complexe procese ale organismelor vii, la care participă un număr mare de particule și molecule diferite. Pentru ca la final oxigenul pe care îl respirăm cu toții să fie eliberat.
Ei bine, voi încerca să vă spun cum obținem oxigen prețios.
Definiţie
Fotosinteza – sinteza materie organică din anorganic cu ajutorul razelor solare. Cu alte cuvinte, lumina soarelui care cade pe frunze oferă energia necesară procesului de fotosinteză. Ca rezultat, din materie anorganică se formează materia organică și se eliberează oxigen din aer.
Fotosinteza are loc în 2 faze:
1) faza de lumina;
2) Faza intunecata.
O să vă povestesc puțin despre fazele fotosintezei.
Fazele fotosintezei
Faza de lumină- după cum sugerează și numele, apare în lumină, pe membrana suprafeței celulelor frunzelor verzi (din punct de vedere științific, pe membrana grann). Principalii participanți aici vor fi clorofila, molecule speciale de proteine (proteine de transport) și ATP sintetaza, care este un furnizor de energie.
Faza de lumină, ca și procesul de fotosinteză în general, începe cu acțiunea unui cuantum de lumină asupra moleculei de clorofilă. Ca urmare a acestei interacțiuni, clorofila intră într-o stare excitată, motiv pentru care tocmai această moleculă pierde un electron, care merge pe suprafața exterioară a membranei. Mai mult, pentru a restabili electronul pierdut, molecula de clorofilă îl îndepărtează de molecula de apă, ceea ce provoacă descompunerea acestuia. Știm cu toții că apa constă din două molecule de hidrogen și unul de oxigen, iar când apa se descompune, oxigenul intră în atmosferă, iar hidrogenul încărcat pozitiv se adună pe suprafața interioară a membranei.
Astfel, s-a dovedit că electronii încărcați negativ sunt concentrați pe o parte și protonii de hidrogen încărcați pozitiv pe cealaltă parte. Din acest moment apare o moleculă de ATP sintetază, care formează un fel de coridor pentru trecerea protonilor către electroni și pentru a reduce această diferență de concentrație, despre care am discutat mai jos. În acest moment, faza luminoasă se termină și se termină cu formarea moleculei de energie ATP și refacerea moleculei transportoare specifice NADP*H2.
Cu alte cuvinte, a avut loc descompunerea apei, din cauza căreia a fost eliberat oxigen și s-a format o moleculă de ATP, care va furniza energie pentru cursul ulterioar al fotosintezei.
Faza intunecata– în mod ciudat, această fază poate apărea atât în lumină, cât și în întuneric. Această fază are loc în organele speciale ale celulelor frunzelor care sunt implicate activ în fotosinteză (plastide). Această fază include mai multe reacții chimice care apar cu ajutorul aceleiași molecule de ATP sintetizate în prima fază și NADPH. La rândul lor, rolurile principale aici aparțin apei și dioxidului de carbon. Faza întunecată necesită o furnizare continuă de energie. Dioxidul de carbon provine din atmosferă, hidrogenul s-a format în prima fază, iar molecula de ATP este responsabilă de energie. Principalul rezultat al fazei întunecate sunt carbohidrații, adică materia organică de care au nevoie plantele pentru a trăi.
Rezultat
Așa are loc însuși procesul de formare a materiei organice (carbohidrați) din materia anorganică. Ca urmare, plantele primesc produsele de care au nevoie pentru a trăi, iar noi primim oxigen din aer. Voi adăuga că întregul proces are loc exclusiv în plantele verzi, ale căror celule conțin cloroplaste („celule verzi”).
Util0 0 Nu foarte util
Fotosinteza este conversia energiei luminoase în energia legăturilor chimice compuși organici.
Fotosinteza este caracteristică plantelor, incluzând toate algele, un număr de procariote, inclusiv cianobacteriile și unele eucariote unicelulare.
În cele mai multe cazuri, fotosinteza produce oxigen (O2) ca produs secundar. Cu toate acestea, acest lucru nu este întotdeauna cazul, deoarece există mai multe căi diferite pentru fotosinteză. În cazul eliberării de oxigen, sursa sa este apa, din care atomii de hidrogen sunt separați pentru nevoile fotosintezei.
Fotosinteza constă în multe reacții în care sunt implicați diverși pigmenți, enzime, coenzime etc. Principalii pigmenți sunt clorofilele, pe lângă acestea - carotenoizi și ficobiline.
În natură, sunt comune două căi de fotosinteză a plantelor: C 3 și C 4. Alte organisme au propriile lor reacții specifice. Ceea ce unește aceste procese diferite sub termenul „fotosinteză” este că în toate, energia fotonilor este convertită într-o legătură chimică. Pentru comparație: în timpul chimiosintezei, energia este convertită legătură chimică unii compuși (anorganici) la alții – organici.
Există două faze ale fotosintezei - lumină și întuneric. Prima depinde de radiația luminoasă (hν), care este necesară pentru ca reacțiile să apară. Faza întunecată este independentă de lumină.
La plante, fotosinteza are loc în cloroplaste. Ca rezultat al tuturor reacțiilor se formează substanțe organice primare, din care apoi se sintetizează carbohidrați, aminoacizi, acizi grași etc. Reacția totală a fotosintezei se scrie de obicei în raport glucoza - cel mai comun produs al fotosintezei:
6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
Atomii de oxigen incluși în molecula de O 2 sunt prelevați nu din dioxid de carbon, ci din apă. Dioxidul de carbon este o sursă de carbon, ceea ce este mai important. Datorită legăturii sale, plantele au posibilitatea de a sintetiza materia organică.
Reacția chimică prezentată mai sus este generalizată și totală. Este departe de esența procesului. Deci glucoza nu se formează din șase molecule individuale dioxid de carbon. Legarea CO 2 are loc o moleculă la un moment dat, care se atașează mai întâi la un zahăr existent cu cinci atomi de carbon.
Procariotele au propriile lor caracteristici de fotosinteză. Deci, în bacterii, pigmentul principal este bacterioclorofila, iar oxigenul nu este eliberat, deoarece hidrogenul nu este luat din apă, ci adesea din hidrogen sulfurat sau alte substanțe. În algele albastre-verzi, pigmentul principal este clorofila, iar oxigenul este eliberat în timpul fotosintezei.
Faza ușoară a fotosintezei
În faza de lumină a fotosintezei, ATP și NADP H 2 sunt sintetizate datorită energiei radiante. Se întâmplă asupra tilacoidelor cloroplastice, unde pigmenții și enzimele formează complexe complexe pentru funcționarea circuitelor electrochimice prin care se transmit electronii și parțial protonii de hidrogen.
Electronii ajung în cele din urmă cu coenzima NADP, care, fiind încărcată negativ, atrage o parte din protoni și se transformă în NADP H 2. De asemenea, acumularea de protoni pe o parte a membranei tilacoide și de electroni pe cealaltă creează un gradient electrochimic, al cărui potențial este utilizat de enzima ATP sintetaza pentru a sintetiza ATP din ADP și acid fosforic.
Principalii pigmenți ai fotosintezei sunt diverse clorofile. Moleculele lor captează radiația anumitor spectre de lumină, parțial diferite. În acest caz, unii electroni ai moleculelor de clorofilă se deplasează la un nivel de energie mai înalt. Aceasta este o stare instabilă și, teoretic, electronii, prin aceeași radiație, ar trebui să elibereze în spațiu energia primită din exterior și să revină la nivelul anterior. Cu toate acestea, în celulele fotosintetice, electronii excitați sunt capturați de acceptori și, cu o scădere treptată a energiei lor, sunt transferați de-a lungul unui lanț de purtători.
Există două tipuri de fotosisteme pe membranele tilacoide care emit electroni atunci când sunt expuse la lumină. Fotosistemele sunt un complex complex de pigmenți de clorofilă cu un centru de reacție din care sunt îndepărtați electronii. Într-un fotosistem, lumina soarelui prinde multe molecule, dar toată energia este colectată în centrul de reacție.
Electronii din fotosistemul I, care trec prin lanțul de transportatori, reduc NADP.
Energia electronilor eliberați de fotosistemul II este utilizată pentru sinteza ATP.Și electronii fotosistemului II înșiși umplu golurile de electroni ale fotosistemului I.
Găurile celui de-al doilea fotosistem sunt umplute cu electroni rezultați din fotoliza apei. Fotoliza are loc și cu participarea luminii și constă în descompunerea H 2 O în protoni, electroni și oxigen. În urma fotolizei apei se formează oxigenul liber. Protonii sunt implicați în crearea unui gradient electrochimic și reducerea NADP. Electronii sunt primiți de clorofila fotosistemului II.
Aproximativ ecuație rezumativă faza ușoară a fotosintezei:
H 2 O + NADP + 2ADP + 2P → ½O 2 + NADP H 2 + 2ATP
Transportul ciclic de electroni
Așa-numitul faza luminoasă neciclică a fotosintezei. Sunt mai multe transportul ciclic de electroni atunci când nu are loc reducerea NADP. În acest caz, electronii din fotosistemul I merg în lanțul transportor, unde are loc sinteza ATP. Adică, acest lanț de transport de electroni primește electroni din fotosistemul I, nu din II. Primul fotosistem, așa cum spune, implementează un ciclu: electronii emiși de acesta îi sunt returnați. Pe parcurs, ei cheltuiesc o parte din energia lor pentru sinteza ATP.
Fotofosforilarea și fosforilarea oxidativă
Faza ușoară a fotosintezei poate fi comparată cu etapa respirației celulare - fosforilarea oxidativă, care are loc pe cresta mitocondriilor. Sinteza ATP are loc și acolo datorită transferului de electroni și protoni printr-un lanț de purtători. Cu toate acestea, în cazul fotosintezei, energia este stocată în ATP nu pentru nevoile celulei, ci în principal pentru nevoile fazei întunecate a fotosintezei. Și dacă în timpul respirației sursa inițială de energie sunt substanțele organice, atunci în timpul fotosintezei este lumina soarelui. Se numește sinteza ATP în timpul fotosintezei fotofosforilarea mai degrabă decât fosforilarea oxidativă.
Faza întunecată a fotosintezei
Pentru prima dată, faza întunecată a fotosintezei a fost studiată în detaliu de către Calvin, Benson și Bassem. Ciclul de reacție pe care l-au descoperit a fost numit mai târziu ciclul Calvin, sau fotosinteza C3. La anumite grupuri de plante se observă o cale fotosintetică modificată - C 4, numită și ciclul Hatch-Slack.
În reacțiile întunecate ale fotosintezei, CO 2 este fixat. Faza întunecată apare în stroma cloroplastului.
Reducerea CO 2 are loc datorită energiei ATP și forței reducătoare a NADP H 2 formată în reacțiile cu lumină. Fără ele, fixarea carbonului nu are loc. Prin urmare, deși faza întunecată nu depinde direct de lumină, de obicei apare și în lumină.
Ciclul Calvin
Prima reacție a fazei întunecate este adăugarea de CO 2 ( carboxilareae) la 1,5-ribuloză bifosfat ( Ribuloză-1,5-bifosfat) – RiBF. Acesta din urmă este o riboză dublu fosforilată. Această reacție este catalizată de enzima ribuloză-1,5-difosfat carboxilază, numită și rubisco.
Ca urmare a carboxilării, se formează un compus instabil cu șase atomi de carbon, care, ca urmare a hidrolizei, se descompune în două molecule cu trei atomi de carbon. acid fosfogliceric (PGA)- primul produs al fotosintezei. PGA se mai numește și fosfoglicerat.
RiBP + CO2 + H20 → 2FGK
FHA conține trei atomi de carbon, dintre care unul face parte din grupa carboxil acidă (-COOH):
Din PGA se formează zahărul cu trei atomi de carbon (fosfat de gliceraldehidă). trioză fosfat (TP), care include deja gruparea aldehidă(-CHO):
FHA (3-acizi) → TF (3-zahăr)
Această reacție necesită energia ATP și puterea reducătoare a NADP H2. TF este primul carbohidrat al fotosintezei.
După aceasta, cea mai mare parte a trioză fosfat este cheltuită pentru regenerarea ribulozei bifosfat (RiBP), care este din nou folosit pentru fixarea CO2. Regenerarea include o serie de reacții consumatoare de ATP care implică zahăr fosfați cu un număr de atomi de carbon de la 3 la 7.
Acest ciclu al RiBF este ciclul Calvin.
O parte mai mică a TF format în el părăsește ciclul Calvin. În ceea ce privește 6 molecule legate de dioxid de carbon, randamentul este de 2 molecule de trioză fosfat. Reacția totală a ciclului cu produsele de intrare și de ieșire:
6CO2 + 6H2O → 2TP
În acest caz, 6 molecule de RiBP participă la legare și se formează 12 molecule de PGA, care sunt convertite în 12 TF, dintre care 10 molecule rămân în ciclu și sunt convertite în 6 molecule de RiBP. Deoarece TP este un zahăr cu trei atomi de carbon, iar RiBP este unul cu cinci atomi de carbon, atunci în raport cu atomii de carbon avem: 10 * 3 = 6 * 5. Numărul de atomi de carbon care asigură ciclul nu se modifică, toate RiBP necesare este regenerat. Și șase molecule de dioxid de carbon care intră în ciclu sunt cheltuite pentru formarea a două molecule de trioză fosfat care părăsesc ciclul.
Ciclul Calvin, pentru 6 molecule de CO 2 legate, necesită 18 molecule ATP și 12 molecule NADP H 2, care au fost sintetizate în reacțiile fazei luminoase a fotosintezei.
Calculul se bazează pe două molecule de trioză fosfat care părăsesc ciclul, deoarece molecula de glucoză formată ulterior include 6 atomi de carbon.
Fosfatul de trioză (TP) este produsul final al ciclului Calvin, dar cu greu poate fi numit produsul final al fotosintezei, deoarece aproape că nu se acumulează, ci, reacționând cu alte substanțe, este transformat în glucoză, zaharoză, amidon, grăsimi. , acizi grași și aminoacizi. În afară de TF rol important FGK joacă. Cu toate acestea, astfel de reacții apar nu numai în organismele fotosintetice. În acest sens, faza întunecată a fotosintezei este aceeași cu ciclul Calvin.
Zahărul cu șase atomi de carbon este format din FHA prin cataliză enzimatică treptat fructoză 6-fosfat, care se transformă în glucoză. La plante, glucoza se poate polimeriza în amidon și celuloză. Sinteza carbohidraților este similară cu procesul invers al glicolizei.
Fotorespirația
Oxigenul inhibă fotosinteza. Cu cât mai mult O 2 in mediu, cu atât procesul de legare a CO 2 este mai puțin eficient. Faptul este că enzima ribuloză bifosfat carboxilază (rubisco) poate reacționa nu numai cu dioxidul de carbon, ci și cu oxigenul. În acest caz, reacțiile întunecate sunt oarecum diferite.
Fosfoglicolatul este acid fosfoglicolic. Grupul fosfat este imediat separat de acesta și se transformă în acid glicolic (glicolat). Pentru a-l „recicla”, este din nou nevoie de oxigen. Prin urmare, cu cât este mai mult oxigen în atmosferă, cu atât va stimula mai mult fotorespirația și cu atât planta va avea nevoie de mai mult oxigen pentru a scăpa de produșii de reacție.
Fotorespirația este consumul de oxigen dependent de lumină și eliberarea de dioxid de carbon. Adică schimbul de gaze are loc ca în timpul respirației, dar are loc în cloroplaste și depinde de radiația luminoasă. Fotorespirația depinde doar de lumină deoarece ribuloză bifosfat se formează numai în timpul fotosintezei.
În timpul fotorespirației, atomii de carbon din glicolat sunt returnați la ciclul Calvin sub formă de acid fosfogliceric (fosfoglicerat).
2 Glicolat (C 2) → 2 Glioxilat (C 2) → 2 Glicina (C 2) - CO 2 → Serina (C 3) → Hidroxipiruvat (C 3) → Glicerat (C 3) → FHA (C 3)
După cum puteți vedea, întoarcerea nu este completă, deoarece un atom de carbon se pierde atunci când două molecule de glicină sunt transformate într-o moleculă de aminoacid serină și este eliberat dioxid de carbon.
Oxigenul este necesar în timpul conversiei glicolatului în glioxilat și a glicinei în serină.
Transformarea glicolatului în glioxilat și apoi în glicină are loc în peroxizomi, iar sinteza serinei în mitocondrii. Serina intră din nou în peroxizomi, unde este mai întâi transformată în hidroxipiruvat și apoi glicerat. Gliceratul intră deja în cloroplaste, unde PGA este sintetizat din acesta.
Fotorespirația este caracteristică în principal plantelor cu fotosinteză de tip C 3. Poate fi considerat dăunător, deoarece energia este irosită la conversia glicolatului în PGA. Se pare că fotorespirația a apărut din cauza faptului că plantele antice nu erau pregătite pentru o cantitate mare de oxigen în atmosferă. Inițial, evoluția lor a avut loc într-o atmosferă bogată în dioxid de carbon, iar aceasta a captat în principal centrul de reacție al enzimei rubisco.
C 4 fotosinteza sau ciclul Hatch-Slack
Dacă în timpul fotosintezei C3 primul produs al fazei întunecate este acidul fosfogliceric, care conține trei atomi de carbon, atunci în timpul căii C4 primii produși sunt acizii care conțin patru atomi de carbon: malic, oxaloacetic, aspartic.
Fotosinteza C 4 este observată la multe plante tropicale, de exemplu, trestia de zahăr și porumb.
Plantele C4 absorb monoxidul de carbon mai eficient și aproape că nu au fotorespirație.
Plantele în care faza întunecată a fotosintezei se desfășoară de-a lungul căii C4 au o structură specială a frunzelor. În ea, fasciculele vasculare sunt înconjurate de un strat dublu de celule. Stratul interior este căptușeala fasciculului conductor. Stratul exterior este reprezentat de celule mezofile. Cloroplastele straturilor celulare sunt diferite unele de altele.
Cloroplastele mezofile sunt caracterizate prin grana mare, activitate ridicată a fotosistemelor și absența enzimei RiBP-carboxilază (rubisco) și amidon. Adică, cloroplastele acestor celule sunt adaptate în primul rând pentru faza ușoară a fotosintezei.
În cloroplastele celulelor fasciculului vascular, granele sunt aproape nedezvoltate, dar concentrația de carboxilază RiBP este mare. Aceste cloroplaste sunt adaptate pentru faza întunecată a fotosintezei.
Dioxidul de carbon intră mai întâi în celulele mezofile, se leagă de acizi organici, în această formă este transportat în celulele învelișului, eliberat și legat în continuare în același mod ca la plantele C 3. Adică calea C4 completează, mai degrabă decât înlocuiește C3.
În mezofilă, CO2 se combină cu fosfoenolpiruvatul (PEP) pentru a forma oxaloacetat (un acid) care conține patru atomi de carbon:
Reacția are loc cu participarea enzimei PEP carboxilază, care are o afinitate mai mare pentru CO2 decât rubisco. În plus, PEP carboxilaza nu interacționează cu oxigenul, ceea ce înseamnă că nu este cheltuită pentru fotorespirație. Astfel, avantajul fotosintezei C 4 este o fixare mai eficientă a dioxidului de carbon, o creștere a concentrației acestuia în celulele învelișului și, în consecință, o funcționare mai eficientă a carboxilazei RiBP, care aproape că nu este cheltuită pentru fotorespirație.
Oxaloacetatul este transformat într-un acid dicarboxilic cu 4 atomi de carbon (malat sau aspartat), care este transportat în cloroplastele celulelor învelișului mănunchiului. Aici acidul este decarboxilat (eliminarea CO2), oxidat (eliminarea hidrogenului) și transformat în piruvat. Hidrogenul reduce NADP. Piruvatul se întoarce în mezofilă, unde PEP este regenerat din acesta odată cu consumul de ATP.
CO2 separat în cloroplastele celulelor învelișului merge pe calea obișnuită C3 a fazei întunecate a fotosintezei, adică la ciclul Calvin.
Fotosinteza prin calea Hatch-Slack necesită mai multă energie.
Se crede că calea C4 a apărut mai târziu în evoluție decât calea C3 și este în mare măsură o adaptare împotriva fotorespirației.
Istoria descoperirii unui fenomen uimitor și de o importanță vitală, cum ar fi fotosinteza, este adânc înrădăcinată în trecut. În urmă cu mai bine de patru secole, în 1600, omul de știință belgian Jan Van Helmont a efectuat un experiment simplu. A pus o crenguță de salcie într-o pungă care conținea 80 kg de pământ. Omul de știință a înregistrat greutatea inițială a salciei și apoi a udat planta exclusiv cu apă de ploaie timp de cinci ani. Imaginați-vă surpriza lui Jan Van Helmont când a cântărit din nou salcia. Greutatea plantei a crescut cu 65 kg, iar masa pământului a scăzut cu doar 50 de grame! Unde planta a primit 64 kg 950 de grame de nutrienți rămâne un mister pentru om de știință!
Următorul experiment semnificativ pe calea descoperirii fotosintezei i-a aparținut chimistului englez Joseph Priestley. Omul de știință a pus un șoarece sub capotă, iar cinci ore mai târziu rozătoarea a murit. Când Priestley a pus o crenguță de mentă cu șoarecele și a acoperit și rozătoarea cu o șapcă, șoarecele a rămas în viață. Acest experiment l-a condus pe om de știință la ideea că există un proces opus respirației. Jan Ingenhouse în 1779 a stabilit faptul că numai părțile verzi ale plantelor sunt capabile să elibereze oxigen. Trei ani mai târziu, omul de știință elvețian Jean Senebier a dovedit că dioxidul de carbon, sub influență razele solare, se descompune în organele de plante verzi. Doar cinci ani mai târziu, savantul francez Jacques Boussingault, dirijor teste de laborator, a descoperit faptul că absorbția apei de către plante are loc și în timpul sintezei substanțelor organice. Descoperirea epocală a fost făcută în 1864 de botanistul german Julius Sachs. El a reușit să demonstreze că volumul de dioxid de carbon consumat și oxigenul eliberat are loc într-un raport de 1:1.
Fotosinteza este unul dintre cele mai importante procese biologice
În termeni științifici, fotosinteza (din greaca veche φῶς - lumină și σύνθεσις - conexiune, legare) este un proces în care substanțele organice se formează din dioxid de carbon și apă în lumină. Rolul principal în acest proces revine segmentelor fotosintetice.
Vorbind la figurat, o frunză de plantă poate fi comparată cu un laborator, ale cărui ferestre sunt orientate spre partea însorită. În ea are loc formarea substanțelor organice. Acest proces este baza existenței întregii vieți pe Pământ.
Mulți își vor pune în mod rezonabil întrebarea: ce respiră oamenii care locuiesc într-un oraș, unde nici măcar nu poți găsi un copac sau un fir de iarbă în timpul zilei cu foc? Răspunsul este foarte simplu. Cert este că plantele terestre reprezintă doar 20% din oxigenul eliberat de plante. Algele marine joacă un rol principal în producerea de oxigen în atmosferă. Acestea reprezintă 80% din oxigenul produs. Vorbind în limbajul numerelor, atât plantele, cât și algele eliberează anual 145 de miliarde de tone (!) de oxigen în atmosferă! Nu degeaba oceanele lumii sunt numite „plămânii planetei”.
Formula generala fotosinteza arată astfel:
Apă + Dioxid de carbon + Lumină → Carbohidrați + Oxigen
De ce plantele au nevoie de fotosinteză?
După cum am aflat, fotosinteza este conditie necesara existența omului pe Pământ. Cu toate acestea, acesta nu este singurul motiv pentru care organismele fotosintetice produc în mod activ oxigen în atmosferă. Cert este că atât algele, cât și plantele formează anual peste 100 de miliarde de substanțe organice (!), care stau la baza activității lor de viață. Amintindu-ne de experimentul lui Jan Van Helmont, înțelegem că fotosinteza este baza nutriției plantelor. S-a dovedit științific că 95% din recoltă este determinată de substanțele organice obținute de plantă în timpul procesului de fotosinteză, iar 5% de îngrășămintele minerale pe care grădinarul le aplică solului.
Locuitorii moderni de vară acordă o atenție principală nutriției solului a plantelor, uitând de nutriția aerului acestuia. Nu se știe ce fel de recoltă ar putea obține grădinarii dacă ar fi atenți la procesul de fotosinteză.
Cu toate acestea, nici plantele, nici algele nu ar putea produce oxigen și carbohidrați atât de activ dacă nu ar avea un pigment verde uimitor - clorofila.
Misterul Pigmentului Verde
Principala diferență dintre celulele plantelor și celulele altor organisme vii este prezența clorofilei. Apropo, el este responsabil pentru faptul că frunzele plantelor sunt colorate cu precizie verde. E complicat compus organic are o proprietate uimitoare: poate absorbi lumina soarelui! Datorită clorofilei, procesul de fotosinteză devine și el posibil.
Două etape ale fotosintezei
Vorbitor într-un limbaj simplu, fotosinteza este un proces în care apa și dioxidul de carbon absorbite de o plantă în lumină cu ajutorul clorofilei formează zahăr și oxigen. În acest fel, substanțele anorganice sunt surprinzător transformate în organice. Zahărul obținut în urma conversiei este o sursă de energie vegetală.
Fotosinteza are două etape: lumină și întuneric.
Faza ușoară a fotosintezei
Se efectuează pe membranele tilacoide.
Tilacoizii sunt structuri mărginite de membrană. Ele sunt localizate în stroma cloroplastului.
Ordinea evenimentelor în stadiul luminos al fotosintezei este:
- Lumina lovește molecula de clorofilă și apoi este absorbită pigment verdeși îl aduce într-o stare de entuziasm. Un electron care face parte dintr-o moleculă este transferat la mai multe nivel înalt, participă la procesul de sinteză.
- Apa se scindează, timp în care protonii sunt transformați în atomi de hidrogen sub influența electronilor. Ulterior, sunt cheltuiți pentru sinteza carbohidraților.
- În etapa finală a etapei luminoase, este sintetizat ATP (adenozin trifosfat). Aceasta este o substanță organică care joacă rolul unui acumulator de energie universal în sistemele biologice.
Faza întunecată a fotosintezei
Locul în care apare faza întunecată este stroma cloroplastelor. În timpul fazei întunecate, oxigenul este eliberat și glucoza este sintetizată. Mulți vor crede că această fază a primit această denumire deoarece procesul care are loc în cadrul acestei etape are loc exclusiv noaptea. De fapt, acest lucru nu este în întregime adevărat. Sinteza glucozei are loc non-stop. Cert este că în această etapă nu se mai consumă energia luminoasă, ceea ce înseamnă că pur și simplu nu este necesară.
Importanța fotosintezei pentru plante
Am stabilit deja faptul că plantele au nevoie de fotointeză nu mai puțin decât noi. Este foarte ușor să vorbim despre scara fotosintezei în termeni de numere. Oamenii de știință au calculat că numai plantele terestre stochează atâta energie solară cât ar putea fi consumată de 100 de megaloți în decurs de 100 de ani!
Respirația plantelor este procesul opus fotosintezei. Sensul respirației plantelor este de a elibera energie în timpul procesului de fotosinteză și de a o direcționa către nevoile plantelor. În termeni simpli, randamentul este diferența dintre fotosinteză și respirație. Cu cât mai multă fotosinteză și cu cât respirația este mai mică, cu atât recolta este mai mare și invers!
Fotosinteza este un proces uimitor care face viata posibila pe Pământ!
După cum sugerează și numele, fotosinteza este în esență sinteza naturală a substanțelor organice, transformând CO2 din atmosferă și apă în glucoză și oxigen liber.
Acest lucru necesită prezența energiei solare.
Ecuația chimică pentru procesul de fotosinteză poate fi, în general, reprezentată după cum urmează:
Fotosinteza are două faze: întuneric și lumină. Reacții chimice Fazele întunecate ale fotosintezei diferă semnificativ de reacțiile fazei luminoase, dar fazele întunecate și luminoase ale fotosintezei depind una de cealaltă.
Faza de lumină poate apărea în frunzele plantelor exclusiv în lumina soarelui. Pentru întuneric este necesară prezența dioxidului de carbon, motiv pentru care planta trebuie să-l absoarbă în mod constant din atmosferă. Toate caracteristici comparative Fazele întunecate și luminoase ale fotosintezei vor fi prezentate mai jos. În acest scop, a fost creat un tabel comparativ „Fazele fotosintezei”.
Faza ușoară a fotosintezei
Principalele procese din faza ușoară a fotosintezei au loc în membranele tilacoide. Acesta implică clorofilă, proteine de transport de electroni, ATP sintetaza (o enzimă care accelerează reacția) și lumina solară.
În plus, mecanismul de reacție poate fi descris după cum urmează: atunci când lumina soarelui lovește frunzele verzi ale plantelor, electronii clorofilei (sarcina negativă) sunt excitați în structura lor, care, trecând în stare activă, părăsesc molecula de pigment și ajung pe în afara tilacoidului, a cărui membrană este, de asemenea, încărcată negativ. În același timp, moleculele de clorofilă sunt oxidate și cele deja oxidate sunt reduse, luând astfel electroni din apa care se află în structura frunzei.
Acest proces duce la faptul că moleculele de apă se dezintegrează, iar ionii creați ca urmare a fotolizei apei renunță la electroni și se transformă în radicali OH capabili să desfășoare reacții ulterioare. Acești radicali OH reactivi se combină apoi pentru a crea molecule de apă cu drepturi depline și oxigen. În acest caz, oxigenul liber scapă în mediul extern.
Ca urmare a tuturor acestor reacții și transformări, membrana tilacoidă a frunzei pe o parte este încărcată pozitiv (datorită ionului H+), iar pe de altă parte - negativ (datorită electronilor). Când diferența dintre aceste sarcini de pe cele două părți ale membranei ajunge la mai mult de 200 mV, protonii trec prin canale speciale ale enzimei ATP sintetaza și datorită acestui fapt, ADP este convertit în ATP (ca urmare a procesului de fosforilare). Iar hidrogenul atomic, care este eliberat din apă, restabilește purtătorul specific NADP + la NADP H2. După cum putem vedea, ca rezultat al fazei luminoase a fotosintezei, au loc trei procese principale:
- sinteza ATP;
- crearea NADP H2;
- formarea oxigenului liber.
Acesta din urmă este eliberat în atmosferă, iar NADP H2 și ATP participă la faza întunecată a fotosintezei.
Faza întunecată a fotosintezei
Fazele întunecate și luminoase ale fotosintezei sunt caracterizate de cheltuieli mari de energie din partea plantei, dar faza întunecată se desfășoară mai repede și necesită mai puțină energie. Reacțiile în fază întunecată nu necesită lumină solară, așa că pot apărea atât ziua, cât și noaptea.
Toate procesele principale ale acestei faze au loc în stroma cloroplastei plantei și reprezintă un lanț unic de transformări succesive ale dioxidului de carbon din atmosferă. Prima reacție într-un astfel de lanț este fixarea dioxidului de carbon. Pentru ca acest lucru să se întâmple mai ușor și mai rapid, natura a furnizat enzima RiBP-carboxilază, care catalizează fixarea CO2.
În continuare, are loc un întreg ciclu de reacții, a cărui finalizare este conversia acidului fosfogliceric în glucoză (zahăr natural). Toate aceste reacții folosesc energia ATP și NADP H2, care au fost create în faza luminoasă a fotosintezei. Pe lângă glucoză, fotosinteza produce și alte substanțe. Printre aceștia se numără diverși aminoacizi, acizi grași, glicerol și nucleotide.
Fazele fotosintezei: tabel de comparație
| Criterii de comparare | Faza de lumină | Faza intunecata |
| Lumina soarelui | Necesar | Opțional |
| Locul de reacție | Cloroplast grana | Stroma de cloroplast |
| Dependența de sursa de energie | Depinde de lumina soarelui | Depinde de ATP și NADP H2 format în faza de lumină și de cantitatea de CO2 din atmosferă |
| Materiale de pornire | Clorofila, proteine de transport de electroni, ATP sintetaza | dioxid de carbon |
| Esența fazei și ceea ce se formează | Se eliberează O2 liber, se formează ATP și NADP H2 | Formarea zahărului natural (glucoză) și absorbția CO2 din atmosferă |
Fotosinteza - video