Урок по теме: «Фотосинтез» Денежкина А. В.
«Природа поставила себе задачей уловить на лету притекающий на Землю свет, превратить эту подвижнейшую из сил природы в твердую форму и собрать ее в запас. Для этого она покрыла земную кору организмами, которые в течение своей жизни поглощают солнечный свет и превращают потребляемую таким образом силу в непрерывно нарастающий запас химической разности. Эти организмы - растения» Роберт Майер
Фотосинтез О 2 Н 2 О
«Дети солнца» «Покорившие солнце» «Утеха взора, услада слуха»
Выяснить условия необходимые для протекания процесса фотосинтеза Цель урока
- познакомиться с историей развития знаний о фотосинтезе - выяснить роль света в процессе фотосинтеза - познакомиться с основными пигментами и их химической структурой и свойствами - изучить основные реакции световой фазы Задачи
Фотосинтез 1 7 2 6 3 5 4 свет 6 Н 2 О 6 СО 2 С 6 Н 12 О 6 хлорофилл 6 О 2
– биологический синтез органического вещества (в первую очередь углеводов) из неорганических – при использовании энергии света. – кислород – световая (фотосинтез) и химическая (пища для гетеротрофов) Автотрофы Фототроф ы Хемотроф ы
Словарик Органотрофы – организмы, которые используют энергию органических веществ Все остальные организмы называю литотрофами Литотрофы относятся к автотрофам, а органотрофы – это гетеротрофы. Фотоавтотрофы – зеленые растения, водоросли, бактерии, способные к фотосинтезу Хемоавтотрофы – бактерии, использующие окисление неорганических веществ (водород, сера, аммиак, нитраты, сероводород и др. ) Фотосинтез – это процесс преобразования поглощенной энергии света в химическую энергию органических соединений.
Михаил Ломоносов, в работе «Слово о явлениях воздушных» (1753) задумываясь о том, как на скудных северных земля вырастают такие большие деревья, предполагал, что часть питания растения берут из воздуха, впитывая листьями. Высказывание о воздушном питании
М. В. Ломоносов «Тучные дерева, что на бесплодном песку свой корень утвердили, жирный дух из воздуха впитывают, ибо не могут получить из бессочной земли достаточно смоляной материи»
Опыт Ван Гельмонта Ян ван Гельмонт. XVII век. Эксперимент по выращиванию ивы в кадке. Вывод: растение образует все вещества из воды.
Ван Гельмонт-1630 г. Масса растения 57 гр. Масса растения 75 кг. Н 2 О Почва 91 кг. 5 лет Почва 90, 43 кг. Вода источник питания растений
Мерчелло Мальпиги. 1667 год. Растение перестает развиваться, если у проростков тыквы оборвать первые зародышевые листочки. Вывод: под действием солнечных лучей в листьях растений происходят какие-то преобразования и испаряется вода. Марчелло Мальпиги
Середина XVIII века. Шарль Бонне решал проблему: откуда берется воздух, покрывающий листья растений, погруженных воду и выставленных на солнце. Вывод: растение не играет существенной роли в процессе выделения воздуха, он собирается из воды на поверхности листа. (? )
Джозеф Пристли. 1772 год. Знаменитый опыт со свечой и мятой. Вывод: растение улучшает воздух и делает его пригодным для дыхания и горения. Первое предположение о роли света в жизнедеятельности растений.
Д. Пристли 1772 г. . Выделение кислорода
Ингенхауз 1779 г. Необходимость света для выделение кислорода
О 2 Сенебье 1783 г. Соссюр 1834 г. СО 2 – источник углерода
Новые открытия Ж. Сенебье Т. Соссюра «Не может быть, чтобы растение очищало воздух просто так, без всякой пользы для себя» ; «Роль воды в питании растений»
Нет света Ю. Сакс 1832 -1897 г. г. Есть свет Нет крахмала Есть крахмал Образование органических веществ
Суммарное уравнение фотосинтеза 6 СО 2 + 6 Н 2 О углекислый газ вода свет хлорофилл С 6 Н 12 О 6 +6 О 2 глюкоза кислород
История изучения фотосинтеза Климент Аркадьевич Тимирязев o Исследовал влияние различных участков солнечного света процесс фотосинтеза. o Вывод: процесс фотосинтеза идет интенсивно в красных лучах; интенсивность фотосинтеза соответствует поглощению света хлорофиллом; усваивая углерод, растение усваивает и солнечный свет, переводя его энергию в энергию органических веществ. o Лондонское королевское общество. 1903 год. Лекция «Космическая роль растений»
К. А. Тимирязев Выяснил, что хлорофилл не только поглощает свет, но и химически участвует в самом процессе фотосинтеза. Хлорофилл – донор электронов
«Дайте самому лучшему повару сколько угодно свежего воздуха, сколько угодно солнечного света и целую речку чистой воды и попросите, чтобы из всего этого он приготовил Вам сахар, крахмал, жиры и зерно, - он решит, что вы над ним смеётесь. Но то, что кажется совершенно фантастическим человеку, беспрепятственно совершается в зелёных листьях растений» Клемент Аркадьевич Тимирязев
В. Пфеффер 1877 г. Предложил термин фотосинтез В ходе этого процесса солнечная энергия преобразуется в энергию химических связей органических соединений. Фотосинтез-синтез органических соединений
Проба Сакса (1864 г. )
Основные этапы изучения фотосинтеза
Физико-химические основы фотосинтеза
« Все органические вещества, где бы они не встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли из веществ, выработанных листом» . К. А. Тимирязев. Лист – орган фотосинтеза
Особенности строения листьев Плоские, широкие, большая поверхность Эпидермис – бесцветный защитный слой с устьицами Тонкостенные клетки ассимиляционной ткани Сосудистоволокнистые пучки
устьице Строение листа
Строение хлоропласта
Строение хлоропластов Двумембранные органоиды Внутренняя часть строма Тилакоиды – мембраные компоненты, образующие граны Ламеллы (одиночные тилакоиды) соединяют граны У высших растений эллиптической формы В зависимости от освещенности меняют свое положение
Строение хлоропласта: 1 — внешняя мембрана; 2 — внутренняя мембрана; 3 — крахмальное зерно; 4 — ДНК; 5 — тилакоиды стромы (фреты); 6 — тилакоид граны; 7 — матрикс (строма).
Часть тилакоидной системы: 1 — тилакоид стромы (фрет); 2 — грана; 3 — полость тилакоида; 4 — перегородка между тилакоидами; 5 — тилакоид граны (отсек).
Размеры – 4 - 10 мкм Число в клетке – 20 -100 Химический состав (в % на сухую массу) Белок – 35 -55% Углеводы – 20 -30% РНК – 2 -3% ДНК – 0, 5% Хлорофилл – 9% Каротиноиды – 4, 5% Свой биосинтез белка Витамины и их производные (В, К, Д, Е) 80% Fe, 70% Zn, 50% Cu (от количества в листе)
Хлорофилл а С 55 Н 72 О 5 N 4 Мg Хлорофилл в С 55 Н 70 О 6 N 4 Мg Хлорофилл
С 55 Н 72 О 5 N 4 Мg + НСl 2 Мg. Cl 2 С 55 Н 74 О 5 N 4 + ____ Доказательство наличия магния в хлорофилле
Наиболее распространены хлорофиллы а, b Хлорофилл а – желто-зеленая окраска, поглощает свет наиболее интенсивно в красном и ультрафиолетовом спектрах. Имеется у всех растений. Хлорофилл цвета b – сине-зеленого поглощает энергию в фиолетовом спектре, значительно меньше в красном. Встречается у Виды хлорофилла высших растений и зеленых водорослей. Хлорофилл с – зеленой окраски есть у бурых и некоторых одноклеточных водорослей.
Характеристика хлорофиллов
Спектральная активность хлорофилла
Впервые описал И. П. Бородин 1883 г. М. Ненский и Л. Мерхлевский 1897 – порфириновое кольцо Р. Вильштеттер 19061914 гг. – элементарный состав хлорофилла Г. Фишер 1930 -1940 – структурная формула Р. Б. Вудворд и М. Штрель – 1960 – искусственный синтез
Хл в 650 Хл а 670 Хл а 690 Р 680 Р 700 Фотосистема II Фотосистема I Фотосистемы
Фотосистема I Реакционный ентр ц – Хл. А П 700 (1 молекула) Антенный комплекс Хл а и в (по 200 молекул) Каротин (50 молекул) Фотосистема II Реакционный ентр ц – Хл а П 680 (1 молекула) Антенный комплекс Хл а и в ( по 200 молекул) Ксантофилл (50 молекул)
Световая фаза фотосинтеза
1 этап – фотофизический 2 этап – фотохимический Процессы поглощения, миграции и преобразования Е
На фотофизическом этапе фотосинтеза происходят следующие процессы: поглощение кванта света пигментами антенного комплекса; передача энергии кванта света на хлорофиллловушку; отдача хлорофилломловушкой РЦ электрона первичному акцептору электрона. Схема первого этапа фотосинтеза: 1 – фотон (квант света); 2 – антенный комплекс; 3 – хлорофилл-ловушка (РЦ); 4 – первичный акцептор электрона
«Когда-то, где-то на землю упал луч Солнца, но он упал не на бесплодную почву, он упал на зеленую былинку пшеничного ростка, или лучше сказать на хлорофилловое зерно. Ударяясь о него, он потух, перестал быть светом, но не исчез, он только затратился на внутреннюю работу…образовал крахмал… В той или иной форме он вошел в состав хлеба, который послужил вам пищей. Он преобразился в ваши мускулы, в ваши нервы, и вот теперь атомы углерода в ваших организмах вновь соединиться с кислородом… При этом луч Солнца, таившийся в них в виде химического напряжения. Вновь принимает форму явной силы. Этот луч Солнца согревает нас. Быть может, в эту минуту он играет в вашем мозгу» . К. А. Тимирязев
На световой стадии фотосинтеза происходит поглощение света молекулами хлорофилла а с участием дополнительных пигментов (хл. в, каротиноидов, фикобилинов) и трансформацию энергии света в химическую Е АТФ и восстановленного НАДФН Хлорофилл служит донором ề хл (восстановленная форма) h. V Хл+ + е
Световая фаза Ф АДФ ее- АТФ Р 680 Р 700 НАДФ Нециклическое фотофосфорилирование Н
hv Н 2 О Н+ + е - + ½ О 2 hv 12 Н 2 О 24 Н+ +24 е - + 6 О 2 Фотолиз воды
Световая фаза 24 Ф 24 АДФ 24 е- 24 АТФ Р 680 Р 700 12 НАДФ 12 Н 2 О 24 е -+ 24 Н+ + 6 О 2 Н 2
Фотосистема I е- АТФ Р 700 Циклическое фотофосфорилирование
Фотолиз воды – расщепление воды под действием света 2 Н 2 О = 4 Н+ + 4 е + О 2 Образование кислорода (побочный продукт) Образование НАДФН Образование АТФ – хемиосмотическая теория (П. Митчелл (1961 -1966)
24 АТФ 12 НАДФ*Н 2 6 О 2 Продукты световой фазы фотосинтеза
Для протекания световой фазы фотосинтеза необходимы: Хлорофилл Свет Вода Вывод
Используются конечные продукты циклического и нециклического фосфорилирования – АТФ и НАДФН.
– непосредственная фиксация углекислого газа – карбоксилирование – образование 3 фосфоглицеринового альдегида (ФГА) – образование продуктов фотосинтеза – восстановление первоначальных реагентов
Образующаяся на первой стадии ФГК превращается в ФГА в два этапа (3 и 4). Сначала используется АТФ, синтезированная в световой фазе фотосинтеза. Затем используется НАДФ. Н, который тоже является продуктом световой фазы фотосинтеза.
Молекула ФГА используется растением в цикле Кальвина в НЕСКОЛЬКИХ НАПРАВЛЕНИЯХ. 1. ФГА является основой для синтеза сахара. 2. ФГА может быть использована для синтеза аминокислот. Среди продуктов фотосинтеза обнаружены такие аминокислоты, как аланин, серин, глютаминовая кислота, глицин. Синтез аминокислот происходит интенсивно при недостатке НАДФ. Н, в результате чего из ФГК образуется не ФГА, а пировиноградная кислота, которая является исходным соединением для синтеза аминокислот и одним из ключевых веществ цикла Кребса. 3. ФГА дает начало циклу превращений некоторых промежуточных продуктов в РДФ, который служит акцептором углекислого газа.
Для того чтобы растение могло акцептировать новую молекулу углекислого газа, необходимо иметь РДФ, основной акцептор углекислого газа. РДФ образуется из ФГА в результате цепи реакций, в процессе которых образуются пяти- и семиуглеродные сахара. Надо отметить, что основная масса ФГА идет именно на восстановление нужного количества РДФ: из 12 образовавшихся молекул ФГА только две идут на образование продуктов фотосинтеза, т. е. сахарозы.
Световые реакции Темновые реакции
Длина световой волны Степень освещенности Концентрация углекислого газа Температура Вода
« … связь между солнцем и зеленым листом приводит нас к самому широкому, самому обобщающему представлению о растении. В нем раскрывается перед нами космическая роль растений. …микроскопическое зеленое зерно хлорофилла является фокусом в мировом пространстве, в который с одного конца притекает энергия солнца. А с другого берут начало все проявления жизни на Земле. Похищенный им луч солнца горит и в мерцающей лучине и в ослепительной искре электричества. Луч солнца приводит в движение и чудовищный маховик паровой машины, и кисть художника, и перо поэта» . К. А. Тимирязев
Используется 1% падающей энергии, продуктивность около 1 г на 1 кв. м. Без фотосинтеза запас кислорода был бы израсходован в течение 3 000 лет. n Выделяется кислорода при фотосинтезе в 2030 раз больше, чем поглощается при дыхании.