Фотосинтез Фотосинтез — это процесс образования органических

Фотосинтез

Фотосинтез - это процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов. - это процесс поглощения организмами световой солнечной энергии и преобразования ее в химическую энергию. Уравнение фотосинтеза: 6 CO 2 + 6 H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6 O 2

Ежегодно в результате фотосинтеза • фиксируется около 75*1012 кг С • образуется 150 млрд тонн органических веществ • образуется около 200 млрд тонн O 2 • Для фотосинтеза пригодно около 25% спектра солнечных лучей • Растениями фиксируется около 1 % солнечного света, попадающего на поверхность Земли

История изучения фотосинтеза • 1630 г. - Ян ван Гельмонт – первые эксперименты по изучению питания растений • 1771 г. - Джозеф Пристли – растения могут восстанавливать «испорченный» горением и дыханием воздух (растения выделяют O 2) • 1779 г. - Ян Ингерхауз– для фотосинтеза необходим свет Ян ван Гельмонт Ян Ингерхауз Эксперимент Дж. Пристли Джозеф Пристли

• 1817 г. Пельтье и Кавенту выделили зеленый пигмент листьев – хлорофилл • 1842 г. – Роберт Майер – растения преобразуют энергию солнечного света в энергию химических связей • 1871– 1875 гг. - К. А. Тимирязев – установил спектры поглощения хлорофилла, подчеркивал космическую роль фотосинтеза, изучал влияние интенсивности света на фотосинтез Жозеф Бьенеме Кавенту Роберт Майер Пьер Жозеф Пельтье Климент Аркадьевич Тимирязев

• 1877 г. – Вильгельм Пфеффер – ввел термин «фотосинтез» • 1883 г. - Теодор Вильгельм Энгельман – исследование влияния света разной длины волны на интенсивность фотосинтеза, обнаружил, что в процессе фотосинтеза принимают участие и другие пигменты Зависимость интенсивности фотосинтеза зеленых растений от длины световой волны Вильгельм Пфеффер Теодор Вильгельм Энгельман

• 1931 г. – Корнелис ван Ниль констатировал окислительновосстановительную природу фотосинтеза, предложил общее уравнение для оксигенного и аноксигенного фотосинтеза, выявил сходства и отличия фотосинтеза у бактерий и растений • Конец 1940 х гг. – Мельвин Кальвин – раскрыл сущность фиксации CO 2 при фотосинтезе (цикл Кальвина) (Нобелевская премия 1961 г. ) Корнелис ван Ниль Мельвин Кальвин

Какие организмы способны к фотосинтезу? • Растения • Цианобактерии • Пурпурные бактерии • Зеленые бактерии • Геликобактерии • Археи Halobacterium • Некоторые организмы, симбионтами которых являются растения или бактерии: • Лишайники • Морской слизень Elysia chlorotica (использует хоропласты водоросли Vaucheria litorea)

Фотосинтез Аноксигенный Оксигенный • Эволюционно более древний • Осуществляется пурпурными и зелеными бактериями, археями • Пигменты: бактериохлорофилл, бактриородопсин • В качестве восстановителя используются: H 2 S, S, H 2, органические вещества • Кислород не образуется • Эволюционно более молодой • Осуществляется цианобактериями, растениями • Пигменты: хлорофилл, др. • В качестве восстановителя используются: H 2 O • Кислород образуется

Внутреннее строение листа • Эпидермис – покровная ткань, клетки плотно прилегают друг к другу, есть устьица (обычно на нижней стороне листа), функции: защита и газообмен • Проводящий пучок: • Ксилема – транспорт неорганических веществ к листу • Флоэма – транспорт органических веществ образующихся в листьях к остальным частям растения • Обкладка – защитная и механическая функции • Мезофилл – основная ткань, клетки содержат больше количество хлоропластов • Столбчатый (палисадный) – клетки плотно уложены, осуществляет фотосинтез • Губчатый – клетки располагаются рыхло, крупные межклетники, участвует в фотосинтезе в меньшей степени, принимает участие в газообмене

Строение хлоропласта

Фотосинтетические пигменты Пигмент Цвет Спектры поглощения Распространение Хлорофиллы Хлорофилл а Желто-зеленый 430, 680 -685 нм Высшие растения Хлорофилл b Сине-зеленый 450, 650 нм Высшие растения Хлорофилл c Зеленый Диатомовые водоросли Хлорофилл d Зеленый Красные водоросли Бактериохлорофиллы a-d Бледно-синий 850 -890 нм (a) 715 -755 нм (c, d, e) Пурпурные бактерии (a, b) Зеленые бактерии (c, d) Каротиноиды Каротины Оранжевый 400 - 550 нм Растения Ксантофиллы Желтый 520 — 500 нм, 492 — 475 нм, Бурые водоросли 450 — 440 нм Фикобилины Фикоэритрин Красный 495— 565 нм Красные водоросли Фикоцианин Сине-голубой 550— 615 нм Цианобактерии

В чем значение такого многообразия пигментов? Поглощение солнечных лучей различными фотосинтетическими пигментами Поглощение солнечных лучей живыми организмами в мировом океане

Хлорофилл • Плоская гидрофильная порфириновая «головка» (плоскость кольца параллельна мембране тилакоида) • Ион магния • Длинный гидрофобный хвост (для закрепления в мембране тилакоида)

Фазы фотосинтеза Световая фаза • Идет только на свету • Происходит в тилакоидах • Активация молекулы хлорофилла солнечным светом • Передача электрона по цепи переносчиков с затратой его энергии на синтез АТФ • Фотолиз воды • Связывание H+ молекулами НАДФ с образованием НАДФ • Н • Выделение O 2 Темновая фаза • Может идти как на свету, так и в темноте • Происходит в строме хлоропласта • Захват CO 2 из окружающей среды • Восстановление CO 2 в ходе реакций цикла Кальвина до C 6 H 12 O 6 с затратой энергии АТФ и H +

Световая фаза фотосинтеза

Захват энергии света • Происходит на мембране тилакоидов • Молекулы пигментов на мембране образуют комплексы – фотосистемы • Каждая фотосистема содержит 250 -400 молекул пигментов • Все пигменты фотосистемы могут фотоны или квантами света – антенные молекулы • Только одна молекула хлорофилла данной фотосистемы может использовать поглощенную энергию в фотохимических реакциях – реакционный центр • У растений есть фотосистемы 2 типов: • С реакционным центром P 700 (I) • С реакционным центром P 680 (II)

• Квант света поглощается фотосистемой I, электрон фотосистемой II, электрон приобретает дополнительную энергию, выбивается из из реакционного центра и передается по цепи переносчиков: • Феофитин • • Р 430 Ферредоксин Редуктаза НАДФ+→ НАДФ • Н • После активации электрона в фотосистеме остается «дырка» (+) • Дырка заполняется электроном из ФС II • • • Пластохинон Цитохром b Цитохром f Пластоцианин ФС I • После активации электрона в фотосистеме остается «дырка» (+) • Дырка заполняется электронами, возникшими в результате фотолиза воды Энергия электронов обеих фотосистем затрачивается на синтез АТФ

Фотолиз воды • • Расщепление воды под действием солнечного света Катализируется марганецсодержащим ферментным комплексом При этом возникают электроны (е-), протоны (Н+) и в качестве побочного продукта кислород 2 Н 2 O → 4 Н++ 4 е- + O 2 H+ накапливаются внутри тилакоидов Выход из тилакоидов H+ возможен через каналы, связанные с АТФ-синтазой – энергия тратится на синтез АТФ В строме H+ связываются молекулами НАДФ+

Темновая фаза фотосинтеза

Цикл Кальвина • Из окружающей среды захватываются молекулы CO 2 • CO 2 вступает в реакции цикла Кальвина, связываясь с 1, 5 – рибулозодифосфатом с помощью фермента рибулозо-1, 5 дифосфаткарбоксилазы (рубиско) • В ходе реакций цикла Кальвина происходит постепенное восстановление молекулы CO 2

Фотосинтез и условия среды

Факторы, влияющие на фотосинтез • Освещенность • Температура • Содержание CO 2 • Содержание О 2 • Содержание H 2 O • Содержание минеральных веществ (Mg, Mn, Fe, Cu, Cl, N, K, P) • Возрастения • Видовая принадлежность • Болезни Объект Интенсивность фотосинтеза, мг СО 2/дм 2·ч Покрытосеменные: травы кустарники деревья листопадные деревья вечнозеленые 4– 50 4– 20 5– 25 3– 20 Голосеменные 4– 15 Папоротники, мхи, лишайники 0, 5– 5

Фотосинтез и условия среды Как зависит интенсивность фотосинтеза от температуры листа? Зависимость интенсивности фотосинтеза от температуры листа: 1 – хлопчатник; 2 – подсолнечник; 3 – сорго

Фотосинтез и условия среды Как зависит интенсивность фотосинтеза от концентрации углекислого газа? Зависимость интенсивности фотосинтеза хвои сосны от концентрации СО 2 в воздухе

Фотосинтез и условия среды Как зависит скорость фотосинтеза от интенсивности освещения?

Фотосинтез у прокариот и эукариот

Значение фотосинтеза Источник органических веществ Образование нефти, газа, торфа Участие в круговороте углерода Регуляция состава атмосферы Весь свободный кислород атмосферы — биогенного происхождения и является побочным продуктом фотосинтеза • Формирование окислительной атмосферы полностью изменило состояние земной поверхности, сделало возможным появление дыхания • Образование озонового слоя • • •