Фотосинтез, подготовка к ЕГЭ по биологии

Фотосинтез, подготовка к ЕГЭ по биологии

Фотосинтез

Типы питания

По типу питания живые организмы делятся на автотрофы, гетеротрофы и миксотрофы. Автотрофы (греч. αὐτός — сам + τροφ — пища) — организмы, которые самостоятельно способны синтезировать органические вещества из неорганических. Гетеротрофы (греч. ἕτερος — иной + τροφή — пища) — организмы, использующие для питания готовые органические вещества.

Наконец, миксотрофы (греч. μῖξις — смешение + τροφή — пища) — организмы, которые могут использовать как гетеротрофный, так и автотрофный способ питания. К примеру, эвглена зеленая на свету начинает фотосинтезировать, а в темноте питается гетеротрофно.

Фотосинтез

Фотосинтез (греч. φῶς — свет и σύνθεσις — синтез) — сложный химический процесс преобразования энергии квантов света в энергию химических связей. В результате фотосинтеза происходит синтез органических веществ из неорганических.

Этот процесс уникален и происходит только в растительных клетках, а также у некоторых бактерий. Фотосинтез осуществляется при участии хлорофилла (греч. χλωρός — зелёный и φύλλον — лист) — зеленого пигмента, окрашивающего органы растений в зеленый цвет. Существуют и другие вспомогательные пигменты, которые вместе с хлорофиллом выполняют светособирающую или светозащитную функции.

Ниже вы увидите сравнение строения хлорофилла и гемоглобина. Обратите внимание, что в центре молекулы хлорофилла находится ион Mg.

В высшей степени гениально значение процесса фотосинтеза подчеркнул русский ученый К.А. Тимирязев: «Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического»

Более подробно мы обсудим значение фотосинтеза в завершение этой статьи. Фотосинтез состоит из двух фаз: светозависимой (световой) и светонезависимой (темновой). Я рекомендую использовать названия светозависимая и светонезависимая, так как они способствуют более глубокому (и правильному!) пониманию фотосинтеза.

Светозависимая фаза (световая)

Эта фаза происходит только на свету на мембранах тилакоидов в хлоропластах. В ней принимают участие различные ферменты, белки-переносчики, молекулы АТФ-синтетазы и зеленый пигмент хлорофилл.

Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачи энергии. При воздействии кванта света хлорофилл теряет электрон, переходя в возбужденное состояние. С помощью переносчиков электроны скапливаются с наружной поверхности мембраны тилакоидов, тем временем внутри тилакоида происходит фотолиз воды (разложение под действием света):

Гидроксид-ионы отдают лишний электрон, превращаясь в реакционно способные радикалы OH, которые собираются вместе и образуют молекулу воды и свободный кислород (это побочный продукт, который в дальнейшем удаляется в ходе газообмена).

Образовавшиеся при фотолизе воды протоны (H + ) скапливаются с внутренней стороны мембраны тилакоидов, а электроны — с внешней. В результате по обе стороны мембраны накапливаются противоположные заряды.

При достижении критической разницы, часть протонов проталкивается на внешнюю сторону мембраны через канал АТФ-синтетазы. В результате этого выделяется энергия, которая может быть использована для фосфорилирования молекул АДФ:

Протоны, попав на поверхность мембраны тилакоидов, соединяются с электронами и образуют атомарный водород, который используется для восстановления молекулы-переносчика НАДФ (никотинамиддинуклеотидфосфат). Благодаря этому окисленная форма — НАФД + превращается в восстановленную — НАДФ∗H2.

Предлагаю создать квинтэссенцию из полученных нами знаний. Итак, в результате светозависимой фазы фотосинтеза образуются:

  • Свободный кислород O2 — в результате фотолиза воды
  • АТФ — универсальный источник энергии
  • НАДФ∗H2 — форма запасания атомов водорода

Кислород удаляется из клетки как побочный продукт фотосинтеза, он совершенно не нужен растению. АТФ и НАДФ∗H2 в дальнейшем оказываются более полезны: они транспортируются в строму хлоропласта и принимают участие в светонезависимой фазе фотосинтеза.

Светонезависимая (темновая) фаза

Светонезависимая фаза происходит в строме (матриксе) хлоропласта постоянно: и днем, и ночью — вне зависимости от освещения.

При участии АТФ и НАДФ∗H2 происходит восстановление CO2 до глюкозы C6H12O6. В светонезависимой фазе происходит цикл Кальвина, в ходе которого и образуется глюкоза. Для образования одной молекулы глюкозы требуется 6 молекул CO2, 12 НАДФ∗H2 и 18 АТФ.

Таким образом, в результате темновой (светонезависимой) фазы фотосинтеза образуется глюкоза, которая в дальнейшем может быть преобразована в крахмал, служащий для запасания питательных веществ у растений.

Значение фотосинтеза

Значение фотосинтеза невозможно переоценить. Уверенно утверждаю: именно благодаря этому процессу жизнь на Земле приобрела такие чудесные и изумительные формы, какие мы видим вокруг себя: удивительные растения, прекрасные цветы и самые разнообразные животные.

В разделе эволюции мы уже обсуждали, что изначально в составе атмосферы Земли не было кислорода: миллиарды лет назад его начали вырабатывать первые фотосинтезирующие бактерии — сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Постепенно кислород накапливался, и со временем на Земле стало возможно аэробное (кислородное) дыхание. Возник озоновый слой, защищающий все живое на нашей планете от губительного ультрафиолета.

Говоря о роли фотосинтеза, выделим следующие функции, объединяющиеся в так называемую космическую роль растений. Итак, растения за счет фотосинтеза:

  • Синтезируют органические вещества, являющиеся пищей для всего живого на планете
  • Преобразуют энергию света в энергию химических связей, создают органическую массу
  • Растения поддерживают определенный процент содержания O2 в атмосфере, очищают ее от избытка CO2
  • Способствуют образованию защитного озонового экрана, поглощающего губительное для жизни ультрафиолетовое излучение
Читайте также:  Гречка — химический состав, пищевая ценность, БЖУ

Хемосинтез (греч. chemeia – химия + synthesis — синтез)

Хемосинтез — автотрофный тип питания, который характерен для некоторых микроорганизмов, способных создавать органические вещества из неорганических. Это осуществляется за счет энергии, получаемой при окислении других неорганических соединений (железо- , азото-, серосодержащих веществ).

Хемосинтез был открыт русским микробиологом С.Н. Виноградским в 1888 году. Большинство хемосинтезирующих бактерий относится к аэробам, для жизни им необходим кислород.

При окислении неорганических веществ выделяется энергия, которую организмы запасают в виде энергии химических связей. Так нитрифицирующие бактерии последовательно окисляют аммиак до нитрита, а затем — нитрата. Нитраты могут быть усвоены растениями и служат удобрением.

Помимо нитрифицирующих бактерий, встречаются:

  • Серобактерии — окисляют H2S —> S 0 —> (S +4 O3) 2- —> (S +6 O4) 2-
  • Железобактерии — окисляют Fe +2 —>Fe +3
  • Водородные бактерии — окисляют H2 —> H +1 2O
  • Карбоксидобактерии — окисляют CO до CO2
Значение хемосинтеза

Хемосинтезирующие бактерии являются неотъемлемым звеном круговорота в природе таких элементов как: азот, сера, железо.

Нитрифицирующие бактерии обеспечивают переработку (нейтрализацию) ядовитого вещества — аммиака. Они также обогащают почву нитратами, которые очень важны для нормального роста и развития растений (это происходит за счет клубеньковых бактерий на корнях бобовых растений).

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2020

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Фотосинтетические пигменты — ФОТОСИНТЕЗ — СТРОЕНИЕ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ — КЛЕТКА

Они представлены молекулами, способными поглощать кванты (нем. Quantum — количество, лат. quantum — сколько) света. Поскольку при этом поглощается свет лишь определенной длины волны, часть световых волн не поглощается, а отражается. В зависимости от спектрального состава отраженного света пигменты приобретают окраску — зеленую, желтую, красную и др. В настоящее время различают три класса фотосинтетических пигментов — хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины.

Самым распространенным и наиболее важным фотосинтетическим пигментом является хлорофилл (греч. chloros — зеленоватый, phyllon — лист), который имеется практически у всех фототрофов (напоминаем, что фототрофами называются автотрофные организмы, способные к фотосинтезу). Хлорофилл неоднороден, насчитывается свыше десятка зеленых пигментов, отличающихся друг от друга атомными группами, присоединенными к пиррольным структурам порфиринового кольца, а также по некоторым другим характеристикам. Поэтому целесообразно начать с химической характеристики хлорофилла и других фотосинтетических пигментов.

Химически хлорофилл представляет собой сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина с двумя спиртами — фитолом и метанолом. Пространственная структура молекулы определяет свойства хлорофилла. Основой является плоское порфириновое ядро, образованное четырьмя пиррольными кольцами, соединенными между собой метиновыми мостиками, с атомом магния в центре (рис. 43). В порфириновом ядре, кроме собственно пиррола, содержатся также его изомер — пир- роленин и продукт неполного восстановления пиррола — пирролин. Поскольку в этих циклических соединениях, помимо атомов углерода, присутствует гетероатом (греч. heteros — другой) — азот, они называются гетероциклическими. Наличие двойных связей позволяет отнести их к ненасыщенным гетероциклам. Атомы углерода, расположенные в гетероцикле рядом с гетероатомом — азотом, обозначаются как а-атомы, а удаленные от него — Д-атомы. Поскольку все связи а-углеродных атомов в молекуле хлорофилла заняты в формировании порфиринового кольца, они не определяют специфику различных видов хлорофилла, эту функцию выполняют Д-углеродные атомы. Сами атомы азота взаимодействуют с расположенным в центре ядра атомом металла — магнием (отметим, что у близкого по строению гема, входящего в состав гемоглобина, миоглобина или цитохрома, в центре ядра находится атом железа). Так как в порфириновом ядре имеются многочисленные двойные связи, там присутствуют делокализованные (более подвижные) p-электроны, которых в ядре насчитывается 18. Позднее мы расскажем о значении таких электронов для фотосинтеза.

Фитол относится к дитерпенам, основу которых составляют остатки изопрена.

Такая структура молекулы определяет свойства хлорофилла — гидрофобный фитольный «хвост» надежно удерживает молекулу в гидрофобной части мембраны тилакоида хлоропласта, а гидрофильное порфириновое ядро обращено к строме хлоропласта. При этом само ядро ориентировано параллельно мембране, в которой находится хлорофилл.

Синтез хлорофилла довольно сложен и включает в себя 15 реакций, которые можно разделить на три этапа. Исходными веществами для синтеза хлорофилла являются глицин и ацетат. На первом этапе образуется -аминолевулиновая кислота. На втором этапе происходит синтез одной молекулы протопорфирина из четырех пиррольных колец. Третий этап представляет собой образование и превращение магнийпорфиринов.

Все низшие и высшие растения, а также цианобактерии содержат различные хлорофиллы типа а. У высших растений, зеленых и эвгленовых водорослей имеется хлорофилл b(он образуется из хлорофилла а), который отличается от хлорофилла а присутствием формильной группы -СНО, вместо метильной (-СН3) у третьего атома углерода. Бурые и диатомовые водоросли вместо хлорофилла b содержат хлорофилл с, не имеющий остатка фитола, а красные водоросли — хлорофилл d, который отличается от хлорофилла а тем, что при углеродном атоме 2 порфиринового кольца вместо винильной группы имеется формильный радикал. Хлорофиллы бактерий имеют некоторые специфические особенности и называются бактериохлорофиллами.

Читайте также:  Полезная диета Сбрасываем 5 кг за четыре недели - Диеты и правильное питание, похудение диета для по

Молекулы хлорофиллов способны, взаимодействуя друг с другом и молекулами белков, создавать агрегированные формы, различающиеся по длине волн поглощенного света.Хлорофилл а имеет два четко выраженных максимума поглощения — 660 — 663 нм и 428 — 430 нм. Хлорофилл b поглощает более короткие волны в красной части спектра и более длинные в синей. Его максимумы поглощения будут 642 — 644 нм и 452 — 455 нм соответственно. Все хлорофиллы слабо поглощают желтый и оранжевый свет, а зеленый они отражают, что и определяет зеленую окраску этого класса пигментов (рис. 44).

Бактериохлорофиллы отличаются от прочих типов хлорофиллов тем, что способны поглощать красный свет гораздо большей длины, чем хлорофиллы растений. Так, бактериохлорофилл зеленых бактерий утилизирует волны длиной 850 нм, бактериохлорофилл а пурпурных бактерий до 900 нм, а бактериохлорофилл b пурпурных бактерий — до 1100 нм. Это обстоятельство позволяет бактериям, особенно пурпурным, активно расти при наличии лишь не видимых человеческим глазом инфракрасных лучей.

Другую обязательную группу фотосинтетических пигментов образуют каротиноиды (лат. carota — морковь). Эти жирорастворимые пигменты имеют различную окраску — от желтой до красной. Они содержатся во всех окрашенных пластидах (хлоропластах и хромопластах) растений. Причем в зеленых частях растений хлорофилл маскирует каротиноиды, делая их незаметными до наступления холодов. Осенью зеленые пигменты разрушаются, и каротиноиды становятся хорошо заметными, определяя окраску осенних листьев. Кроме растений, каротиноиды синтезируют фототрофные бактерии и грибы.

Каротиноиды в растительном организме выполняют ряд функций, среди которых наиболее очевидными являются следующие: участие в фотосинтезе в качестве дополнительных пигментов антенных комплексов. Они способны поглощать свет, не доступный для других пигментов, и передавать его хлорофиллам. Кроме того, каротиноиды ослабляют фотоокисление хлорофилла в присутствии кислорода.

Третьей группой фотосинтетических пигментов являются фикобилины (греч. phykos — водоросль, лат. bilis — желчь), которые присутствуют у некоторых водорослей (красных) и цианобактерий. Отдельными молекулами фикобилины, как правило, не представлены, а образуют комплексы с белками, с которыми они, в отличие от хлорофиллов, связаны прочными ковалентными связями. Комплексы таких пигментов с белками называются фикоби- липротеидами (хромопротеидами).

Согласно первому закону термодинамики энергия не может исчезать или возникать ниоткуда — она может лишь переходить из одного состояния в другое. Согласно второму закону термодинамики часть энергии в процессе такого перехода теряется в виде тепла из-за энтропии, причем величина энтропии возрастает при необратимых процессах (например, теплопроводность, диффузия) и остается постоянной при обратимых. Поэтому при межмолекулярной передаче молекула всегда отдает большее количество энергии, чем ее в итоге получает молекула-акцептор.

Величина энергии электрона определяет расстояние от него до ядра — чем меньше энергия электрона, тем ближе он к ядру, и наоборот. Любому энергетическому состоянию электрона соответствует определенный энергетический уровень (квантовый слой), характеризуемый главным квантовым числом п, которое имеет значения от единицы до бесконечности. Соответственно электрон, будучи на первом уровне, обладает минимальной энергией и максимально близок к ядру, а находясь на наиболее удаленном уровне, обладает максимальной энергией. При переходе на более далекий уровень электрон поглощает энергию, а при возврате на более близкий — выделяет в виде порций (квантов).

Согласно сказанному выше электроны молекул пигментов, поглотив энергию, переходят на более высокий энергетический уровень, т.е. становятся возбужденными. Однако рано или поздно они возвращаются на свой исходный (стационарный) уровень, выделив энергию, полученную ранее при возбуждении.

Молекула хлорофилла, поглотив порцию (квант) света, переходит в несколько иное по сравнению с обычным состояние, которое называют возбужденным. Это состояние отличается от тепловой активации молекул, поскольку каждый квант возбуждает лишь одну молекулу хлорофилла, передавая ей свою энергию. При этом квант поглощается не всей молекулой хлорофилла, а лишь одним из ее электронов, причем наиболее легко активируются электроны, находящиеся в порфириновом кольце хлорофилла. Поглотивший квант света электрон временно переходит со своего основного энергетического уровня на более высокий. При этом на основном уровне место перешедшего электрона остается вакантным (появляется электронная «дырка») и вся молекула становится возбужденной. Возврат электрона на исходный уровень сопровождается выделением энергии в виде тепла, или же она высвечивается в виде кванта света с длиной волны всегда большей (правило Стокса), чем у поглощенного кванта света.

Количество фиксированных молекул углекислого газа в расчете на единицу поглощенной энергии определяет энергетическую эффективность фотосинтеза. Как мы уже говорили, у основного фотосинтетического пигмента хлорофилла имеются два пика поглощения света — в синей и красной, а также частично в инфракрасной частях спектра. Солнце излучает максимальное количество квантов длинноволновой части спектра, и следует отметить, что энергетическая эффективность таких лучей почти вдвое выше, чем синих, потому что при поглощении высоко энергетически насыщенных коротких волн происходит тепловое рассеивание значительной части энергии.

Итак, в основе всех энергетических процессов, которым происходят в живых организмах, лежит энергия возбужденного электрона хлорофилла, которую он получает, поглощая квант света. Теперь настало время проследить путь этого электрона, причем, как мы увидим позже, он в прямом смысле этого слова может быть весьма извилистым.

Читайте также:  Когда пора идти к врачу 5 причин отечности ног - Актуальная тема

В мембранах тилакоидов хлоропластов были обнаружены комплексы молекул, названные фотосистемой I и фотосистемой II. Они совместно обеспечивают трансформацию световой энергии в удобную для использования живыми организмами энергию химических связей.

Каждая из фотосистем имеет реакционный центр (рис. 45), который образован пронизывающими насквозь мембрану тилакоида белками, ассоциированными с хлорофиллом (напомним, что комплекс молекулы белка с пигментом называется хромопротеидом). Пигменты реакционного центра способны поглощать энергию света, которая переводит электроны в неустойчивое возбужденное состояние, в результате чего они покидают молекулу хлорофилла и переходят на расположенные поблизости молекулы-переносчики. Это говорит о том, что находящийся в реакционном центре хлорофилл способен осуществлять фотохимические реакции.

Вторым обязательным компонентом фотосистемы является антенным комплекс. В нем также имеется хлорофилл, причем на его долю приходится до 60% общего количества хлорофилла тилакоидных мембран. Специальные исследования показали, что на один реакционный центр приходится 200 — 400 молекул хлорофилла, расположенных в антенных комплексах. Кроме хлорофилла а, здесь присутствуют еще и дополнительные пигменты — хлорофилл в, каротиноиды и фикобилины. Их роль заключается в улавливании света с длиной волн, не доступной для хлорофилла а. Следует отметить, что молекулы пигментов антенных комплексов, пребывая в возбужденном состоянии (в результате поглощения энергии фотона), не осуществляют фотохимических реакций, зато они эффективно передают полученную энергию по цепи хлорофиллу реакционного центра. Направление переноса энергии (электроны здесь не передаются) в антенных комплексах всегда ориентировано от пигментов, поглощающих самую короткую часть спектра (каротиноидов), к более «длинноволновым» пигментам. Как мы уже говорили, такой процесс получил название резонансной передачи энергии. При этом резонансная передача энергии, осуществляемая между одинаковыми молекулами хлорофилла, получила название гомогенной, если же энергия переносится на другой тип пигмента, то перенос называется гетерогенным.

Рассмотрим устройство фотосистемы I. Считается, что исторически она возникла раньше фотосистемы II и в настоящее время имеется практически у всех фотосинтезирующих организмов, включая способных к фотосинтезу бактерий (у последних отсутствует фотосистема II и, следовательно, не происходит разложения воды и выделения кислорода). В состав реакционного центра этой фотосистемы входят хромопротеиды, содержащие самую длинноволновую форму хлорофилла (его сокращенно обозначают как П700, показывая тем самым длину волны, которую способен поглощать конкретный пигмент). Антенный комплекс этой фотосистемы включает в себя 110 молекул хлорофиллов группы а, имеющих максимумы поглощения от 675 до 695 нм.

Согласно теории эволюции фотосистема II в процессе исторического развития появилась позже. На современном этапе она присутствует у всех зеленых растений, а также у сине-зеленых водорослей. Белковые комплексы фотосистемы II включают в себя несколько более коротковолновые формы хлорофилла. Реакционный центр содержит более коротковолновую форму хлорофилла а — П680. В антенном комплексе имеются хлорофиллы а670-683.

Кроме того, в мембранах тилакоидов находятся непосредственно связанные с фотосистемой II светособирающие белковые комплексы, в которых присутствуют хлорофиллыа660-675, а также хлорофилл в650 (несколько в большем количестве, чем хлорофилл а) и каротиноиды.

Весьма сложные и разнообразные реакции фотосинтеза, в основе которых лежат фотохимические процессы, в конечном итоге преобразуют энергию света в химическую. Однако наличие света необходимо отнюдь не для всех этапов, а лишь вначале, поэтому в фотосинтезе выделяют световую и темновую стадии.

Пигменты фотосинтетического аппарата

Жизнь растений: в 6-ти томах. — М.: Просвещение. Под редакцией А. Л. Тахтаджяна, главный редактор чл.-кор. АН СССР, проф. А.А. Федоров . 1974 .

  • Пигментация бактерий рода Pseudomonas
  • Планктонные водоросли

Смотреть что такое «Пигменты фотосинтетического аппарата» в других словарях:

Механизм фотосинтеза — Преобразование энергии света в химическую энергию продуктов фотосинтеза представляет сложную цепь взаимосвязанных реакций, в которых участвуют многие соединения и структурные компоненты хлоропласта. Цепь реакций, составляющих… … Биологическая энциклопедия

фотосинтез — [тэ], а; м. Спец. Процесс образования углеводов из углекислоты и воды под действием света, поглощаемого хлорофиллом, в клетках зелёных растений, водорослей и некоторых микроорганизмов. ◁ Фотосинтетический, ая, ое. Ф ая деятельность. Ф ая… … Энциклопедический словарь

Фотосинтез — (от Фото. и Синтез образование высшими растениями, водорослями, фотосинтезирующими бактериями сложных органических веществ, необходимых для жизнедеятельности как самих растений, так и всех др. организмов, из простых соединений (например … Большая советская энциклопедия

Пластиды — (греч. plástides создающие, образующие, от plastós вылепленный, оформленный) внутриклеточные органеллы цитоплазмы автотрофных растений, содержащие пигменты и осуществляющие синтез органических веществ. У высших растений различают 3 типа П … Большая советская энциклопедия

ФОТОСИНТЕЗ — образование живыми растительными клетками органических веществ, таких, как сахара и крахмал, из неорганических из СО2 и воды с помощью энергии света, поглощаемого пигментами растений. Это процесс производства пищи, от которого зависят все живые… … Энциклопедия Кольера

Пурпурные бактерии — Пурпурные бактерии. Пурпурные бактерии (Purple bacteria) группа фотосинтезирующих протеобактерий, обитающих в солёных и пресных водах. Они содержат красные пигменты: бактериохлорофиллы … Википедия

Ссылка на основную публикацию
Фосфолипиды, Глицерофосфолипиды — БИОХИМИЯ
Фосфолипиды. Фосфатидилэтаноламины и фосфатидилсерины (кефалины), фосфатидилхолины (лецитины) – структурные компоненты клеточных мембран. К сложным липидам относят липиды, имеющие в молекуле...
Фокальная эпилепсия — причины, симптомы, диагностика и лечение
Фокальная эпилепсия Фокальная эпилепсия - это форма эпилепсии, при которой возникающие приступы происходят из-за наличия ограниченной и чётко локализованной зоны...
Фолиевая кислота – свойства и роль витамина В9
Что такое фолиевая кислота? Фолиевая кислота — это витамин B 9 . Он играет важную роль в синтезе клеток крови....
Фосфор в крови норма, повышен, понижен в анализе
Фосфор в крови В крови человека обязательно должен присутствовать фосфор, наряду со многими другими элементами. Отклонение уровня фосфора в крови...
Adblock detector