Фотосинтезирующие организмы (зеленые растения, водоросли, цианобактерии) обладают способностью улавливать кванты солнечного света и трансформировать их в химическую энергию. Процесс фотосинтеза,. Зеленые фотосинтезирующие растения
Значение фотосинтеза ( космическая роль зелёных растений ) — КиберПедия
· Впервые космическую роль зелёных растений и фотосинтеза отметил К. А. Темирязев ( 1843 - 1920 ) – выдающийся русский учёный - дарвинист , основоположник отечественной школы фитофизиологов
1. Единственный процесс , приводящий к увеличению энергии в биосфере за счёт внешнего источника – Солнца ( преобразование электро-магнитой энергии Солнца в химическую энергию связей органических соединений )
2. Единственный источник свободного кислорода на Земле , необходимый для дыхания аэробных организмов ( ежегодно в процессе фотосинтеза образуется 200млрд. тонн свободного кислорода )
v Один человек за сутки потребляет 500 л кислорода , а за год более 180 тыс. литров . Для населения земли ежегодно необходимо 900 млрд . кубических метров кислорода ( плюс кислород , который потребляется растениями , животными , грибами микроорганизмами , промышленностью , транспортом – только один реактивный лайнер использует за время трансконтинентального полёта до 50 млн. литров кислорода - суточную потребность 100 тыс. человек ) . Годовая потребность в кислороде одного человека обеспечивается функционированием 10 –12 деревьев в течение вегетационного периода
3. Формирование из кислорода озонового экрана , защищающего живые организмы от жёсткой ультрафиолетовой коротковолновой ( до 290 нм ) радиации , которая оказывает губительное действие на всё живое
4. Формирование и поддержание газового состав вторичной атмосферы Земли
5. Изъятие из атмосферы СО2 , избыток которого создавал «парниковый эффект » , и снижение температуры Земли до нынешних значений
v Наземные растения ежегодно извлекают из атмосферы 20 млрд. ( 1300кг\га ) тонн углерода в форме СО2 , а все растительные сообщества , включая морские водоросли – около 150 млрд. тонн , при этом ежегодно расходуется около 3% запасов СО2 атмосферы и 0,3% запасов СО2 в водах планеты ( количество поглощённого СО2 с избытком компенсируется в результате дыхания и брожения живых организмов , промышленных выбросов , вулканической деятельности )
6. Образование огромной массы органических веществ , которая служит пищей для гетеротрофов и человека ( ежегодно в процессе фотосинтеза образуется 150млрд. тонн органических веществ , из них более 100млрд. – сахаридов )
7. Источник сырья для промышленности , из которого получают необходимую человеку продукцию
8. Аккумуляция в органических веществах химической энергии , необходимой для осуществления всех процессов жизнедеятельности растений и животных
9. Вовлечение СО2 в круговорот веществ и снижение его содержания в воде и атмосфере
10. Образование органогенных полезных ископаемых в виде каменного угля , нефти газа , торфа ( запасённая в прошлом в процессе фотосинтеза энергия в виде различных видов топлива используется как основной источник энергии для человечества и составляет энергетические ресурсы в будущем )
11. Самый крупный химический процесс на Земле , основа существования органической жизни на планете , обеспечивающий условия её для дальнейшей эволюции
· У эукариот – фотоавтотрофов ( растений ) фотосинтез осуществляется в хлоропластах ( у фотосинтезирующих прокариот – в хроматофорах )
· Фотосинтез происходит при участии пластидных пигментов , образующих фотосистемы – ФС ( квантосомы ) – элементарные функциональные структуры фотосинтеза
· Пигменты и фотосистемы локализованы в системе внутренних мембран пластид ( мембраны тилакоидов гран хлоропластов ) между белковым и липидными слоями
Пигменты хлоропластов
Пигменты – органические гидрофобные соединения липидной природы , избирательно поглощающие свет в видимом участке солнечного спектра
· В растениях встречаются пигменты трёх классов – хлорофиллы , каротиноиды и фикобилины
Хлорофиллы
· Высшие растения содержат два зелёных пигмента : хлорофилл а ( его формула С55Н72О5N4Mg )и хлорофилл b ( С55Н70О6N4Mg ) - основные пигменты фотосинтеза ( у фотосинтезирующих бактерий – бактериофлорофилл )
q Ведущая роль принадлежит магнию , благодаря которому образуются агрегаты ( объединения ) молекул хлорофилла , что способствует улавливанию света
q Хлорофилл а имеется у всех фотосинтезирующих организмов , способных к выделению кислорода
Хлорофилл b обнаружен в листья высших растений и зелёных водорослях (его в 3 раза меньше хл. а)
q Каждый вид хлорофилла поглощает лучи солнечного спектра , определённой длинны волны (хлорофилл b поглощает коротковолновые кванты с длинной волны 680нм ( Р680 ) , хлорофилл а – длинноволновые кванты – 700нм (Р700) )
Каротиноиды– это жёлтые или оранжевые пигменты , найденные во всех фотосинтезирующих клетках
q Имеется две группы каротиноидов : каротины и ксантофиллы
q Выполняют вспомогательные функции
1. Образование светособирающего комплекса ( фотосистем ) – поглощённая каротиноидами световая энергия передаётся на хлорофиллу a
2. Защита молекул хлорофилла от светоокисления на ярком свету
q От соотношения хлорофиллов и каротиноидов зависит цвет листьев ( в зелёных листья каротиноиды обычно незаметны из-за наличия в хлоропластах хлорофилла , но осенью , когда хлорофилл разрушается , именно каротиноиды придают листья характерную осеннюю окраску
Фикобилины. Содержаться в цианобактериях и красных водорослях ( не содержат магния )
q Известны три класса фикобилинов – фикоэритрины , найдены в красных водорослях ( красные ) , фикоцианины , обнаружены у цианобактерий ( голубые ) и аллофикоцианины
cyberpedia.su
Фотосинтез в зеленых растениях - Справочник химика 21
Полная реакция фотосинтеза в зеленых растениях описывается уравнениями [c.597]
Фотосинтез в зеленых растениях [c.983]
Фотосинтез в зеленых растениях. При процессе ассимиляции или фотосинтеза в зеленых растениях СО2 и вода превращаются в углеводы и молекулярный кислород, причем необходимую для этих процессов энергию дает свет [c.982]
В чем заключается большое влияние, которое оказал фотосинтез в зеленых растениях на атмосферу нашей планеты [c.344]Для жизни растений непрерывно требуется диоксид углерода - побочный продукт дыхания животных. С помощью фотосинтеза в зеленых растениях диоксид углерода соединяется с водой, образуя в результате глюкозу и газообразный кислород (этот вопрос обсуждался в гл. IV). Таким образом, фотосинтез и дыхание уравновешивают друг друга - и концентрация кислорода в атмосфере остается постоянной (рис. VI.2), [c.372]
В связи с этим постулатом Ван-Ниля интересно отметить, что в природе существует связующее звено между бактериальным фотосинтезом и фотосинтезом в зеленых растениях. Один из видов зеленых водорослей в анаэробных условиях способен фиксировать СО2, причем восстановителем служит водород. Уравнение реакции можно записать в следующем виде [c.318]
К полисахаридам относятся крахмал и целлюлоза — полимеры глюкозы Крахмал образуется в результате фотосинтеза в зеленых растениях. Реакция проте- [c.683]
Жизненный цикл. Этот цикл тесно связан с углеродом атмосферы и гидросферы. В атмосфере источниками углекислого газа служат дыхание гетеротрофных организмов, гниение и горение органических веществ, газообмен с гидросферой, выветривание пород, вулканизм. Запас углерода атмосферы расходуется в основном на фотосинтез в зеленых растениях суши и на газообмен с гидросферой. В гидросфере посредством фотосинтеза, осуществляющегося водными растениями, диоксид углерода попадает в растительное вещество, на базе которого развивается животный мир гидросферы.-В то же время углекислый газ выделяется в воду при дыхании гетеротрофов. [c.207]
Таким образом, фотосинтез в зеленых растениях означает реакцию между окислителем СО2 и восстановителем Н2О, в которой 4 электрона (или 4 атома Н) переносятся вверх , преодолевая разность потенциалов около 1,2 В, что показано схематически на рис. 14.1. При бактериальном фотосинтезе вместо воды [c.448]
Способность восстанавливать углеродные соединения с помощью солнечной энергии позволила появившемуся живому организму усваивать двуокись углерода, возможно в виде иона карбоната или бикарбоната, из окружающего первичного океана и использовать эту двуокись углерода в качестве источника атомов углерода для образования молекул сахаров и других питательных молекул. Эта реакция составляет сущность процесса фотосинтеза. В зеленых растениях при фотосинтезе происходит восстановление двуокиси углерода до альдегида (углевода), при котором вода служит первичным источником атомов водорода, а в атмосферу выделяется высвобождаемый при таком восстановлении кислород. Так же как и при анаэробном метаболизме (см. разд. Первичный метаболизм ), каждая реакция, входящая в процесс фотосинтеза, требует участия строго специфического фермента. [c.39]
Фотохимические реакции происходят под воздействием световой энергии (или сопровождаются выделением световой энергии). Примерами фотохимических реакций, проходящих с поглощением световой энергии, являются фотосинтез в зеленых растениях (см. 14.3), присоединение хлора к бензолу с образованием гексахлорцнклогексана (см. 37.1) и сульфохлорирование алканов при получении алкнлсульфонатов (см. 35.2). Многие процессы горения протекают с выделением световой энергии. [c.165]
Единственная новая реакция (уравнение XII. 15) — это регенерация тех двух компонентов, которые не участвуют ни в восстановлении СО2, ни в окислении Н2О (или НгД). Именно эта реакция обеспечивает третье необходимое условие для последующей фотосинтетической ассимиляции — запасенную в форме АТФ биохимическую энергию фотосинтетическое фосфорилирование] см. ниже). Напомним, что первые два условия определяются потребностью в окислительных и восстановительных агентах. Правильную-стехиометрию фотосинтеза в зеленых растениях получают, суммируя урав- [c.319]
Резюмируя, перечислим необходимые условия для осуществления фотосинтеза в зеленых растениях (уравнения XII.35а — XII.35г суммарное уравнение XII.36). [c.330]
Еще в начале нынешнего столетия фотохимия вызывала определенный интерес как новое направление в синтетической органической химии. В соответствии с возможностями того времени знания в этой области были в основном эмпирическими. Развитие фотохимии как науки началось лишь около тридцати лет тому назад. Предпосылками для него явилось углубление знаний об электронном строении атомов и молекул на основе квантовой механики, а также развитие техники и теории спектроскопии. Благодаря тесному взаимодействию физики, спектроскопии и квантовой химии удалось создать прочные теоретические основы фотохимии и применить сформулированные общие принципы к исследованию многих фотохимических реакций. Бурное развитие фотохимии продолжается. Наибольшее практическое значение фотохимия имеет сейчас в области регистрации информации и в таких фундаментальных природных фотохимических процессах, как фотосинтез в зеленых растениях. [c.7]
Эти проблемы не удавалось разрешить до тех пор, пока не появились современные биохимические методы исследования. Одним из наиболее ценных методов является использование радиоактивного углерода в качестве метки, позволяющей проследить судьбу включенной двуокиси углерода в ходе фотосинтеза в зеленых растениях. Фотосинтезирующие растения неспособны делать различие между обычной двуокисью углерода С Оз и радиоактивной С Юг и могут включать С Оз в промежуточные продукты цикла восстановления углерода. [c.538]
Это уравнение напоминает уравнение обычного фотосинтеза в зеленых растениях, но оно имеет более общий характер, так как К может обозначать самые разнообразные радикалы — от отдельных атомов до химически ненасыщенных групп. Если К представляет собой атом кислорода, то мы имеем обычный фотосинтез зеленых растений если это атом серы, то мы имеем фотосинтез серных бактерий и т. д. [c.53]
Энергия солнечного света обеспечивает существование определенных климатических зон на Земле, делает возможными радиопередачи, солнечной энергии мы обязаны обилием промысловых видов рыб, и, разумеется, благодаря фотосинтезу в зеленых растениях, стало возможным существование почти всех живых организмов на Земле. При среднем расстоянии Солнца от Земли эта энергия составляет 0,14 дж/смР- за каждую секунду, однако поверхности Земли достигает только приблизительно две трети этой энергии остальное поглощается, рассеивается и отражается атмосферой. [c.316]
Рубен и Камен (1941) установили, что общее уравнение Ван Нила справедливо и в случае фотосинтеза в зеленых растениях. Если процесс протекает в присутствии меченой воды, то последняя оказывается донорам атомощ водорода, так как 1Ири этом образуется изотоп кислорода [c.581]
У растений фотосинтез происходит внутри высокоспециализированных органелл, называемых пластидами. Если клетки разрушить и выделить из них чистую фракцию пластид, то оказывается, что пластиды в присутствии соответствующих субстратов и кофакторов способны осуществлять все реакции фотосинтеза. В зеленых растениях, в том числе и в зеленых одноклеточных организмах, например у водорослей hlorella и S enedesmus, а также у простейшего Euglena, пластиды содержат хлорофилл и называются хлоропластами. Число, размеры и форма хлоропластов у разных организмов различны. В клетках хлореллы, например, имеется только одна пластида чашеобразной формы большинство же других водорослей, а также зеленые клетки высших растений содержат много хлоропластов. [c.315]
На основе всех этих соединений, включенных в сложные биологические структуры за счет взаимодействий различной природы, возникают взаимообусловленные и многообразные свойства, называемые функциями. Так, гемоглобин выполняет функции фиксации, переноса и хранения кислорода, цитохром Р-460 отвечает за окислительно-восстановительные функции дыхательных биосистем на уровне клетки растений и животных, хлорофиллобелковый комплекс выполняет функции фотосинтеза в зеленых растениях и т. д. [c.317]
Фотосинтез в зеленых растениях определяет существованиа всех высших форм жизни, так как кислород в атмосфере Земли образован именно в результате фотосинтеза (см. 17.1). Суммарное уравнение фотосинтеза имеет вид [c.447]
Предложена схема возможного фотокаталитического цикла, аналогичного циклу, наблюдаемому при фотосинтезе в зеленых растениях. Схема такого цикла основана на использовании красителя — метиленового голубого. При возбуждении фотоном он отрывает электрон от Fe +, образуя бесцветный лейкометилен голубой и Fe + [508]. Такие процессы имеют значение для моделирования природного фотосинтеза [509]. [c.337]
Первичным восстановителем при обычном фотосинтезе в зеленых растениях является вода. Активность воды в клетках может быть изменена посредством прямого оводнения и обезвоживания или путем помещения клеток в растворы с различным осмотическим давлением. Обе эти операции оказывают значительное влияние на фотосинтез. Однако это влияние не может рассматриваться как кинетическое явление, подчиняющееся закону действующих масс, так как оно связано с изменениями проницаемости и других коллоидных свойств протоплазмы и клеточных мембран, от которых зависит в различной степени всякая активность живой клетки. Действие обезвоживания обсуждалось поэтому в гл. XIII (т. I, стр. 341), где мы имели дело с различного рода физическим и химическим ингибированием и стимулированием фотосинтеза. [c.365]
Подробные исследования квантового выхода фотосинтеза в зеленом растении как функции длины волны были проведены только Эмерсоном и Льюисом [96, 97, 105] с hlorella pyrenoidosa. Ими были использованы полосы спектра шириной от 5 до 15 выделенные посредством светосильного монохроматора. На фиг. 237 приведены данные этих авторов. [c.589]
В начале XIX в. было установлено, что при фотосинтезе в зеленых растениях происходит фиксация двуокиси углерода с образованием сахара и выделением кислорода. Ингенгуз в своих опытах [16] показал, что для протекания фотосинтеза необходимо освещать хлорофиллсодержащие части растений. Последующие количественные исследования Соссюра [9] и других ученых дали возможность химикам написать знаменитое уравнение фотосинтеза зеленых растений [c.75]
НСНО] + Н2О -Ь Оз он предложил для фотосинтеза в зеленых растениях. Она отвечает результатам, полученным с применением На01 . [c.474]
Что нового внесло применение меченых атомов в науку о питании растений и использовании удобрений Прежде всего надо отметить, что при помощи тяжелого изотопа кислорода 18 доказана неверность существовавших долгое время представлений о ходе фотосинтеза в зеленых растениях. Более 100 лет в науке считали, что под влиянием энергии солнечных лучей в зеленом пигменте — хлорофилле происходит распад поступившего через устьица углекислого газа на углерод и кислород (СОг—+ Ог), причем кислород выделяется обратно в атмосферу, а углерод присоединяется к воде, давая начало простейшему органическому веществу — формальдегиду (С НгО = СНгО). Уплотнение шести молекул формальдегида приводило, согласно предположению, к возникновению простого сахара (бСНгО— СбН120б). [c.204]
Мощный и в то же время избирательный ингибирующий эффект замещенных мочевин, которые подавляют фотосинтез в зеленых растениях и водорослях, позволил биохимикам использовать соединения этого класса при изучении механизма переноса электронов [6]. Шитс [7] провел большую работу по изучению биологии и физики поведения гербицидов в почве. Крафте также провел обширные исследования, посвященные передвижению гербицидных замещенных мочевин в растениях [8, 9]. Он использовал метод меченых атомов и метод радиавтографии. [c.86]
Такая установка (рис. 40) фактически моделирует сочетание двух фотосистем в известной Z-oбpaзнoй схеме фотосинтеза в зеленых растениях. [c.75]
Энергетический смысл фотосинтеза в зеленых растениях ключается в переносе в хлоропластах клеток атома водор вверх по энергетической лестнице. Интересно отметить, что в п цессе этого переноса преодолевается разность потенциалов 1,2 Здесь фотосинтез описан весьма схематично, и чтобы озна миться с ним более подробно лучше обратиться к обширной тературе . [c.192]
Запас углерода атмосферы расходуется в основном на фотосинтез в зеленых растениях суши и па газообмен с гидросферой. В последнем случае океан поглощает углекислый газ из атмосферы, когда равновесие мел ду упругосхыо паров СОз воздуха и концентра- [c.11]
chem21.info
Фотосинтезирующие организмы (зеленые растения, водоросли, цианобактерии) обладают способностью улавливать кванты солнечного света и трансформировать их в химическую энергию. Процесс фотосинтеза,
Фотосинтез
Фотосинтезирующие организмы (зеленые растения, водоросли, цианобактерии) обладают способностью улавливать кванты солнечного света и трансформировать их в химическую энергию. Процесс фотосинтеза, заключительной реакцией которого является синтез углеводов из СO2, может быть суммирован следующим стехиометрическим уравнением:
В результате фотосинтеза происходит:
1. восстановление световой энергией низкоэнергетической окисленной формы углерода (СО2) в высокоэнергетическую восстановленную форму углерода в составе углеводов;
2. образование молекулярного кислорода; эта реакция представляет собой единственный источник кислорода на Земле.
Выделяют световую и темновую фазы фотосинтеза.
Световая фаза включает три процесса:
• фотохимический процесс окислительного расщепления воды - фотоокисления (фотолиз) воды:
• энергия электронов используется специализированной мембранной системой для фосфорилирования АДФ и образования АТФ в процессе фотосинтетического фосфорилирования
• часть энергии электронов восстанавливает НАДФ+ в реакции фотовос- становления.
Темновая фаза — это ферментативное превращение СО2 в углеводы:
Следовательно, НАДФН2 и АТФ, образующиеся в ходе световых реакций, являются источником энергии, протонов и электронов в процессе фотосинтеза глюкозы из диоксида углерода в темновой стадии.
Процессы фотосинтеза протекают в хлоропластах - органоидах цилиндрической формы, они имеют высокоупорядоченную внутреннюю структуру. Внутренняя мембрана хлоропластов образует уплощенные мембранные тела — пузырьковидные диски, называемые тилакоидами, которые уложены в стопку (грана) и соединены между собой перемычками (ламелла). Наружная мембрана хлоропластов гладкая (рис.1).
Рисунок 1 – Строение хлоропласта (схема и микрофотография)
Функциональной единицей световой стадии являются квантосомы — маленькие сферические частицы, погруженные в фосфолипидный матрикс тилакоида и содержащие фоточувствительные пигменты, переносчики электронов и другие компоненты, необходимые для световой стадии фотосинтеза.
Световые реакции фотосинтеза
Во всех фотосинтезирующих организмах центральным процессом является поглощение квантов (фотонов) солнечного света (hν), которое осуществляется фоточувствительнымы пигментами.
Высшие растения содержат хлорофилл а, хлорофиллb и каротиноиды. У водорослей, сине-зелёных, фотосинтезирующих бактерий встречаются помимо этих и другие пигменты: хлорофиллы (с, d), бактериохлорофилл, фикобилины.
Хлорофилл (рис. 2) напоминает структуру гема, но отличается от гема следующим:
1) в хлорофилле металлом, связанным координационными связями с тетрапиррольной структурой, является магний (в виде ионов Mg2+), а не железо;
2) активность хлорофиллов не зависит от связи с белком;
3) хлорофиллы содержат характерные боковые группировки: спирт фитол и конденсированное циклопентановое кольцо. Гидрофобный, 20-углеродный спирт фитол обеспечивает присоединение молекулы хлорофилла к мембране тилакоидов.
Различия в структуре молекул хлорофилла а и b (у хлорофилла а – к кольцу подсоединена метильная группа, а у хл. B – альдегидная см. рис. 2) приводят к тому, что каждый из них обладает уникальным спектром поглощения (рис. 4).
Основным пигментом считается хлорофилл а. Внутри группы молекул хлорофилла а есть различия в светопоглощении молекул, которые определяются конкретным микроокружением в липопротеиновом слое мембраны тилакоидов. Существуют два специализированных вида молекул хлорофилла а, максимумы поглощения которых соответствуют 680 и 700 нм.
Рисунок 2 – Строение хлорофилла
Молекулы хлорофилла в хлоропластах организованы в крупные агрегаты, содержащие сотни молекул пигмента. Это так называемые светособирающие системы, или антенны, которые обеспечивают эффективное поглощение и использование световой энергии. В состав этих систем кроме хлорофилла входят другие соединения, поглощающие в диапазоне 400-700 нм (видимый спектр). Их называют вспомогательными пигментами. Они выступают в роли вторичных поглотителей света, участвуя в переносе энергии к специализированным молекулам хлорофилла в реакционных центрах, т. е. играют роль антенны. К вспомогательным пигментам в высших растениях относятся каротиноиды.
Рисунок 3 – Строение каротиноида (α-каротин)
Суммарное уравнение реакций, происходящих с затратой энергии фотонов во всех фотосинтезирующих растениях, представлено ниже.
Рисунок 4 – спектры поглощения фотосинтетических пигментов
Механизм световой фазы
В световой фазе фотосинтеза участвуют две отдельные фотосистемы, причем обе они должны активироваться светом для достижения максимальной эффективности световых реакций. Фотосистема I (ФС I) содержит в основном хлорофилл а, поглощающий при 700 нм, а фотосистема II (ФС II) - при 680 нм. Установлено, что обе фотосистемы выполняют отдельные, но взаимодополняющие функции.
Рисунок 4 - Схема нециклического фотосинтеза
PQ - пластохинон, PQh3 - пластогидрохинон, cyt b - цитохром b, FeS - железосерные белки, РС - пластоцианин, Fd - ферредоксин, P680 и Р700 - реакционные центры фотосистемы II и I соответственно.
Процессы в ФС II
1) Молекула хлорофилла реакционного центра P680 при попадании кванта света или при получении энергии возбуждения от молекулы хлорофилла антенного комплекса переходит в возбуждённое состояние (P680*). В этом состоянии P680* отдаёт электрон на первичный акцептор и затем электрон по внутренней электрон-транспортной цепи ФС II переносится на подвижные молекулы пластохинона (PQ).
2) Окисленный хлорофилл Р680 восстанавливается, отнимая электрон от воды, и таким образом переходит опять в основное состояние. Фотоокисление воды осуществляет водоокисляющий комплекс, который является составной частью ФС II. Водоокисляющий комплекс содержит большое количество марганца.
Пластохиноновый пул
3) Пластохинон, получая электроны от ФС II, одновременно присоединяет из стромы ионы водорода и становится пластогидрохиноном. Пластогидрохинон отсоединяется от ФС II и диффундирует в мембране тилакоидов à образуется пластохиноновый пул.
Цитохромный комплекс
4) Пластогидрохинон передвигается ко второму встроенному в мембрану цитохромному комплексу, где и окисляется до пластохинона. Протоны уходят в полость тилакоида (люмен).
5)Высвобождающиеся при этом электроны переносятся по закреплённым в белковом комплексе компонентам электрон-транспортной цепи до молекулы пластоцианина - медьсодержащий белок. Перемещение электронов обеспечивает перекачку H+ из стромы в люмен.
Процессы в ФС I.
6) Молекула хлорофилла реакционного центра ФС I P700 при попадании кванта света или при получении энергии возбуждения от молекулы хлорофилла антенного комплекса переходит в возбуждённое состояние (P700*). Происходит разделение зарядов и электрон переходит на первичный акцептор ФС I и далее по цепи переносчиков.
7) Недостаток электронов окисленного P700 пополняется за счёт восстановленного пластоцианина.
8) Высокоэнергетические электроны от акцептора ФС I, восстанавливают железосерный негемовый белок ферредоксин, который принимает участие в восстановлении НАДФ+ до НАДФН2.
9) В реакции восстановления НАДФ+ ферредоксином принимает участие дегидрогеназа - ферредоксин: НАДФ+- оксидоредуктаза.
Фотосинтетическое фосфорилирование
10) При перемещении электронов по электрон-транспортной цепи фотосинтеза осуществляется перекачка H+ из стромы в люмен. Этот протонный градиент обеспечивает протекание фотосинтетического фосфорилирования.
Механизм фотосинтетического фосфорилирования сходен с синтезом АТФ в процессе окислительного фосфорилирования в митохондриях. рН на внутренней поверхности тилакоида может достигать 4 и ниже, данный электрохимический протонный потенциал используется интегрированной в мембрану АТФ-синтазой для синтеза АТФ. Структура этого фермента аналогична митохондриальной АТФ-синтазе и включает гидрофобный, интегрированный в мембрану тилакоида компонент (CF0) и гидрофильный комплекс (CF1), катализирующий синтез АТФ.
Синтезированная АТФ беспрепятственно поступает в строму для участия в темновых стадиях фотосинтеза.
Рисунок 5 - Схема работы АТФ-синтазного комплекса
Синтез АТФ, сопряженный с функционированием обеих фотосистем, получил название нециклического фосфорилирования. Следует помнить, что восполнение дефицита электронов в ФС I происходит за счет переноса к ней электронов воды, поступающих от ФС II. Процесс нециклического фосфорилирования сопряжен с фотовосстановлением НАДФ+.
Однако функционирует дополнительный механизм, обеспечивающий синтез АТФ без сопутствующего восстановления НАДФ+, в котором участвует только ФС I:
Поток электронов, поступивших из реакционного центра ФС I и восстановивших ферредоксин, возвращается в ФС I, так как происходит следующая передача электронов ферредоксин à цитохромный комплекс à пластоцианин à ФС I. Такой перенос электронов создаёт протонный градиент на тилакоидной мембране, который используется для синтеза АТФ. Поскольку в данной системе наблюдается циклический поток электронов, то этот путь синтеза АТФ получил название циклического фотосинтетического фосфорилирования. Следовательно, этот путь синтеза АТФ не сопряжен с восстановлением НАДФ+, выделением О2 и происходит в том случае, когда клетка обеспечена НАДФН2, но испытывает потребность в АТФ.
Рисунок 6 - Схема циклического фотосинтеза
PQ - пластохинон, PQh3 - пластогидрохинон, cyt b - цитохром b, FeS - железосерные белки, РС - пластоцианин, Fd - ферредоксин, P680 и Р700 - реакционные центры фотосистемы II и I соответственно.
Темновая фаза фотосинтеза
Темновая фаза фотосинтеза включает в себя цикл из биохимических реакций известных под названием цикл Кальвина. Ключевым ферментом процесса является рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилаза (РДФК), присоединяющая к рибулозобифосфату молекулу СО2 (рис. 6).
Цикл Кальвина можно разделить на три части:
1) Карбоксилирование:
2) Восстановление
3) Регенерация
Для синтеза глюкозы необходимы две ФГА. Для образования одной молекулы глюкозы требуется 6 оборотов цикла и затраты энергии эквивалентной 54 АТФ. Энергия в виде АТФ и НАДФН2 поступает из световой фазы
Рисунок 6 - Упрощённая схема цикла Кальвина
РБФК - фермент рибулозобисфосфаткарбоксилаза
Дата добавления: 2015-10-21; просмотров: 42 | Нарушение авторских прав
mybiblioteka.su - 2015-2018 год. (0.059 сек.)mybiblioteka.su
Значение фотосинтеза ( космическая роль зелёных растений )
· Впервые космическую роль зелёных растений и фотосинтеза отметил К. А. Темирязев ( 1843 - 1920 ) – выдающийся русский учёный - дарвинист, основоположник отечественной школы фитофизиологов
1. Преобразование электро-магнитой (световой) энергии Солнца в химическую энергию связей органических соединений - единственный процесс, приводящий к увеличению энергии в биосфере за счёт внешнего источника – Солнца
2. Аккумуляция (запас) в органических веществах химической энергии , необходимой для осуществления всех процессов жизнедеятельности растений и животных
3. Образование огромной массы органических веществ , которая служит пищей для гетеротрофов и человека ( ежегодно в процессе фотосинтеза образуется 150млрд. тонн органических веществ , из них более 100 млрд. – сахаридов )
4. Единственный источник свободного кислорода на Земле , необходимый для дыхания аэробных организмов (ежегодно в процессе фотосинтеза образуется 200 млрд. тонн свободного кислорода)
v Один человек за сутки потребляет 500 л кислорода , а за год более 180 тыс. литров . Для населения земли ежегодно необходимо 900 млрд . кубических метров кислорода ( плюс кислород , который потребляется растениями , животными , грибами микроорганизмами , промышленностью , транспортом – только один реактивный лайнер использует за время трансконтинентального полёта до 50 млн. литров кислорода - суточную потребность 100 тыс. человек ) . Годовая потребность в кислороде одного человека обеспечивается функционированием 10 –12 деревьев в течение вегетационного периода
5. Формирование из кислорода озонового экрана, защищающего живые организмы от жёсткой ультрафиолетовой коротковолновой (до 290 нм) радиации , которая оказывает губительное действие на всё живое
6. Формирование и поддержание газового состав вторичной атмосферы Земли
7. Изъятие из атмосферы СО2 , избыток которого создавал «парниковый эффект » , и снижение температуры Земли до нынешних значений; вовлечение СО2 в круговорот веществ и снижение его содержания в воде и атмосфере
v Наземные растения ежегодно извлекают из атмосферы 20 млрд. ( 1300кг\га ) тонн углерода в форме СО2 , а все растительные сообщества , включая морские водоросли – около 150 млрд. тонн , при этом ежегодно расходуется около 3% запасов СО2 атмосферы и 0,3% запасов СО2 в водах планеты ( количество поглощённого СО2 с избытком компенсируется в результате дыхания и брожения живых организмов , промышленных выбросов , вулканической деятельности )
8. Источник сырья для промышленности , из которого получают необходимую человеку продукцию
9. Образование органогенных полезных ископаемых в виде каменного угля , нефти, природного газа , торфа ( запасённая в прошлом в процессе фотосинтеза энергия в виде различных видов топлива используется как основной источник энергии для человечества и составляет энергетические ресурсы в будущем )
10. Самый крупный химический процесс на Земле, основа существования органической жизни на планете, обеспечивающий условия её для дальнейшей эволюции
· У эукариот – фотоавтотрофов ( растений ) фотосинтез осуществляется в хлоропластах (у фотосинтезирующиходноклеточных – в хроматофорах, у прокариот – в ламелах)
· Фотосинтез происходит при участии пластидных пигментов (хлорофиллов и каротиноидов), образующих фотосистемы (пигменты и фотосистемы локализованы в системе внутренних мембран пластид (мембраны тилакоидов гран хлоропластов)
Пигменты хлоропластов(фотосинтетические)
Пигменты – органические гидрофобные соединения липидной природы, избирательно поглощающие свет в видимом участке солнечного спектра
· В растениях встречаются пигменты трёх классов – хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины
Хлорофиллы
· Высшие растения содержат два зелёных пигмента : хлорофилл а ( его формула С55Н72О5N4Mg )и хлорофилл b ( С55Н70О6N4Mg ) - основные пигменты фотосинтеза ( у фотосинтезирующих бактерий – бактериофлорофилл )
q Ведущая роль принадлежит магнию (Мg+2), благодаря которому образуются агрегаты (объединения) молекул хлорофилла , что способствует улавливанию света – придаёт зелёный цвет пигменту
q Хлорофилл а имеется у всех фотосинтезирующих организмов , способных к выделению кислорода
Хлорофилл b обнаружен в листья высших растений и зелёных водорослях
q Каждый вид хлорофилла поглощает лучи солнечного спектра , определённой длинны волны (хлорофилл b поглощает коротковолновые кванты с длинной волны 680нм ( Р680 ) , хлорофилл а – длинноволновые кванты – 700нм (Р700) )
Каротиноиды– это жёлтые или оранжевые пигменты , найденные во всех фотосинтезирующих клетках
q Имеется две группы каротиноидов : каротины и ксантофиллы
q Выполняют вспомогательные функции
1. Образование светособирающего комплекса ( фотосистем ) – поглощённая каротиноидами световая энергия передаётся на хлорофиллу a
2. Защита молекул хлорофилла от светоокисления на ярком свету
q От соотношения хлорофиллов и каротиноидов зависит цвет листьев ( в зелёных листья каротиноиды обычно незаметны из-за наличия в хлоропластах хлорофилла , но осенью , когда хлорофилл разрушается , именно каротиноиды придают листья характерную осеннюю окраску
q Фикобилины. Содержаться в цианобактериях и красных водорослях (не содержат магния)
q Известны три класса фикобилинов – фикоэритрины , найдены в красных водорослях (красные) , фикоцианины , обнаружены у цианобактерий ( голубые ) и аллофикоцианины
infopedia.su
Суточный ход фотосинтеза у светолюбивых и теневыносливых растений. Роль зеленых растений в природе
Фотосинтез (от др.-греч. φῶς — свет и σύνθεσις — соединение, складывание, связывание, синтез) — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества.
Фотосинтез растений осуществляется в хлоропластах: обособленных двухмембранных органеллах клетки. Хлоропласты могут быть в клетках плодов, стеблей, однако основным органом фотосинтеза, анатомически приспособленным к его ведению, является лист. В листе наиболее богата хлоропластами ткань палисадной паренхимы. У некоторых суккулентов с вырожденными листьями (например, кактусы) основная фотосинтетическая активность связана со стеблем.
Схема фотосинтеза
В связи с тем, что основой жизнедеятельности растений является фотосинтез, все растения любят свет. Однако, есть растения, выносливые к недостатку света, которые называют теневыносливыми. Светолюбивость или теневыносливость растений определяется сформировавшимися в процессе эволюции механизмами приспособления к окружающим факторам среды.
Светолюбивость проявляется в значительном уменьшении содержания зеленых пигментов и соответствующем повышении количества каротиноидов. У светолюбивых растений часто наблюдается усиленное развитие ассимилирующей ткани палисадной паренхимы, состоящей из нескольких слоев клеток меньшей величины, чем у теневыносливых; у них число устьиц больше и поэтому углекислый газ быстрее проникает внутрь листа. Внешне у светолюбивых растений листья всегда более мелкие и имеют более бледную зеленую окраску, чем теневыносливые.
Интенсивность фотосинтеза у светолюбивых растений повышается к полудню и уменьшается утром и вечером, у теневыносливых максимум фотосинтеза приходится на утро и вечер, и минимальна интенсивность фотосинтеза в полдень.
Роль зеленых растений в природе.
Зеленые растения, являясь основными автотрофами на нашей планете, определяют несколько существеннейших параметров жизни:
- накопление кислорода в атмосфере,
- накопление биомассы,
- основное звено синтеза органики в пищевых цепях,
- преобразование физической энергии Солнца в химическую энергию органических веществ.
В.И. Вернадский писал о значении растений так: " На нашей планете свободный кислород, находящийся на ней в виде газа или в форме раствора в природных водах, нацело создается жизнью. Мы не знаем пока ни одного случая, когда бы он выделялся в значительном количестве в результате какого бы то ни было химического процесса, независимо от жизни. Но нам известны тысячи земных химических процессов, в которых свободный кислород поглощается, переводится в новые соединения, исчезает как таковой. А между тем, количество его в биосфере не меняется, остается все тем же. Это достигается непрерывной работой зеленых растений, и это одно дает меру их значения на нашей планете, дает представление о размахе их геохимической энергии".
В ранние геологические периоды теплый и влажный климат и высокое содержание углекислого газа в атмосфере Земли содействовали пышному расцвету фотосинтезирующих растений. При этом все большее количество углерода переходило в состав органических веществ, которые затем превращались в залежи полезных ископаемых (уголь, нефть, торф) и гумус. Эти запасы ныне достигают 6.1015тонн.
Космическая роль зеленых растений выражается в их влиянии на изменение условий жизни на Земле и в обеспечении возникновения новых форм жизни.
Атмосфера обогащалась кислородом, уменьшалось количество углекислого газа. Имеющееся в современной атмосфере количество кислорода, равное 1,5.1015 тонн, близко к тому количеству, которое должно было выделиться при образовании органических запасов углерода на Земле (6.1015тонн).
По современным подсчетам годовая продуктивность всей растительности Земли оценивается в 100 миллиардов тонн сухой биомассы.
Преобладающую роль в продуктивности наземной растительности играют леса - 28,4 миллиарда тонн, затем идут пастбища (степи, луга) - 10,4 миллиарда тонн, затем сельскохозяйственные угодья, которые дают около 8,7 миллиардов тонн сухой биомассы.
Основное же количество сухой биомассы накапливает растительность океанов и других водоемов.
Ежегодно растения поглощают из окружающей среды 2.109 т азота, 6.109 фосфора, 158.109 т углекислого газа и 128.109 т воды, а выделяют 115.109 т кислорода.
В процессе дыхания растений окисляется 25.109 т органики, причем выделяется 34,5.109 т углекислого газа.
Весь животный мир разлагает 3,5.109 т органики с образованием 4,8.109 т углекислого газа.
За счет сжигания полезных ископаемых в промышленности и быту в атмосферу выделяется 15.109 т углекислого газа.
biofile.ru
Как происходит процесс фотосинтеза в краснокочанной капусте и других растениях с не зелёными листьями? (ведь хлоропласты вырабатывают хлорофил, который зеленый)
Даже если у листьев наземных растений красный цвет, они способны фотосинтезировать точно так же, как и зеленые растения и содержат хлорофилл. Я не имею ввиду желтеющие осенью листья - там аппарат фотосинтеза действительно разрушается, хлорофилл деградирует и в бывших хлоропластах, а теперь уже хромопластах, накапливаются красные и желтые каротиноиды и флавоноиды. Красная окраска "нормальных" листьев обусловлена тем, что в вакуолях клеток накапливаются пигменты антоцианы (они могут быть красного или синего цвета и даже менять цвет при изменении кислотности среды и при взаимодействии с металлами).
Эти пигменты, наряду с каротиноидами и прочими флавоноидами, очень часто отвечают и за окраску желтеющих листьев, и за цвет лепестков цветка, за окраску плода. Обычно антоцианы синтезируются, когда хлорофилл начинает разрушаться, но у некоторых растений они присутствуют в вакуолях при работающих хлоропластах. Причиной этому может быть произошедшая ранее генетическая перестройка, мутация, которая "испортила" регуляцию работы ферментов синтеза антоцианов, что могло принести растению. Богаты антоцианами такие растения, как, например, черника, клюква, малина, ежевика, чёрная смородина, вишня, баклажаны, свёкла, чёрный рис, виноград Конкорд и мускатный виноград, красная капуста, и некоторые виды перцев, как жгучих, так и т. н. сладких. А теперь я процитирую хорошую книжку Г.-В. Хелдта "биохимия растений" издательства Бином, стр. 359: "Антоцианы ... также выполняют функции защитных пигментов, которые при необходимости экранируют клетки мезофилла (то есть основной фотосинтезирующей ткани - прим. моё) листа от воздействия солнечного света. Характерно, что у растений в условиях стресса (дефицит фосфора, засоление почвы, переохлаждение) часто наблюдается красная окраска листьев вследствие повышенного содержания антоцианов." Помогаем найти хобби Чем занимались в свободное время обычные люди без смартфонов?Существует ли хобби, способное заинтересовать абсолютно любого человека?Как найти увлечение и хобби в 17 лет, если практически ничего не умеешь?Искать увлечение
thequestion.ru
Фотосинтез - зеленое растение - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Фотосинтез - зеленое растение
Cтраница 1
Фотосинтез зеленых растений, волнение на поверхности и другие факторы повышают содержание кислорода в воде, а поглощение кислорода при разложении погибших организмов, наоборот, снижает. Сезонные колебания уровня растворенного кислорода в данной точке океана, связанные с действием перечисленных факторов, будут отражаться и на коррозионных процессах. [1]
Фотосинтез зеленых растений протекает в две стадии: первая из них объединяет световые реакции, идущие только тогда, когда растение освещено, а вторая-тем новые реакции, которые могут происходить как в темноте, так и на свету. В световых реакциях энергия света поглощается хлорофиллом и другими пигментами фотосинтезирующих клеток и запасается в химической форме в виде двух высокоэнергетических продуктов - АТР и NADPH; одновременно выделяется кислород. [3]
При фотосинтезе наземных зеленых растений ежегодно связывается 2 1010 т углерода или 1 / 30 содержания его в атмосфере. Значит, если бы не существовало возобновления запасов С0а в воздухе, то через три десятилетия все растения бы погибли. [5]
Промежуточные продукты фотосинтеза зеленых растений и водорослей, в которых запасена энергия, - это НАДФН и АТФ. Их совокупность называется ассимиляционным фактором. Восстановление СО2 осуществляется в темновых стадиях фотосинтеза с участием этих соединений. [6]
В главе III фотосинтез зеленых растений рассматривается как перенос водорода от воды к двуокиси углерода; в главе V бактериальный фотосинтез характеризуется как перенос водорода к тому же акцептору, но не от воды, а от других восстановителей. Эти переносы водорода могут связываться с реакциями различного типа, например карбоксилированием, гидратацией, фосфорилированием или дисмутацией. Несмотря на это, мы можем с уверенностью допустить, что первичный фотохимический процесс является стадией основного окислительно-восстановительного процесса. [7]
В отллчие от фотосинтеза зеленых растений в бактериальной фотосинтезе, по современным представлениям, доно хэм электрона для восстановления СС или других источников углерода является не вода, а другие восстановители. Поэтому этот процесс не сопровождается выделением кислорода. [8]
Среди многообразных процессов жизни фотосинтез зеленых растений пожалуй, имеет наибольшее значение для человечества, в настоящее время получающего из этого источника около 99 % всей потребляемой им энергии. Как известно, в результате фотосинтеза, происходящего за счет энергии солнечного света, улавливаемой хлорофиллом, растения накапливают различные органические вещества, для образования которых используется углекислота, поглощаемая из воздуха, и вода, поступающая через корневую систему. Кроме того, при фотосинтезе листья растений выделяют кислород в окружающую атмосферу. Масштабы, в которых осуществляется фотосинтез зеленых растений, достигают колоссальных размеров. Ежегодно фиксируя около 175 миллиардов тонн углерода и освобождая соответственное количество кислорода, растения непрерывно преобразуют атмосферу земли и являются одной из самых мощных движущих сил, вызывающих круговорот элементов на нашей планете. [9]
Считается также, что фотосинтез зеленых растений, который привел к появлению в атмосфере мощного окислителя - свободного О2, способствовал активизации деятельности организмов-хемосинтетиков. Хемосинтетики - лишенные пигментов автотрофные бактерии, способные жить в полной темноте. Для восстановления СО2 они используют энергию аэробных окислительных процессов. К хемосинте-тикам относится многочисленная группа нитчатых и одноклеточных серобактерий, окисляющих большое число соединений серы, а также элементарную серу и получающих энергию, необходимую для синтеза, например, при окислении сероводорода. [10]
Оно составляет сущность первичной стадии фотосинтеза зеленых растений, лежит в основе фотохим. [11]
Основные отличия бактериального фотосинтеза от фотосинтеза зеленых растений заключаются в том, что донором водорода является не вода, а другие соедине-ния и что бактериальный фотосинтез не сопровождается выделением кислорода. [12]
Из этого высказывания становится ясным, что фотосинтез зеленых растений - не только единственный в конечном счете источник пищи на Земле, но и единственный источник энергии для животного мира. Косвенным путем, через использование дров, угля и торфа, фотосинтез служит также источником большей части энергии, используемой в промышленности, и получаемого нами тепла и света. В сущности, он удовлетворяет все потребности современного общества в энергии, за исключением того, что дают гидроустановки и ядерный распад. [13]
XXIX при обсуждении вопроса об определении максимального квантового выхода фотосинтеза зеленых растений мало внимания было уделено качеству света, использованного для освещения, причем подразумевалось, что качество света или совсем не имеет значения, или оказывает только косвенное действие. Измерения квантового выхода в монохроматическом свете были впервые проведены Варбургом и Негелейном [42] при работе с Chlorella. [14]
Последняя форма будет тогда единственной, накопление которой может повлиять на фотосинтез зеленых растений на сильном свету. [15]
Страницы: 1 2 3 4
www.ngpedia.ru
