Фотосинтез как основа биоэнергетики растений
Фотосинтез как основа биоэнергетики растений План лекции 1. Фотосинтез как особый тип питания растений углеродом 2. Общая характеристика процесса фотосинтеза 3. Лист как орган фотосинтеза 4. Хлоропласты, их строение как органоидов фотосинтеза 5. Пигменты зеленых растений 1. Фотосинтез как особый тип питания растений углеродом Анализ органического вещества показывает, что оно состоит на 45 % из углерода. Именно поэтому вопрос об источнике питания организмов углеродом чрезвычайно важен. Все организмы можно разделить на гетеротрофные и автотрофные.
Рекомендуемые материалы
Гетеротрофные организмы строят органическое вещество своего тела из уже имеющихся готовых органических соединений, только перестраивая их. Автотрофные организмы характеризуются способностью синтезировать органическое вещество из неорганических соединений. Выделяют 3 вида автотрофии: хемосинтез; фоторедукция и фотосинтез. Фотосинтез – это окислительно-восстановительный процесс, протекающий в хлоропластах зеленых растений, в результате которого углекислый газ восстанавливается до углеводов, вода окисляется до кислорода, солнечная энергия преобразуется в энергию химических связей. 2. Общая характеристика процесса фотосинтеза Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз и нескольких этапов, которые идут последовательно. I Световая фаза 1. Фотофизический этап – происходит во внутренней мембране хлоропластов и связан с поглощением солнечной энергии пигментными системами. 2. Фотохимический этап – проходит во внутренней мембране хлоропластов и связан с преобразованием солнечной энергии в химическую энергию АТФ и НАДФН2 и фотолизом воды. II Темновая фаза 3. Биохимический этап или цикл Кальвина – проходит в строме хлоропластов. На этом этапе углекислый газ восстанавливается до углеводов. 3. Лист как орган фотосинтеза В процессе эволюции растений сформировался специализированный орган фотосинтеза – лист. Лист имеет ограниченный рост и характерное для данного вида и сорта строение. Как орган, осуществляющий ассимиляцию и испарение, лист отличается плоской структурой и небольшой толщиной. В зависимости от вида растений и условий их произрастания листья отличаются большим разнообразием. Однако можно выделить общие анатомические особенности, обеспечивающие возможность эффективного фотосинтеза. 1. Наличие покровной ткани – эпидермиса, защищающего лист от излишней потери воды. 2. Наличие специализированной фотосинтетической ткани – хлоренхимы. 3. Наличие сильно развитой густой системы жилок – проводящих путей, что обеспечивает быстрый отток ассимилянтов и снабжение фотосинтезирующих клеток водой и необходимыми минеральными веществами. 4. Хлоропласты, их строение как органоидов фотосинтеза Функционально фотосинтез приурочен к специализированным органеллам – хлоропластам. Хлоропласты высших растений имеют форму двояко выпуклой линзы, которая наиболее удобна для поглощения солнечных лучей. Внутри хлоропластов находится однородное вещество – строма, пронизанная системой параллельно расположенных мембран, имеющих вид плоских мешочков — тилакоидов, они собраны в стопки, называемые гранами. В тилакоидах гран находятся хлорофилл и каротиноиды, в строме – молекулы ДНК, рибосомы, капли липидов, крахмальные зёрна и др. включения. Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта — 5.1 Общие сведения. 5. Пигменты зеленых растений Фотосинтез связан с избирательным поглощением пигментами света в видимой части солнечного спектра. Фотосинтетические пигменты составляют 10-15 % сухой массы хлоропластов. Они характеризуются большим разнообразием и по химической природе делятся на две группы- хлорофиллы и каротиноиды. В настоящее время известно несколько различных форм хлорофилла, которые обозначаются латинскими буквами. Хлоропласты высших растений содержат хлорофилл а и хлорофилл b. По химическому строению хлорофилл – сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина и двух остатков спиртов – фитола и метилового. Каротиноиды – жирорастворимые пигменты желтого, оранжевого и красного цветов. Они входят в состав хлоропластов и хромопластов не зеленых частей растений (цветков, плодов, корнеплодов). В зеленых листьях их окраска маскируется хлорофиллом. По своей структуре каротиноиды являются полимерами изопрена. Каротиноиды делятся на каротины и ксантофиллы.
Рекомендуемые лекции
Источник
Лекция 4. Фотосинтез
Хлорофилл. Молекула хлорофилла обусловливает окраску практически всей растительности, превращает энергию солнечных лучей в энергию химических связей органических соединений. Зеленый пигмент у высших растений представлен двумя формами: сине-зеленым хлорофиллом а (C55H72O5N4Mg) и желто-зеленым – b (C55H70O6N4Mg), отличающимися различной степенью окисления, окраской и другими свойствами. Их соотношение в растении около 3:1. Хлорофилл а обнаружен у всех фотосинтезирующих организмов, за исключением бактерий. У сине-зеленых водорослей фотосинтезирующий пигмент представлен исключительно хлорофиллом а, хлорофилл b отсутствует. У других видов водорослей хлорофилл а может сопровождаться хлорофиллом b. У бурых, диатомовых водорослей обнаружен хлорофилл с, у красных – d. Существует еще бактериохлорофилл, содержащийся в пурпурных серобактериях. В спектре поглощения хлорофиллов а и b – два ярко выраженных максимума: в красной области 660 и 640 нм, в сине-фиолетовой – 430 и 450 нм (рис.3). В живом зеленом листе спектр поглощения хлорофиллов более широкий и выровненный. Лучи в области 400 – 750 нм, т. е. в зоне поглощения хлорофилла, можно назвать фотосинтетически активными. У хлорофилла а поглощение в синих лучах примерно в 1,3 раза больше, чем в красных, а у хлорофилла b в 3 раза. Каротин (от латинского carota – морковь) – основной каротиноид высших растений, один из наиболее изученных и характерных представителей желтых пигментов – открыт Ваккенродером в 1831 г. в моркови. Каротины (суммарная формула С40Н56) относятся к высокомолекулярным ненасыщенным углеводородам с системой регулярно чередующихся двойных связей в открытой цепи, наличие которых и определяет оптическую и фотохимическую их активность. В зеленых частях растений каротины часто замаскированы хлорофиллом и проявляются только в период созревания плодов, при осеннем пожелтении листьев и в некоторых иных условиях. Каротиноиды играют роль вспомогательных пигментов, передающих энергию поглощенных квантов хлорофиллу или бактериохлорофиллу, что позволяет организмам более полно использовать ту часть видимого спектра, которая не поглощается хлорофиллом. Каротин относится к наиболее активным компонентам фотохимической системы хлоропластов. Каротиноиды поглощают от 10 до 20% той энергии солнечного света, которая поглощается всеми пигментами листа; до 50% энергии света поглощается в коротковолновой части солнечного спектра. Каротиноиды являются переносчиками активного кислорода в растениях. Они принимают участие в окислительно-восстановительных реакциях благодаря значительному количеству двойных связей. В этом заключается их защитная функция. Образуется нестойкая форма перекиси с большими энергетическими возможностями и активностью, способная легко окислять различные вещества. Каротиноиды могут быть или катализаторами, или ингибиторами окисления – в зависимости от условий. Пластиды. В растительной клетке хлорофилл находится в пластидах- хлоропластах (от греческого «хлорос»—зеленый), имеющих благодаря этому зеленый цвет. Пластиды представляют собой особые внутриклеточные образования. Хлоропласты снаружи покрыты оболочкой — сложной структурой, которая при одном способе фиксации представляет собой двухслойную липидно-белковую мембрану толщиной около 20 нм, а при другом — более сложную структуру. Внутри хлоропласт заполнен бесцветной стромой (матриксом), рибосомами, липидными глобулами, крахмальными гранулами; фотосинтезирующими мембранами (граны и межгранные ламеллы). Одни из них—ламеллы, или тилакоиды стромы,— пронизывают всю пластиду, а другие, располагаясь друг над другом, собраны в плотно упакованные столбики, как стопки монет, и образуют граны. Хлоропласты видны в световом микроскопе как зеленые гранулы. В онтогенезе процесс изменения пластид идет от лейкопластов через хлоропласты к хромопластам. В хлоропластах молекулы хлорофилла располагаются не в беспорядке, а образуют так называемые фотосинтетические единицы или фотосистемы (Фс), представляющие собой ловушки для квантов. Каждая такая фотосинтетическая единица состоит из 200 – 250 молекул хлорофилла, но только одна непосредственно участвует в передаче энергии света на синтез органического вещества. Эту центральную молекулу называют хлорофилл-ловушкой. Остальные служат для восприятия световой энергии и передачи ее на эту молекулу. Эти пигменты получили название «вспомогательных» или «антенны». Кроме хлорофилла в состав фотосистемы входит около 50 молекул каротина. Каротиноиды – обязательные компоненты всех фотосинтезирующих микроорганизмов. Роль каротина состоит в поглощении квантов света с длинной волны ниже 550 нм и защите хлорофилла от окисления кислородом, выделяющемся в процессе фотосинтеза.
Источник
Глава 3 фотосинтез
Фотосинтез-основа биоэнергетики растений. Значение для обеспечения автотрофности.
Общее уравнение фотосинтеза. Парциальные уравнения.
| Общее уравнение: СO2 + 6H2O → C6H12O6 + O6 | Суммарное уравнение: СO2 + H2O  >2О> + О2 |
Световая фаза (Н2О и О2) Эта фаза происходит только в присутствии света в мембранах тилакоидов при участии хлорофилла, белков-переносчиков электронов и фермента — АТФ-синтетазы. Под действием кванта света электроны хлорофилла возбуждаются, покидают молекулу и попадают на внешнюю сторону мембраны тилакоида, которая в итоге заряжается отрицательно. Окисленные молекулы хлорофилла восстанавливаются, отбирая электроны у воды, находящейся во внутритилакоидном пространстве. Это приводит к распаду или фотолизу воды. Ионы гидроксила отдают свои электроны, превращаясь в реакционноспособные радикалы •ОН. Радикалы •ОН объединяются, образуя воду и свободный кислород. Таким образом, в световую фазу происходит фотолиз воды, который сопровождается тремя важнейшими процессами: 1) синтезом АТФ; 2) образованием НАДФ·Н2; 3) образованием кислорода. Кислород диффундирует в атмосферу, АТФ и НАДФ·Н2 транспортируются в строму хлоропласта и участвуют в процессах темновой фазы. Темновая фаза (СО2 и С6Н12О6) Эта фаза протекает в строме хлоропласта. Для ее реакций не нужна энергия света, поэтому они происходят не только на свету, но и в темноте. Реакции темновой фазы представляют собой цепочку последовательных преобразований углекислого газа (поступает из воздуха), приводящую к образованию глюкозы и других органических веществ. Первая реакция в этой цепочке — фиксация углекислого газа; акцептором углекислого газа является рибулёзодифосфат; катализирует реакцию фермент рибулёзодифосфат-карбоксилаза. В результате карбоксилирования рибулёзодисфосфата образуется неустойчивое соединение, которое сразу же распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты. Затем происходит цикл реакций, в которых фосфоглицериновая кислота преобразуется в глюкозу. В этих реакциях используются энергии АТФ и НАДФ·Н2, образованных в световую фазу; цикл этих реакций получил название «цикл Кальвина». 6СО2 + 24Н+ АТФ → С6Н12О6 + 6Н2О.
Для продолжения скачивания необходимо пройти капчу:
Источник