В каждом маленьком растеньице, Словно в колбочке живой, Влага солнечная пенится И кипит сама собой. Николай Заболоцкий Разобраться и понять химизм процесса фотосинтеза как одного из важнейших процессов на Земле, обеспечивающих жизнь.
Фотосинтез – это процесс преобразования поглощенной энергии света в химическую энергию органических соединений. Е хим св 6 СО 2 + 6 Н 2 О С 6 Н 12 О 6 + 6 О 2 1771 г английский ученый Д. Пристли поставил классические опыты с растением мяты. Благодаря этим опытам Д. Пристли в 1774 г. открыл кислород (одновременно с К. В. Шееле). Название этому газу дал французский ученый А. Л. Лавуазье, повторивший открытие год спустя.
В 1782 г. Жан Сенебье показал, что растения, выделяя кислород, одновременно поглощают двуокись углерода. Это позволило ему предположить, что в вещество растения превращается углерод, входящий в состав двуокиси углерода. Австрийский врач Ян Ингенхауз обнаружил, что растения выделяют кислород только на свету. Он погружал ветку ивы в воду и наблюдал на свету образование на листьях пузырьков кислорода. Если листья находились в темноте, пузырьки не появлялись. Дальнейшие опыты показали, что органическая масса растения формируется не только за счет углекислого газа, но и за счет воды. Обобщая результаты перечисленных опытов, немецкий ученый В. Пфеффер в 1877 г. дал описание процесса поглощения СО 2 из воздуха при участии воды и света с образованием органического вещества и назвал его фотосинтезом.
фотосинтез оксигенный широко распространён растения, цианобактери Пространственная локализация основным органом фотосинтеза, является лист. У некоторых суккулентов с вырожденными листьями (например, кактусы) основная фотосинтетическая активность связана со стеблем. Аноксигенный (без выделения кислорода) Пурпурные и зелёные бактерий
1. Макростроение ЛИСТ столбчатая плоский листовая мозаика устьица Ассимилирующие ткани губчатая 2. Микростроение Хлоропласты, обособленные двухмембранные органоиды клетки граны фотосистемы Пигмент хлорофилл Хлоропласты в клетках листа Хлоропласты (зеленые пластиды). Их цвет зависит от наличия хлорофилла. Размер: 3 -4 до 16 -20 мкм. Количество – 40 – 60 в клетке.
Строение и свойства хлорофилла молекулы хлорофилла – вещества, аккумулирующие световую энергию М. С. Цвет установил, что хлорофилл не представляет собой индивидуальное вещество, а имеет несколько форм (около 10) Главными являются две формы хл. а (С 55 Н 72 О 5 N 4 Мg), сине-зеленого цвета хл. b (С 55 Н 70 О 6 N 4 Мg) желто-зеленого цвета. спирт фитол порфириновое ядро спирт метанол Хлорофилла а в листьях примерно в три раза больше по сравнению с хлорофиллом b. Основу молекулы составляет Мgпорфириновый комплекс, состоящий из четырех пирольных колец. Пирольные кольца в молекуле хлорофилла образуют систему сопряженных связей. Такая структура облегчает поглощение кванта света и передачи энергии света электрону хлорофилла.
Существует несколько типов хлорофиллов, различающихся строением и спектрами поглощения. Все растения имеют два вида хлорофилла: дополнительный Основной присутствует у всех растений, это хлорофилл a у высших растений и зеленых водорослей это хлорофилл b, у бурых и диатомовых – хлорофилл с, Кроме хлорофилла, в растениях присутствуют и другие пигменты. желтые пигменты – у красных водорослей – хлорофилл d. У фототрофных бактерий аналог хлорофилла – бактериохлорофилл каротиноиды оранжевые или красные фикобилины пигменты – каротины желтые – ксантофиллы • фикоэритрины красного Каротиноиды цвета, принимают участие в поглощении света при фотосинтезе, но хлорофилл является основным пигментом, а каротиноиды – дополнительными. Каротиноиды • фикоцианины синего выполняют роль стабилизаторов фотосинтеза, защищая хлорофилл от самоокисления и цвета разрушения.
Свойства хлорофилла • Хлорофилл имеет зеленую окраску • нерастворим в воде • растворим в органических растворителях – спиртах, эфирах и др. , но в безводных растворителях нерастворим. • хлорофилл реагирует со щелочами, при этом образуется соль хлорофиллина зеленого цвета. • хлорофилл реагирует с кислотами по принципу замещения магния на водород с появлением бурой окраски (феофитин). • хлорофилл поглощает почти все красные и сине-феолетовые лучи. Зеленые лучи поглощаются слабо, чем и обусловливается зеленая окраска растений
Главный «герой» фотосинтеза – квант света Солнечный свет – это электромагнитные волны, распространяющиеся в вакууме с максимально возможной скоростью Электромагнитное излучение длиной волны и частотой. хар-тся Видимый свет используют растения для фотосинтеза. Электромагнитные волны излучаются и поглощаются не непрерывно, а отдельными порциями – квантами (фотонами). Каждый квант света несет определенное количество энергии, которая находится в обратной зависимости от длины волны т. е. чем больше длина волны, тем меньше энергия кванта От длины волны зависит не только энергия кванта, но и его цвет
Поглощении квантов света осуществляется двумя фотосистемами коротковолновой ФС 2, поглощающей свет с длиной волны 690 нм длинноволновой ФС 1, поглощающей свет с длиной волны 710 нм Строение ФС ◊Светособирающие пигменты: каротиноиды, фикобилины ◊хлорофилл ◊Реакционный центр ◊ переносчики электронов белковой и небелковой природы. Комплексы ФС 2 локализованы в областях тилакоидов гран, комплексы ФС 1 находятся преимущественно в стромальных участках тилакоида. Цитохромный комплекс
Перенос энергии происходит только от пигментов, поглощающих свет с меньшей длиной волны, к пигментам, поглощающим свет с большей длиной волны Упрощенная модель фотосистемы. I. Антенный комплекс. II. Реакционный центр. 1. Кванты света. 2. Пигменты, поглощающие в коротковолновой части спектра видимого света. 3. Пигменты, поглощающие в средневолновой части спектра видимого света. 4. Молекулы хлролофилла a с различными спектрами поглощения. 5. Хлорофилл-ловушка P 680 или P 700. 6. Путь энергии поглощенного кванта света к хлорофиллу-ловушке
Фазы фотосинтеза Световая реакций зависят от света Открыта 1958 г- Арнон Фотофизический эт • поглощение кванта света пигментами антенного комплекса; • передача энергии кванта света на хлорофилл-ловушку; • отдача хлорофилломловушкой РЦ электрона акцептору электрона. Темновая Реакций от света не зависят Открыта 1953 г -Кальвин Фотохимический эт Запасаниесолнечной энергии в макроэргических молекулах АТФ и НАДФ. Н
Физико-химические основы фотосинтеза Молекула хлорофилла поглощает квант света и переходит в возбужденное состояние, характеризующееся электронной структурой с повышенной энергией и способностью легко отдавать электрон. Такой электрон можно сравнить с камнем, поднятым на высоту, – он также приобретает дополнительную потенциальную энергию. Электрон, как по ступеням, перемещается по цепочке сложных органических соединений, встроенных в мембраны хлоропласта. Эти соединения отличаются друг от друга своими окислительно-восстановительными потенциалами, которые к концу цепи повышаются. Перемещаясь с одной ступени на другую, электрон теряет энергию, которая используется для синтеза АТФ. Растративший свою энергию электрон возвращается к хлорофиллу. Новая порция световой энергии вновь возбуждает молекулу хлорофилла. Электрон снова проходит по тому же пути, расходуя свою энергию на образование новых молекул АТФ, и весь цикл повторяется. е е е е е АТФ Циклическое фосфорилирование
Фазы и процессы фотосинтеза Молекула, поглотившая энергию, переходит в возбужденное состояние, которое является нестабильным. Такая нестабильная молекула не может долго существовать – она стремится избавиться от избытка энергии различными способами. Хлорофилл-ловушка в РЦ, получив энергию от антенного комплекса, переходит в возбужденное состояние (Хл+). Возбужденный хлорофилл обладает исключительно высокой реакционной способностью и является достаточно сильным восстановителем, легко отдающим электрон первичному акцептору в РЦ. После потери электрона хлорофилл переходит в основное состояние, и этим заканчивается первый этап фотосинтеза, называемый фотофизическим Фотохимический этап Первичные акцепторы фотосистем различны. В ФС I это хлорофилл, ФС II – феофитин. Условно их называют окислительновосстановительные системы Х (ФС I) и Q (ФС II). Принимая электрон от хлорофилла, превращаются соответственно в Х– и Q–. они 1 – фотон (квант света); 2 – антенный комплекс; 3 – хлорофилл-ловушка (РЦ); 4 – первичный акцептор электрона
Отдавая электрон, хлорофилл превращается в Хл+. Чтобы хлорофилл смог принять новую порцию энергии, он должен восстановиться, т. е. вернуть себе электрон. В РЦ ФС I электрон поступает по цепочке цитохромов (электронтранспортной цепи) из ФС II. Таким образом электрон для ФС I образуется за счет окисления хлорофилла ФС II. Донором электрона для ФС II является процесс фотолиз воды. . Реакционно – способный радикал При фотолизе воды образуются атом кислорода, два атома водорода и два электрона. Именно электроны, образующиеся при фотолизе воды, восстанавливают хлорофилл ФС II. Следовательно, донором электронов для хлорофилла ФС II является молекула воды.
Электрон, высвободившийся из хлорофилла ФС I. по электронтранспортной цепи, отличной от цепи, соединяющей обе фотосистемы, поступает на кофермент НАДФ, который восстанавливается до НАДФ. Н. В этом процессе используется атом водорода, который образуется при фотолизе воды. Циклическое фосфорилирование Фс II Z-схема нециклического транспорта электрона. Окончательная схема световой фазы фотосинтеза
Процесс преобразования энергии света в энергию АТФ получил название фотосинтетического фосфорилирования, или фотофосфорилирования. нециклическое осуществляется во время нециклического транспорта электрона циклическое осуществляется во время циклического транспорта электронов при циклическом не происходит синтез НАДФ. Н, необходимый для дальнейшего синтеза глюкозы.
фс. II фс1 Обобщенная схема фотосинтеза
АТФ Н+ Н+ е е Н+ Н+ АТФ е е + + Н+ е е Протонный канал Н+ + + Н + ОН ОН + НОН Н 2 О + Н * НАДФ + + е е е Н+ -резервуар е е ФС 1 АТФ + е + + + е ФС II Мембрана тилакоида О 2 о/с
Космическая роль зеленого листа Зеленое растение образует питательные вещества для животного и растительного Изобретатель паровоза мира, лишенного зеленой окраски. Стефенсон как-то задал Зеленое растение в буквальном смысле вопрос слова кормит, своему и приятелю: одевает согревает нас. «Что движет проходящий Поглощенный сотни миллионов лет назад зеленым перед растением солнечный луч нами поезд? » сохранился до наших дней в виде «Конечно, твое изобретение» , каменного угля. — ответил его друг. «Нет, — Выделяя в сказал кислород Стефенсон, — процессе его фотосинтеза, зеленое растение движет накапливает тот солнечный луч, кислород в земной который сотни миллионов лет атмосфере, без которого мы не можем жить. По приблизительным зеленое подсчетам, назад поглотило растения выделяют ежегодно около 400 растение» . млрд. т свободного кислорода в атмосферу, поглощают 600 млрд. т углекислого газа и синтезируют около 450 млрд. т органического вещества
ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ "Три пути ведут к знанию: путь размышления -это самый благородный, путь подражания это самый легкий и путь опыта - это путь самый тяжелый. " Конфуций Процесс ф – s знать и понимать. Уметь объяснять любую из схем Готовиться к отчету Сравнить дыхание и фотосинтез (письменно)
Скачать презентацию В каждом маленьком растеньице Словно в колбочке живой
фотосинтез Казанцева СН МКОУ СОШ 5 Невьянск.ppt