Процес фотосинтез: коротко і зрозуміло для дітей. Фотосинтез: світлова та темнова фази. Де протікає світлова фаза фотосинтезу? Під час світлової стадії фотосинтезу йде освіта

Питання 1. Скільки глюкози, що синтезується у процесі фотосинтезу, припадає на кожного з 4 млрд жителів Землі на рік?
Якщо врахувати, що за рік вся рослинність планети виробляє близько 130 000 млн т цукрів, то на одного жителя Землі (за умови, що населення Землі становить 4 млрд жителів), їх припадає 32,5 млн т (130000/4=32,5) .

Питання 2. Звідки береться кисень, що виділяється у процесі фотосинтезу?
Кисень, що надходить в атмосферу в процесі фотосинтезу, утворюється при реакції фотолізу - розкладання води під дією енергії сонячного світла (2Н2О + енергія світла = 2Н2+О2).

Питання 3. У чому сенс світлової фази фотосинтезу; темнової фази?
Фотосинтез- це процес синтезу органічних речовинз неорганічних під впливом енергії сонячного світла.
Фотосинтез у рослинних клітинах йде у хлоропластах. Сумарна формула:
6СО 2 + 6Н 2 О + енергія світла = З 6 Н 12 О 6 + 6О 2 .
Світлова фазафотосинтезу йде тільки на світлі: квант світла вибиває електрон із молекули хлорофілу, що лежить у мембрані тилакоїда.; вибитий електрон або повертається назад, або потрапляє на ланцюг ферментів, що окислюють один одного. Ланцюг ферментів передає електрон на зовнішній бік мембрани тилакоїда до переносника електронів. Мембрана заряджається негативно із зовнішнього боку. Позитивно заряджена молекула хлорофілу, що лежить у центрі мембрани, окислює ферменти, що містять іони марганцю, що лежать на внутрішній стороні мембрани. Ці ферменти беруть участь у реакціях фотолізу води, в результаті яких утворюється Н +; протони водню викидаються на внутрішню поверхню мембрани тилакоїда і на цій поверхні з'являється позитивний заряд. Коли різницю потенціалів на мембрані тилакоїдів досягає 200 мВ, через канал АТФ-синтетази починають проскакувати протони. Синтезується АТФ.
У темнову фазу з 2 і атомарного водню, пов'язаного з переносниками, синтезується глюкоза за рахунок енергії АТФ. Синтез глюкози йде в стромі хлоропластів на ферментних системах. Сумарна реакція темнової стадії:
6СО 2 + 24Н = З 6 Н 12 Про 6 + 6Н 2 Про.
Фотосинтез дуже продуктивний, але хлоропласти листа захоплюють для участі в цьому процесі всього 1 квант світла з 10 000. Проте цього достатньо для того, щоб зелена рослинамогло синтезувати 1 г глюкози на годину з поверхні листя площею 1м2.

Питання 4. Чому для вищих рослин необхідна присутність у ґрунті хемосинтезуючих бактерій?
Рослинам необхідні нормального зростання та розвитку мінеральні солі, містять такі елементи, як азот, фосфор, калій. Багато видів бактерій, здатні синтезувати необхідні їм органічні сполукиз неорганічних за рахунок енергії хімічних реакцій окислення, що відбуваються в клітині, належать до хемотрофів. Захоплювані бактерією речовини окислюються, а енергія, що утворюється, використовується на синтез складних органічних молекул з СО 2 і Н 2 О. Цей процес носить назву хемосинтезу.
Найважливішу групу хемосинтезирующих організмів є нітрифікуючі бактерії. Досліджуючи їх, С.М. Виноградський у 1887 р. відкрив процес хемосинтеза. Нитрифицирующие бактерії, мешкаючи у ґрунті, окислюють аміак, що утворюється при гниття органічних залишків, до азотистої кислоти:
2МН 3 + ЗО 2 = 2НNO 2 + 2Н 2 Про + 635 кДж.
Потім бактерії інших видів цієї групи окислюють азотисту кислотудо азотної:
2НNO 2 + 2 = 2НNO 3 + 151,1 кДж.
Взаємодіючи з мінеральними речовинами ґрунту, азотиста та азотна кислоти утворюють солі, які є найважливішими компонентами мінерального живлення вищих рослин. Під впливом інших видів бактерій у ґрунті відбувається утворення фосфатів, які також використовуються вищими рослинами.
Таким чином, хемосинтез - Це процес синтезу органічних речовин з неорганічних за рахунок енергії хімічних реакцій окислення, що відбуваються в клітині.

- синтез органічних речовин з вуглекислого газу та води з обов'язковим використанням енергії світла:

6СО 2 + 6Н 2 О + Q світла → З 6 Н 12 О 6 + 6О 2 .

У вищих рослин органом фотосинтезу є лист, органоїдами фотосинтезу – хлоропласти (будова хлоропластів – лекція №7). У мембрани тилакоїдів хлоропластів вбудовані фотосинтетичні пігменти: хлорофіли та каротиноїди. Існує кілька різних типів хлорофілу ( a, b, c, d), головним є хлорофіл a. У молекулі хлорофілу можна виділити порфіринову "головку" з атомом магнію в центрі та фітольний "хвіст". Порфириновая «головка» являє собою плоску структуру, є гідрофільною і тому лежить на поверхні мембрани, яка звернена до водного середовища строми. Фітольний "хвіст" - гідрофобний і за рахунок цього утримує молекулу хлорофілу в мембрані.

Хлорофіли поглинають червоне і синьо-фіолетове світло, відбивають зелене і тому надають рослинам характерного зеленого забарвлення. Молекули хлорофілу в мембранах тилакоїдів організовані в фотосистеми. У рослин і синьо-зелених водоростей є фотосистема-1 і фотосистема-2, у бактерій, що фотосинтезують, - фотосистема-1. Тільки фотосистема-2 може розкладати воду з кисню і відбирати електрони у водню води.

Фотосинтез – складний багатоступінчастий процес; реакції фотосинтезу поділяють на дві групи: реакції світловий фазита реакції темнової фази.

Світлова фаза

Ця фаза відбувається лише у присутності світла в мембранах тилакоїдів за участю хлорофілу, білків-переносників електронів та ферменту – АТФ-синтетази. Під впливом кванта світла електрони хлорофілу збуджуються, залишають молекулу і потрапляють на зовнішній бік мембрани тилакоїда, що у результаті заряджається негативно. Окислені молекули хлорофілу відновлюються, відбираючи електрони у води, що знаходиться у внутрішньотілакоїдному просторі. Це призводить до розпаду або фотолізу води:

Н 2 О + Q світла → Н + + ВІН -.

Іони гідроксилу віддають свої електрони, перетворюючись на реакційноздатні радикали.

ВІН - →. ВІН + е -.

Радикали.ОН об'єднуються, утворюючи воду і вільний кисень:

4НО. → 2Н2О+О2.

Кисень при цьому видаляється у зовнішнє середовище, а протони накопичуються всередині тилакоїда в «протонному резервуарі». Через війну мембрана тилакоїда з одного боку з допомогою Н + заряджається позитивно, з іншого з допомогою електронів — негативно. Коли різниця потенціалів між зовнішньою та внутрішньою сторонами мембрани тилакоїду досягає 200 мВ, протони проштовхуються через канали АТФ-синтетази та відбувається фосфорилювання АДФ до АТФ; атомарний водень йде на відновлення специфічного переносника НАДФ + (нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат) до НАДФ·Н 2:

2Н + + 2е - + НАДФ → НАДФ · Н 2 .

Таким чином, у світлову фазу відбувається фотоліз води, який супроводжується трьома. найважливішими процесами: 1) синтезом АТФ; 2) освітою НАДФ · Н 2; 3) освітою кисню. Кисень дифундує в атмосферу, АТФ і НАДФ Н 2 транспортуються в строму хлоропласту і беруть участь у процесах темнової фази.

1 - строма хлоропласту; 2 - тилакоїд грани.

Темнова фаза

Ця фаза протікає у стромі хлоропласту. Для її реакцій не потрібна енергія світла, тому вони відбуваються не тільки на світлі, а й у темряві. Реакції темнової фази є ланцюжок послідовних перетворень вуглекислого газу (надходить з повітря), що призводить до утворення глюкози та інших органічних речовин.

Перша реакція у цьому ланцюжку - фіксація вуглекислого газу; акцептором вуглекислого газу є п'ятивуглецевий цукор рибулозобіфосфат(РіБФ); каталізує реакцію фермент рибулозобіфосфат-карбоксилаза(РіБФ-карбоксилаза). В результаті карбоксилювання рибулозобісфосфату утворюється нестійка шестивуглецева сполука, яка відразу ж розпадається на дві молекули. фосфогліцеринової кислоти(ФГК). Потім відбувається цикл реакцій, у яких через ряд проміжних продуктів фосфогліцеринова кислота перетворюється на глюкозу. У цих реакціях використовуються енергії АТФ і НАДФ·Н 2 утворених у світлову фазу; цикл цих реакцій отримав назву «цикл Кальвіна»:

6СО 2 + 24Н + + АТФ → З 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О.

Крім глюкози, у процесі фотосинтезу утворюються інші мономери складних органічних сполук – амінокислоти, гліцерин та жирні кислоти, нуклеотиди. В даний час розрізняють два типи фотосинтезу: 3 - і 4 -фотосинтез.

З 3-фотосинтез

Це тип фотосинтезу, при якому першим продуктом є тривуглецеві (3) сполуки. З 3-фотосинтез був відкритий раніше З 4-фотосинтезу (М. Кальвін). Саме З 3 -фотосинтез описаний вище, у рубриці "Темнова фаза". Характерні особливості С 3 -фотосинтезу: 1) акцептором вуглекислого газу є РиБФ, 2) реакцію карбоксилювання РиБФ каталізує РиБФ-карбоксилаза, 3) в результаті карбоксилювання РіБФ утворюється шестивуглецеве з'єднання, яке розпадається на дві ФГК. ФГК відновлюється до тріозофосфатів(ТФ). Частина ТФ йде на регенерацію РіБФ, частина перетворюється на глюкозу.

1 - хлоропласт; 2 - пероксисома; 3 - мітохондрія.

Це світлозалежне поглинання кисню та виділення вуглекислого газу. Ще на початку минулого століття було встановлено, що кисень пригнічує фотосинтез. Як виявилося, для РиБФ-карбоксилази субстратом може бути не лише вуглекислий газ, а й кисень:

Про 2+РіБФ → фосфогліколат (2С) + ФГК (3С).

Фермент у своїй називається РиБФ-оксигеназой. Кисень є конкурентним інгібітором фіксації вуглекислого газу. Фосфатна група відщеплюється, і фосфогліколат стає гліколатом, який рослина має утилізувати. Він надходить у пероксисоми, де окислюється до гліцину. Гліцин надходить у мітохондрії, де окислюється до серину, при цьому відбувається втрата вже фіксованого вуглецю у вигляді 2 . У результаті дві молекули гліколату (2С + 2С) перетворюються на одну ФГК (3С) та СО 2 . Фотодихання призводить до зниження врожайності З 3-рослин на 30-40% ( З 3-рослини- Рослини, для яких характерний С 3 -фотосинтез).

4 -фотосинтез - фотосинтез, при якому першим продуктом є чотиривуглецеві (З 4) сполуки. У 1965 році було встановлено, що у деяких рослин (цукрова тростина, кукурудза, сорго, просо) першими продуктами фотосинтезу є чотиривуглецеві кислоти. Такі рослини назвали З 4-рослинами. У 1966 році австралійські вчені Хетч і Слек показали, що у С 4-рослин практично відсутній фотодих і вони набагато ефективніше поглинають вуглекислий газ. Шлях перетворень вуглецю в 4 -рослинах стали називати шляхом Хетча-Слека.

Для З 4 -рослин характерна особлива анатомічна будова листа. Усі провідні пучки оточені подвійним шаром клітин: зовнішній – клітини мезофілу, внутрішній – клітини обкладки. Вуглекислий газ фіксується в цитоплазмі клітин мезофілу, акцептор - фосфоенолпіруват(ФЕП, 3С), в результаті карбоксилювання ФЕП утворюється оксалоацетат (4С). Процес каталізується ФЕП-карбоксилазою. На відміну від РиБФ-карбоксилази ФЕП-карбоксилаза має велику спорідненість до СО 2 і, найголовніше, не взаємодіє з О 2 . У хлоропластах мезофілу багато гран, де активно йдуть реакції світлової фази. У хлоропластах клітин обкладки йдуть реакції темнової фази.

Оксалоацетат (4С) перетворюється на малат, який через плазмодесми транспортується на клітини обкладки. Тут він декарбоксилюється і дегідрується з утворенням пірувату, 2 і НАДФ·Н 2 .

Піруват повертається в клітини мезофілу та регенерує за рахунок енергії АТФ у ФЕП. 2 знову фіксується РиБФ-карбоксилазою з утворенням ФГК. Регенерація ФЕП вимагає енергії АТФ, тому потрібно майже вдвічі більше енергії, ніж при 3 -фотосинтезі.

Значення фотосинтезу

Завдяки фотосинтезу щорічно з атмосфери поглинаються мільярди тонн вуглекислого газу, виділяються мільярди тонн кисню; Фотосинтез є основним джерелом утворення органічних речовин. З кисню утворюється озоновий шар, що захищає живі організми від короткохвильової ультрафіолетової радіації.

При фотосинтезі зелений лист використовує лише близько 1% сонячної енергії, що падає на нього, продуктивність становить близько 1 г органічної речовини на 1 м 2 поверхні на годину.

Хемосинтез

Синтез органічних сполук із вуглекислого газу та води, що здійснюється не за рахунок енергії світла, а за рахунок енергії окислення неорганічних речовин, називається хемосинтезом. До хемосинтезуючих організмів належать деякі види бактерій.

Нітрифікуючі бактеріїокислюють аміак до азотистої, а потім до азотної кислоти (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

Залізобактеріїперетворюють закисне залізо на окисне (Fe 2+ → Fe 3+).

Серобактеріїокислюють сірководень до сірки або сірчаної кислоти (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

Внаслідок реакцій окислення неорганічних речовин виділяється енергія, яка запасається бактеріями у формі макроергічних зв'язків АТФ. АТФ використовується для синтезу органічних речовин, який проходить аналогічно до реакцій темнової фази фотосинтезу.

Хемосинтезуючі бактерії сприяють накопиченню в ґрунті мінеральних речовин, покращують родючість ґрунту, сприяють очищенню. стічних водта ін.

    Перейти до лекції №11«Поняття обміну речовин. Біосинтез білків»

    Перейти до лекції №13"Способи поділу еукаріотичних клітин: мітоз, мейоз, амітоз"

Тема 3 Етапи фотосинтезу

Розділ 3 Фотосинтез

1.Світлова фаза фотосинтезу

2.Фотосинтетичне фосфорилювання

3.Шляхи фіксації СО2 при фотосинтезі

4.Фотодихання

Сутність світлової фази фотосинтезу полягає у поглинанні променистої енергії та її трансформації в асиміляційну силу (АТФ та НАДФ-Н), необхідну для відновлення вуглецю у темнових реакціях. Складність процесів перетворення світлової енергії на хімічну потребує їх суворої мембранної організації. Світлова фаза фотосинтезу відбувається у гранах хлоропласту.

Таким чином, фотосинтетична мембрана здійснює дуже важливу реакцію: вона перетворює енергію поглинених квантів світла в окислювально-відновлювальний потенціал НАДФ-Н і в потенціал реакції переносу фосфорильної групи в молекулі АТФ При цьому відбувається перетворення енергії з короткоживучої її форми у форму досить довгоживучу. Стабілізована енергія може бути пізніше використана у біохімічних реакціях рослинної клітини, у тому числі й у реакціях, що призводять до відновлення вуглекислоти.

П'ять основних поліпептидних комплексів убудовані у внутрішні мембрани хлоропластів: комплекс фотосистеми I (ФС I), комплекс фотосистеми II (ФСII), світлозбиральний комплекс II (ССКII), цитохромний b 6 f-комплексі АТФ-синтаза (CF 0 - CF 1-комплекс).Комплекси ФСІ, ФСІІ та ССКІІ містять пігменти (хлорофіли, каротиноїди), більшість яких функціонують як пігменти-антени, що збирають енергію для пігментів реакційних центрів ФСІ та ФСІІ. Комплекси ФСІ та ФСІІ, а також цитохромний b 6 f-комплекс мають у своєму складі редокс-кофактори та беруть участь у фотосинтетичному транспорті електронів. Білки цих комплексів відрізняються високим вмістом амінокислот гідрофобних, що забезпечує їх вбудовування в мембрану. АТФ-синтаза ( CF 0 – CF 1-комплекс) здійснює синтез АТФ. Крім великих поліпептидних комплексів у мембранах тилакоїдів є невеликі білкові компоненти - пластоціанін, ферредоксині ферредоксин-НАДФ-оксидоредуктаза,розташовані на поверхні мембран. Вони входять до електронно-транспортної системи фотосинтезу.

У світловому циклі фотосинтезу відбуваються такі процеси: 1) фотозбудження молекул фотосинтетичних пігментів; 2) міграція енергії з антени на реакційний центр; 3) фотоокислення молекули води та виділення кисню; 4) фотовідновлення НАДФ до НАДФ-Н; 5) фотосинтетичне фосфорилювання, освіта АТФ.

Пігменти хлоропластів об'єднані у функціональні комплекси – пігментні системи, в яких реакційний центр – хлорофіл а,здійснює фотосенсибілізацію, пов'язаний процесами перенесення енергії з антеною, що складається з світлозбиральних пігментів. Сучасна схема фотосинтезу вищих рослин включає дві фотохімічні реакції, які здійснюються за участю двох різних фотосистем. Припущення про їхнє існування було висловлено Р. Емерсоном у 1957 р. на підставі виявленого ним ефекту посилення дії довгохвильового червоного світла (700 нм) спільним освітленням короткохвильовими променями (650 нм). Згодом було встановлено, що фотосистема II поглинає короткохвильові промені в порівнянні з ФСI. Фотосинтез йде ефективно лише за їх спільному функціонуванні, що пояснює ефект посилення Емерсона.


До складу ФСІ, як реакційний центр входить димер хлорофілу а змаксимумом поглинання світла 700 нм (Р 700), а також хлорофіли а 675-695, що відіграють роль антенного компонента. Первинним акцептором електронів у цій системі є мономерна форма хлорофілу а 695 вторинними акцепторами - залізосерні білки (-FeS). Комплекс ФСІ під дією світла відновлює залізовмісний білок - ферредоксин (Фд) і окислює білок, що містить мідь - пластоціанін (Пц).

ФСІІ включає реакційний центр, що містить хлорофіл а(Р 680) та антенні пігменти - хлорофіли а 670-683. Первинним акцептором електронів є феофітин (Фф), що передає електрони на пластохінон. До складу ФСII входить також білковий комплекс S-системи, що окислює воду, та переносник електронів Z. Цей комплекс функціонує за участю марганцю, хлору та магнію. ФСII відновлює пластохінон (PQ) і окислює воду з виділенням 2 і протонів.

Сполучною ланкою між ФСІІ та ФСІ служать фонд пластохінонів, білковий цитохромний комплекс b 6 fта пластоціанін.

У хлоропластах рослин на кожен реакційний центр припадає приблизно 300 молекул пігментів, які входять до складу антенних або світлозбиральних комплексів. З ламелл хлоропластів виділено світлозбиральний білковий комплекс, що містить хлорофіли аі bі каротиноїди (ССК), тісно пов'язаний з ФСП, та антенні комплекси, що безпосередньо входять до складу ФСІ та ФСІІ (фокусуючі антенні компоненти фотосистем). Половина білка тилакоїдів та близько 60 % хлорофілу локалізовані у ССК. У кожному ССК міститься від 120 до 240 молекул хлорофілу.

Антенний білковий комплекс ФС1 містить 110 молекул хлорофілів a 680-695 на один Р 700 , їх 60 молекул - компоненти антенного комплексу, який можна як ССК ФСI. Антенний комплекс ФСІ також містить b-каротин.

Антенний білковий комплекс ФСІІ містить 40 молекул хлорофілів. аз максимумом поглинання 670-683 нм на один Р 680 та b-каротин.

Хромопротеїни антенних комплексів не мають фотохімічної активності. Їх роль полягає в поглинанні та передачі енергії квантів на невелику кількість молекул реакційних центрів Р 700 і Р 680 кожна з яких пов'язана з ланцюгом транспорту електронів і здійснює фотохімічну реакцію. Організація електронно-транспортних ланцюгів (ЕТЦ) при всіх молекулах хлорофілу нераціональна, тому що навіть на прямому сонячному світлі на молекулу пігменту кванти світла потрапляють не частіше ніж один раз за 0,1 с.

Фізичні механізми процесів поглинання, запасання та міграції енергіїмолекулами хлорофілу досить добре вивчені. Поглинання фотона(hν) обумовлено переходом системи у різні енергетичні стани. У молекулі на відміну атома можливі електронні, коливальні і обертальні руху, і загальна енергія молекули дорівнює сумі цих видів енергій. Основний показник енергії поглинаючої системи – рівень її електронної енергії, що визначається енергією зовнішніх електронів на орбіті. Згідно з принципом Паулі, на зовнішній орбіті знаходяться два електрони з протилежно спрямованими спинами, внаслідок чого утворюється стійка система спарених електронів. Поглинання енергії світла супроводжується переходом однієї з електронів більш високу орбіту із запасанням поглиненої енергії як енергії електронного збудження. Найважливіша характеристика поглинаючих систем - вибірковість поглинання, що визначається електронною конфігурацією молекули. У складній органічній молекулі є певний набір вільних орбіт, куди можливий перехід електрона при поглинанні квантів світла. Відповідно до «правила частот» Бора, частота випромінювання, що поглинається або випускається, v повинна суворо відповідати різниці енергій між рівнями:

ν = (E 2 – E 1)/h,

де h – постійна Планка.

Кожен електронний перехід відповідає певній смузі поглинання. Таким чином, електронна структура молекули визначає характер електронно коливальних спектрів.

Запасання поглиненої енергіїпов'язане із виникненням електронно-збуджених станів пігментів. Фізичні закономірності порушених станів Мg-порфіринів можна розглянути з урахуванням аналізу схеми електронних переходів цих пігментів (рисунок).

Відомо два основних типи збуджених станів - синглетні та триплетні. Вони відрізняються за енергією та станом спина електрона. У синглетному збудженому стані спини електронів на основному і збудженому рівнях залишаються антипаралельними, при переході в триплетний стан відбувається поворот спини збудженого електрона з утворенням бірадикальної системи. При поглинанні фотона молекула хлорофілу переходить з основного (S0) в один із збуджених синглетних станів – S1 або S2 , що супроводжується переходом електрона на збуджений рівень із вищою енергією. Збуджений стан S2 дуже нестабільний. Електрон швидко (протягом 10 -12 с) втрачає частину енергії у вигляді тепла і опускається на нижній коливальний рівень S 1 де може перебувати протягом 10 -9 с. У стані S 1 може статися звернення спина електрона і перехід у триплетний стан Т 1 , енергія якого нижче за S 1 .

Можливо кілька шляхів дезактивації збуджених станів:

· Випромінювання фотона з переходом системи в основний стан (флуоресценція або фосфоресценція);

· Перенесення енергії на іншу молекулу;

· Використання енергії збудження у фотохімічній реакції.

Міграція енергіїміж молекулами пігментів може здійснюватися за такими механізмами. Індуктивно-резонансний механізм(механізм Ферстера) можливий за умови, коли перехід електрона оптично дозволений та обмін енергією здійснюється за екситонного механізму.Поняття «екситон» означає електронно-збуджений стан молекули, де збуджений електрон залишається пов'язаним із молекулою пігменту та поділу зарядів не відбувається. Перенесення енергії від збудженої молекули пігменту до іншої молекули здійснюється безперервним переносом енергії збудження. Електрон у збудженому стані є осцилюючим дипольом. Змінне електричне поле, що при цьому утворюється, може викликати аналогічні коливання електрона в іншій молекулі пігменту при виконанні умов резонансу (рівність енергії між основним і збудженим рівнями) і умов індукції, що визначають досить сильну взаємодію між молекулами (відстань не більше 10 нм).

Обмінно-резонансний механізм міграції енергії Тереніна-Декстерамає місце у разі, коли перехід оптично заборонено і диполь при збудженні пігменту не утворюється. Для здійснення необхідний тісний контакт молекул (близько 1 нм) з перекриттям зовнішніх орбіталей. У умовах можливий обмін електронами, що є як у синглетных, і на триплетных рівнях.

У фотохімії є поняття про квантовій витратіпроцесу. Що стосується фотосинтезу цей показник ефективності перетворення світлової енергії на хімічну енергію показує, скільки квантів світла поглинено у тому, щоб виділилася одна молекула Про 2 . Слід пам'ятати, кожна молекула фотоактивного речовини одночасно поглинає лише один квант світла. Цієї енергії достатньо, щоб викликати певні зміни у молекулі фотоактивної речовини.

Величина, обернена до квантової витрати, носить назву квантового виходу: кількість виділених молекул кисню або поглинених молекул вуглекислоти, що припадає на один квант світла. Цей показник менше одиниці. Так, якщо на засвоєння однієї молекули 2 витрачається 8 квантів світла, то квантовий вихід становить 0,125.

Структура електронно-транспортного ланцюга фотосинтезу та характеристика його компонентів.Електрон-транспортний ланцюг фотосинтезу включає досить велике числокомпонентів, розташованих у мембранних структурах хлоропластів. Практично всі компоненти, крім хінонів, є білками, що містять функціональні групи, здатні до оборотних окислювально-відновних змін і виконують функції переносників електронів або електронів спільно з протонами. Ряд переносників ЕТЦ включають метали (залізо, мідь, марганець). Як найважливіші компоненти перенесення електронів у фотосинтезі можна відзначити такі групи сполук: цитохроми, хінони, піридиннуклеотиди, флавопротеїни, а також залізопротеїни, мідьпротеїни та марганецьпротеїни. Розташування названих груп в ЕТЦ визначається насамперед величиною їхнього окислювально-відновного потенціалу.

Уявлення про фотосинтез, під час якого виділяється кисень, формувалося під впливом Z-схеми електронного транспорту Р. Хілла та Ф. Бенделла. Ця схема була представлена ​​на основі вимірювання окисно-відновних потенціалів цитохромів у хлоропластах. Електрон-транспортний ланцюг є місцем перетворення фізичної енергії електрона на хімічну енергіюзв'язків та включає ФС I та ФС II. Z-схема виходить із послідовного функціонування та об'єднання ФСII з ФСI.

Р 700 є первинним донором електронів, є хлорофілом (за деякими даними димером хлорофілу а), передає електрон на проміжний акцептор і може бути окислений фотохімічним шляхом. А 0 – проміжний акцептор електронів – є димером хлорофілу а.

Вторинними акцепторами електронів є зв'язані залізосерні центри А і В. Елементом структури залізосерних білків є решітка із взаємозалежних атомів заліза та сірки, яку називають залізосерним кластером.

Ферредоксин, розчинний у стромальній фазі хлоропласту залізо-білок, що знаходиться зовні мембрани, здійснює перенесення електронів від реакційного центру ФСІ до НАДФ в результаті утворюється НАДФ-Н, необхідний фіксації 2 . Усі розчинні ферредоксини фотосинтезуючих організмів, що виділяють кисень (включаючи ціанобактерії), відносяться до типу 2Fe-2S.

Компонентом, що переносить електрони, є цитохром f, пов'язаний з мембраною. Акцептором електронів для пов'язаного з мембраною цитохрому f і безпосереднім донором для хлорофіл-білкового комплексу реакційного центру є білок, що містить мідь, який названий «розподільчим переносником», - пластоціанін.

Хлоропласти також містять цитохроми b 6 і b 559 . Цитохром b 6 є поліпептидом з молекулярною масою 18 кДа, бере участь у циклічному перенесенні електрона.

Комплекс b 6 /f це інтегральний мембранний комплекс поліпептидів, що містить цитохроми типу b і f. Комплекс цитохромів b6/f каталізує транспорт електронів між двома фотосистемами.

Комплекс цитохромів b 6 /f відновлює невеликий пул водорозчинного металопротеїну - пластоціаніну (Пц), який служить для передачі відновлювальних еквівалентів на комплекс ФС I. Пластоціаніну - невеликий за розміром гідрофобний металопротеїн, що включає атоми міді.

Учасниками первинних реакцій у реакційному центрі ФС II є первинний донор електронів Р 680 , проміжний акцептор феофітин і два пластохінони (зазвичай позначаються Q і В), розташовані близько до Fe 2+ . Первинним донором електронів є одна з форм хлорофілу а, що отримала назву Р 680 оскільки значна зміна поглинання світла спостерігалося при 680 ім.

Первинним акцептором електронів у ФС II є пластохінон. Припускають, що Q є залізо-хіноновим комплексом. Вторинним акцептором електронів у ФС II є також пластохінон, що позначається, і функціонує послідовно з Q. Система пластохінон/пластохінон переносить одночасно з двома електронами ще два протони і у зв'язку з цим є двоелектронною редокс-системою. У міру того, як два електрони передаються по ЕТЦ через систему пластохінон/пластохінон, два протони переносяться через мембрану тилакоїду. Вважають, що градієнт концентрації протонів, що виникає при цьому, і є рушійною силоюпроцесу синтезу АТФ Наслідком цього є підвищення концентрації протонів усередині тилакоїдів та виникнення значного градієнта рН між зовнішньою та внутрішньою стороною тилакоїдної мембрани: із внутрішньої сторони середовище є більш кислим, ніж із зовнішнього.

2. Фотосинтетичне фосфорилювання

Донором електронів для ФС-2 є вода. Молекули води, віддаючи електрони, розпадаються на вільний гідроксил ВІН І протон Н+. Вільні гідроксильні радикали, реагуючи один з одним, дають Н 2 Про і О 2 . Передбачається, що при фотоокисленні води беруть участь іони марганцю та хлору як кофактори.

У процесі фотолізу води проявляється суть фотохімічної роботи, яка здійснюється при фотосинтезі. Але окислення води відбувається за умови, що вибитий із молекули П 680 електрон передається акцептору і далі в електрон-транспортний ланцюг (ЕТЦ). В ЕТЦ фотосистеми-2 переносниками електронів є пластохінон, цитохроми, пластоціанін (білок, що містить мідь), ФАД, НАДФ та ін.

Вибитий з молекули П 700 електрон захоплюється білком, що містить залізо та сірку, і передається на ферредоксин. Надалі шлях цього електрона може бути двояким. Один із цих шляхів складається з почергового перенесення електрона від ферредоксину через ряд переносників знову до П 700 . Потім квант світла вибиває наступний електрон із молекули П 700 . Цей електрон сягає ферредоксину і знову повертається до молекули хлорофілу. Очевидно простежується циклічність процесу. При переносі електрона від ферредоксину енергія електронного збудження йде освіту АТФ з АДФ і Н з Р0 4 . Цей вид фотофосфорилювання названо Р. Арноном циклічним . Циклічне фотофосфорилювання теоретично може протікати і при закритих продихах, бо для нього обмін з атмосферою необов'язковий.

Нециклічне фотофосфорилюванняпротікає з участю обох фотосистем. У цьому випадку вибиті з П 700 електрони та протон Н + доходить до ферредоксину і переносяться через ряд переносників (ФАД та ін) на НАДФ з утворенням відновленого НАДФ Н 2 . Останній як сильний відновник використовується в темнових реакціях фотосинтезу. Одночасно молекула хлорофілу П 680, поглинувши квант світла, також перетворюється на збуджений стан, віддаючи один електрон. Пройшовши через ряд переносників, електрон заповнює електронну недостатність молекули П 700 . Електронна ж «дірка» хлорофілу П 680 поповнюється за рахунок електрона від іона ВІН - одного з продуктів фотолізу води. Енергія електрона, вибитого квантом світла з П 680 при переході через електрон-транспортний ланцюг до фотосистеми 1 йде на здійснення фотофосфорилування. При нециклічному транспорті електронів, як видно із схеми, відбувається фотоліз води та виділення вільного кисню.

Перенесення електронів є основою розглянутого механізму фотофосфорилування. Англійський біохімік П. Мітчелл висунув теорію фотофосфорилювання, що отримала назву хеміосмотичної теорії. ЕТЦ хлоропластів, як відомо, розташована в мембрані тилакоїду. Один із переносників електронів в ЕТЦ (пластохінон), за гіпотезою П. Мітчелла, переносить не тільки електрони, а й протони (Н+), переміщуючи їх через мембрану тилакоїда у напрямку зовні всередину. Усередині мембрани тилакоїда з накопиченням протонів середовище підкислюється і у зв'язку з цим виникає градієнт рН: зовнішня сторона стає менш кислою, ніж внутрішня. Цей градієнт підвищується завдяки надходженню протонів - продуктів фотолізу води.

Різниця рН між зовнішньою стороною мембрани та внутрішньою створює значне джерело енергії. За допомогою цієї енергії протони особливими канальцями в спеціальних грибоподібних виростах на зовнішній стороні мембрани тилакоїда викидаються назовні. У зазначених каналах знаходиться фактор сполучення (особливий білок), який здатний брати участь у фотофосфорилуванні. Передбачається, що таким білком є ​​фермент АТФаза, що каталізує реакцію розпаду АТФ, але за наявності енергії перетікаючих крізь мембрану протонів - та її синтез. Поки існує градієнт рН і, отже, поки відбувається переміщення електронів ланцюгом переносників у фотосистемах, відбуватиметься і синтез АТФ. Підраховано, що на кожні два електрони, що пройшли через ЕТЦ усередині тилакоїда, накопичується чотири протони, а на кожні три протони, викинуті за участю фактора сполучення з мембрани назовні, синтезується одна молекула АТФ.

Таким чином, в результаті світлової фази за рахунок енергії світла утворюються АТФ і НАДФН 2 використовувані в темновій фазі, а продукт фотолізу води Про 2 виділяється в атмосферу. Сумарне рівняння світлової фази фотосинтезу може бути виражене так:

2Н 2 О + 2 НАДФ + 2 АДФ + 2 Н 3 РВ 4 → 2 НАДФН 2 + 2 АТФ + О 2

кожне жива істотана планеті потребує їжі або енергії, щоб вижити. Деякі організми живляться іншими істотами, тоді як інші можуть виробляти власні живильні елементи. самі виробляють продукти харчування, глюкозу, у процесі, що називається фотосинтезом.

Фотосинтез та дихання взаємопов'язані. Результатом фотосинтезу є глюкоза, яка зберігається як хімічна енергія в . Ця накопичена хімічна енергія утворюється внаслідок перетворення неорганічного вуглецю (вуглекислого газу) в органічний вуглець. Процес дихання звільняє накопичену хімічну енергію.

Крім продуктів, які вони виробляють, рослинам також потрібні вуглець, водень і кисень, щоб вижити. Вода, поглинена з ґрунту, забезпечує водень та кисень. Під час фотосинтезу, вуглець та вода використовуються для синтезу їжі. Рослини також потребують нітратів, щоб виробляти амінокислоти (амінокислота - інгредієнт для вироблення білка). Крім цього, вони потребують магнію для виробництва хлорофілу.

Нотатка:Живі істоти, які залежать від інших продуктів, називаються . Травоїдні, такі як корови, а також рослини, що харчуються комахами, є прикладами гетеротрофів. Живі істоти, які виробляють власну їжу, називаються . Зелені рослини та водорості – приклади автотрофів.

У цій статті ви дізнаєтеся більше про те, як відбувається фотосинтез у рослин і про необхідні для цього процесу умови.

Визначення фотосинтезу

Фотосинтез - це хімічний процес, за допомогою якого рослини, деякі водорості виробляють глюкозу і кисень з вуглекислого газу і води, використовуючи тільки світло як джерело енергії.

Цей процес є надзвичайно важливим для життя на Землі, оскільки завдяки йому виділяється кисень, від якого залежить все життя.

Навіщо рослинам потрібна глюкоза (їжа)?

Подібно до людей та інших живих істот, рослини також потребують харчування для підтримки життєдіяльності. Значення глюкози для рослин полягає в наступному:

  • Глюкоза, отримана в результаті фотосинтезу, використовується під час дихання для вивільнення енергії, яка потрібна рослині для інших життєво важливих процесів.
  • Рослинні клітини також перетворюють частину глюкози на крохмаль, який використовують при необхідності. З цієї причини мертві рослини використовуються як біомаса, адже в них зберігається хімічна енергія.
  • Глюкоза також необхідна, щоб виробляти інші хімічні речовини, такі як білки, жири та рослинні цукри, необхідні для забезпечення росту та інших важливих процесів.

Фази фотосинтезу

Процес фотосинтезу поділено на дві фази: світлову та темнову.


Світлова фаза фотосинтезу

Як випливає з назви, світлові фази потребують сонячного світла. У світлозалежних реакціях енергія сонячного світла поглинається хлорофілом і перетворюється на запасену хімічну енергію у вигляді молекули електронного носія НАДФН (нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат) та молекули енергії АТФ (аденозинтрифосфат). Світлові фази протікають у тилакоїдних мембранах у межах хлоропласту.

Темнова фаза фотосинтезу чи цикл Кальвіна

У темновій фазі або циклі Кальвіна збуджені електрони із світлової фази забезпечують енергію для утворення вуглеводів із молекул вуглекислого газу. Не залежні від світла фази іноді називають циклом Кальвіна через циклічність процесу.

Хоча темнові фази не використовують світло як реагент (і, як результат, можуть відбуватися вдень або вночі), їм необхідно, щоб продукти світлозалежних реакцій функціонували. Незалежні від світла молекули залежить від молекул енергоносіїв - АТФ і НАДФН - до створення нових молекул вуглеводів. Після передачі енергії молекули енергоносії повертаються до світлових фаз для отримання енергійніших електронів. З іншого боку, кілька ферментів темнової фази активуються з допомогою світла.

Схема фаз фотосинтезу

Нотатка:Це означає, що темнові фази не будуть продовжуватися, якщо рослини будуть позбавлені світла занадто довго, оскільки вони використовують продукти світлових фаз.

Будова листя рослин

Ми не можемо повністю вивчити фотосинтез, не знаючи більше про будову листа. Аркуш адаптований для того, щоб відігравати життєво важливу роль у процесі фотосинтезу.

Зовнішня будова листя

  • Площа

Однією з найголовніших особливостей рослин є велика площа поверхні листя. Більшість зелених рослин мають широке, плоске і відкрите листя, яке здатне захоплювати стільки сонячної енергії (сонячного світла), скільки необхідно для фотосинтезу.

  • Центральна жилка та черешок

Центральна жилка та черешок з'єднуються разом і є основою листа. Черешок має лист таким чином, щоб він отримував якомога більше світла.

  • Листова платівка

Просте листя має одну листову пластину, а складне - кілька. Листова платівка - одна з найголовніших складових аркуша, яка бере участь безпосередньо в процесі фотосинтезу.

  • Жили

Мережа жилок у листі переносить воду від стебел до листя. Глюкоза, що виділяється, також направляється в інші частини рослини з листя через жилки. Крім того, ці частини листа підтримують та утримують листову пластину плоскою для більшого захоплення сонячного світла. Розташування жилок (жилкування) залежить від виду рослини.

  • Основа листа

Підставою листа виступає найнижча його частина, яка зчленована зі стеблом. Найчастіше, біля основи листа розташовується парна кількість прилистків.

  • Край листа

Залежно від виду рослини, край листа може мати різну форму, включаючи: цілокраї, зубчасті, пильчасті, виїмчасті, городчасті і т.п.

  • Верхівка листа

Як і край листа, верхівка буває різної форми, включаючи: гостру, округлу, тупу, витягнуту, відтягнуту і т.д.

Внутрішня будова листя

Нижче представлена ​​близька схема внутрішньої будовитканин листя:

  • Кутикула

Кутикула є головним, захисним шаром на поверхні рослини. Як правило, вона товща на верхній частині листа. Кутикула покрита речовиною, подібною до віску, завдяки якому захищає рослину від води.

  • Епідерміс

Епідерміс – шар клітин, який є покривною тканиною листка. Його головна функція – захист внутрішніх тканин листа від зневоднення, механічних пошкоджень та інфекцій. Він також регулює процес газообміну та транспірації.

  • Мезофіл

Мезофіл - це основна тканина рослини. Тут відбувається процес фотосинтезу. У більшості рослин мезофіл розділений на два шари: верхній - палісадний і нижній - губчастий.

  • Захисні клітини

Захисні клітини - спеціалізовані клітини в епідермісі листя, що використовується для контролю газообміну. Вони виконують захисну функціюдля продихів. Устьичні пори стають більшими, коли вода є у вільному доступі, інакше, захисні клітини стають млявими.

  • Устьиці

Фотосинтез залежить від проникнення вуглекислого газу (CO2) з повітря через продихи в тканини мезофілу. Кисень (O2), отриманий як побічний продукт фотосинтезу, виходить із рослини через продихи. Коли продихи відкриті, вода втрачається в результаті випаровування і повинна бути заповнена через потік транспірації, водою, поглиненою корінням. Рослини змушені врівноважувати кількість поглиненого СО2 з повітря та втрату води через устьичні пори.

Умови, необхідні для фотосинтезу

Нижче наведено умови, які необхідні рослинам для здійснення процесу фотосинтезу:

  • Вуглекислий газ.Безбарвний природний газ без запаху, виявлений у повітрі та має наукове позначення CO2. Він утворюється при горінні вуглецю та органічних сполук, а також виникає у процесі дихання.
  • Вода. Прозоре рідке хімічна речовинабез запаху та смаку (в нормальних умовах).
  • Світло.Хоча штучне світло також підходить для рослин, природне сонячне світло, як правило, створює кращі умови для фотосинтезу, тому що в ньому є природне ультрафіолетове випромінювання, яке надає позитивний впливна рослини.
  • Хлорофіл.Це зелений пігмент, знайдений у листі рослин.
  • Поживні речовини та мінерали.Хімічні речовини та органічні сполуки, які корені рослин поглинають із ґрунту.

Що утворюється внаслідок фотосинтезу?

  • Глюкоза;
  • Кисень.

(Світлова енергія показана у дужках, оскільки вона не є речовиною)

Нотатка:Рослини отримують CO2 з повітря через їх листя, і воду з ґрунту через коріння. Світлова енергія походить від Сонця. Отриманий кисень виділяється у повітря з листя. Отримувану глюкозу можна перетворити на інші речовини, такі як крохмаль, який використовується як запас енергії.

Якщо фактори, що сприяють фотосинтезу, відсутні або відсутні в недостатній кількості, це може негативно вплинути на рослину. Наприклад, менша кількість світла створює сприятливі умови для комах, які їдять листя рослини, а нестача води уповільнює.

Де відбувається фотосинтез?

Фотосинтез відбувається усередині рослинних клітин, у дрібних пластидах, званих хлоропластами. Хлоропласти (переважно які у шарі мезофілу) містять зелене речовина, зване хлорофілом. Нижче наведені інші частини клітини, які працюють із хлоропластом, щоб здійснити фотосинтез.

Будова рослинної клітини

Функції частин рослинної клітини

  • : забезпечує структурну та механічну підтримку, захищає клітини від , фіксує та визначає форму клітини, контролює швидкість та напрямок росту, а також надає форму рослинам.
  • : забезпечує платформу більшість хімічних процесів, контрольованих ферментами.
  • : діє як бар'єр, контролюючи рух речовин у клітину та з неї.
  • : як було описано вище, вони містять хлорофіл, зелену речовину, яка поглинає світлову енергію у процесі фотосинтезу.
  • : порожнина всередині клітинної цитоплазми, що накопичує воду.
  • : містить генетичну марку (ДНК), що контролює діяльність клітини.

Хлорофіл поглинає світлову енергію, необхідну для фотосинтезу. Важливо, що поглинаються в повному обсязі колірні довжини хвилі світла. Рослини в основному поглинають червону та синю хвилі – вони не поглинають світло у зеленому діапазоні.

Вуглекислий газ у процесі фотосинтезу

Рослини отримують вуглекислий газ з повітря через їх листя. Вуглекислий газ просочується через маленький отвір у нижній частині листа - продиху.

Нижня частина листа має вільно розташовані клітини, щоб вуглекислий газ досяг інших клітин листя. Це також дозволяє кисню, що утворюється під час фотосинтезу, легко залишати лист.

Вуглекислий газ присутній у повітрі, яким ми дихаємо, у дуже низьких концентраціях і є необхідним фактором темнової фази фотосинтезу.

Світло в процесі фотосинтезу

Аркуш зазвичай має велику площуповерхні, тому він може поглинати багато світла. Його верхня поверхнязахищена від втрати води, хвороб та впливу погоди восковим шаром (кутикулою). Верх аркуша знаходиться там, де падає світло. Цей шар мезофілу називається палісадним. Він пристосований для поглинання великої кількостісвітла, адже в ньому є багато хлоропластів.

У світлових фазах процес фотосинтезу збільшується з великою кількістю світла. Більше молекулхлорофілу іонізується, і більше генерується АТФ та НАДФН, якщо світлові фотони зосереджені на зеленому листі. Хоча світло надзвичайно важливе у світлових фазах, слід зазначити, що надмірна його кількість може пошкодити хлорофіл, і зменшити процес фотосинтезу.

Світлові фази не дуже залежать від температури, води або вуглекислого газу, хоча всі вони потрібні для завершення процесу фотосинтезу.

Вода у процесі фотосинтезу

Рослини отримують воду, необхідну для фотосинтезу через своє коріння. Вони мають кореневі волоски, які розростаються у ґрунті. Коріння характеризується великою площею поверхні та тонкими стінками, що дозволяє воді легко проходити крізь них.

На зображенні представлені рослини та їх клітини з достатньою кількістю води (ліворуч) та її нестачею (праворуч).

Нотатка:Кореневі клітини не містять хлоропластів, оскільки вони зазвичай знаходяться в темряві і не можуть фотосинтезувати.

Якщо рослина не вбирає достатню кількість води, вона в'яне. Без води рослина буде не здатна фотосинтезувати досить швидко, і може навіть загинути.

Яке значення має вода для рослин?

  • Забезпечує розчиненими мінералами, що підтримують здоров'я рослин;
  • Є середовищем для транспортування;
  • Підтримує стійкість та прямостояння;
  • Охолоджує та насичує вологою;
  • Дає можливість проводити різні хімічні реакції у рослинних клітинах.

Значення фотосинтезу у природі

Біохімічний процес фотосинтезу використовує енергію сонячного світла для перетворення води та вуглекислого газу на кисень та глюкозу. Глюкоза використовується як будівельні блоки в рослинах для росту тканин. Таким чином, фотосинтез - це спосіб, завдяки якому формуються коріння, стебла, листя, квіти та плоди. Без процесу фотосинтезу рослини не зможуть рости чи розмножуватися.

  • Продуценти

Через фотосинтетичну здатність, рослини відомі як продуценти і служать основою майже кожного харчового ланцюга на Землі. (Ворості є еквівалентом рослин у ). Вся їжа, яку ми їмо, походить від організмів, які є фотосинтетиками. Ми харчуємося цими рослинами безпосередньо або їмо тварин, таких як корови чи свині, які споживають рослинну їжу.

  • Основа харчового ланцюга

Усередині водних систем, рослини та водорості також становлять основу харчового ланцюга. Водорості служать їжею для , які, у свою чергу, виступають джерелом харчування для більших організмів. Без фотосинтезу у водному середовищі життя було б неможливим.

  • Видалення вуглекислого газу

Фотосинтез перетворює вуглекислий газ на кисень. Під час фотосинтезу вуглекислий газ з атмосфери надходить у рослину, а потім виділяється у вигляді кисню. У сьогоднішньому світі, де рівні двоокису вуглецю ростуть жахливими темпами, будь-який процес, який усуває вуглекислий газ з атмосфери, є екологічно важливим.

  • Кругообіг поживних речовин

Рослини та інші фотосинтезують організми відіграють життєво важливу роль у кругообігу поживних речовин. Азот у повітрі фіксується у рослинних тканинах і стає доступним для створення білків. Мікроелементи, що знаходяться в грунті, також можуть бути включені до рослинної тканини і стати доступними для травоїдних тварин, далі по харчовому ланцюгу.

  • Фотосинтетична залежність

Фотосинтез залежить від інтенсивності та якості світла. На екваторі, де сонячне світло рясніє весь рік і вода не є обмежуючим фактором, рослини мають високі темпи зростання і можуть стати досить великими. І навпаки, фотосинтез у глибших частинах океану зустрічається рідше, оскільки світло не проникає в ці верстви, і в результаті ця екосистема виявляється безплідною.

Як зрозуміло з назви, фотосинтез за своєю суттю є природним синтезом органічних речовин, перетворюючи СО2 з атмосфери і воду в глюкозу і вільний кисень.

При цьому потрібна наявність енергії сонячного світла.

Хімічне рівняння процесу фотосинтезу загалом можна подати у такому вигляді:

Фотосинтез має дві фази: темну та світлову. Хімічні реакціїтемної фази фотосинтезу суттєво відрізняються від реакцій світлової фази, проте темна та світлова фаза фотосинтезу залежать один від одного.

Світлова фаза може відбуватися у листі рослин виключно при сонячному світлі. Для темної необхідно наявність вуглекислого газу, саме тому рослина весь час має поглинати його з атмосфери. Усе порівняльні характеристикитемної та світлової фаз фотосинтезу будуть надані нижче. Для цього було створено порівняльну таблицю «Фази фотосинтезу».

Світлова фаза фотосинтезу

Основні процеси у світловій фазі фотосинтезу відбуваються у мембранах тилакоїдів. У ній беруть участь хлорофіл, білки-переносники електронів, АТФ-синтетаза (фермент, що прискорює реацію) та сонячне світло.

Далі механізм реакції можна описати так: коли сонячне світло потрапляє на зелене листя рослин, в їх структурі збуджуються електрони хлорофілу (заряд негативний), які перейшовши в активний стан, залишають молекулу пігменту і виявляються на зовнішній стороні тілакоїда, мембрана якого заряджена також негативно. У той же час молекули хлорофілу окислюються і вже окислені вони відновлюються, відбираючи таким чином електрони у води, що знаходиться в структурі листа.

Цей процес призводить до того, що молекули води розпадаються, а створені в результаті фотолізу води іони віддають свої електрони і перетворюються на такі радикали ВІН, які здатні проводити подальші реакції. Далі ці реакційноздатні радикали ВІН об'єднуються, створюючи повноцінні молекули води та кисень. При цьому вільний кисень виходить у зовнішнє середовище.

В результаті всіх цих реакцій та перетворень, мембрана тилакоїда листа з одного боку заряджається позитивно (за рахунок іона Н+), а з іншого – негативно (за рахунок електронів). Коли різницю між цими зарядами у двох сторонах мембрани досягає більше 200 мВ, протони проходять через спеціальні канали ферменту АТФ-синтетази і за рахунок цього відбувається перетворення АДФ на АТФ (в результаті процесу фосфорилізації). А атомний водень, що звільняється із води, відновлює специфічний переносник НАДФ+ до НАДФ·Н2. Як бачимо, в результаті світлової фази фотосинтезу відбувається три основні процеси:

  1. синтез АТФ;
  2. створення НАДФ · Н2;
  3. освіту вільного кисню.

Останній звільняється в атмосферу, а НАДФ Н2 і АТФ беруть участь у темній фазі фотосинтезу.

Темна фаза фотосинтезу

Темна та світлова фази фотосинтезу характеризуються великими витратами енергії з боку рослини, проте темна фаза протікає швидше та потребує менше енергії. Для реакцій темної фази не потрібне сонячне світло, тому вони можуть відбуватися і вдень, і вночі.

Всі основні процеси цієї фази протікають у стромі хлоропласту рослини та являють собою своєрідний ланцюжок послідовних перетворень вуглекислого газу з атмосфери. Перша реакція у такому ланцюгу – фіксація вуглекислого газу. Щоб вона проходила більш плавно і швидше, природою було передбачено фермент РиБФ-карбоксилаза, який каталізує фіксацію СО2.

Далі відбувається цілий цикл реакцій, завершенням якого є перетворення фосфогліцеринової кислоти в глюкозу (природний цукор). Всі ці реакції використовують енергію АТФ та НАДФ Н2, які були створені у світловій фазі фотосинтезу. Крім глюкози в результаті фотосинтезу утворюються також інші речовини. Серед них різні амінокислоти, жирні кислоти, гліцерин та нуклеотиди.

Фази фотосинтезу: таблиця порівнянь

Критерії порівняння Світлова фаза Темна фаза
сонячне світло Обов'язковий Необов'язковий
Місце протікання реакцій Грани хлоропласту Строма хлоропласту
Залежність від джерела енергії Залежить від сонячного світла Залежить від АТФ та НАДФ Н2, утворених у світловій фазі та від кількості СО2 з атмосфери
Вихідні речовини Хлорофіл, білки-переносники електронів, АТФ-синтетаза Вуглекислий газ
Суть фази та що утворюється Виділяється вільний О2, утворюється АТФ та НАДФ Н2 Утворення природного цукру (глюкози) та поглинання СО2 з атмосфери

Фотосинтез — відео