Фотосинтез где происходит световая фаза

Световая фаза фотосинтеза

Фотосинтез – это сложный процесс, происходящий на свету в хлоропластах растительной клетки.

В процессе фотосинтеза различают два цикла реакций – две его фазы, последовательно и непрерывно идущие друг за другом, – световую и темновую.

Схема фотосинтеза

Рассмотрим сначала особенности световой фазы фотосинтеза.

Световая фаза фотосинтеза характеризуется тем, что здесь все процессы происходят только при участии энергии света. В основе световой фазы лежит функционирование двух фотосинтетических молекулярных структур – фотосистемы I и фотосистемы II.

Фотосистемы содержат по 250–400 молекул различных пигментов и белки. Все молекулы фотосистем способны поглощать свет, но только одна– основная молекула хлорофилла, являющаяся реакционным центром (РЦ), использует поглощенную энергию в фотохимических реакциях. Все остальные молекулы – антенные. В реакционных центрах сосредоточена лишь небольшая (1 %) часть хлорофилла, непосредственно участвующего в преобразовании энергии поглощенных фотонов в энергию химических связей. Различают фотосистемы по характеру поглощения света хлорофиллом реакционного центра. Максимум поглощения света фотосистемы I (ФС I) соответствует длине волны 700 нм (П700), антенных пигментов ФС I – хлорофиллов a (675 – 695 нм). Максимум поглощения фотосистемы II (ФС II) – 680 нм (П680), ее антенных пигментов – хлорофиллов a (670–683 нм). Электроны хлорофиллов последовательно возбуждаются в обеих фотосистемах.

Антенный комплекс на тилакоидной мембране Фотосистема II. В первой фотосистеме (по историческим причинам получившей название фотосистемы II, или ФС II) в результате поглощения кванта света электроны хлорофилла a680680) реакционного центра возбуждаются и поднимаются на более высокий энергетический уровень. Здесь они сразу же захватываются первым акцептором – белком феофитином (Фф). Получив электроны, феофитин становится сильным донором и сразу же отдает их другому акцептору, тот передает третьему и т. д. до тех пор, пока электроны не достигнут конечного акцептора, которым служит фотосистема I (ФС I). Цепь электронного транспорта, соединяющая две фотосистемы, в качестве переносчиков электронов включает в себя пластохинон (ПХ, PQ), отдельный электрон-транспортный комплекс цитохромов (так называемый b/f-комплекс) и водорастворимый белок пластоцианин (ПЦ, PC). Фотосистема I, получив электроны, тоже становится сильным донором, и ее электроны захватываются следующим акцептором – белком ферредоксином (Фд), а от него переходит к белку-ферменту ферредоксин-НАДФ-редуктазе, где используются на восстановление НАДФ + до НАДФ·Н. На рисунке показана цепь переноса электронов в фотохимических реакциях от ФС II к ФС I, которую часто называют Z-схемой. Стрелками показан поток электронов.

Z-схема переноса электронов (нециклический поток) в фотохимических реакциях фотосинтеза. Пунктиром показан циклический поток электронов

Сам перенос электронов по линейной цепи представлен на рисунке ниже.

Электрон-транспортная цепь в мембране тилакоидов

Следует отметить, что первым донором электронов для закрытия «дырки» в реакционном центре ФС II служит вода. Под действием света и в присутствии окислителей в хлоропластах происходит процесс разложения воды – фотолиз. Установлено, что фотолиз идет при участии вещества-переносчика – пластохинона и катализируется ферментами в присутствии ионов марганца, хлора и кальция. Весь комплекс соединений, обеспечивающих фотолиз, часто называют кислородвыделяющим комплексом. В итоге расщепления одной молекулы воды образуются 2 протона, 2 электрона и ½ молекулы кислорода. Процесс фотолиза воды можно выразить уравнением:

Фотолиз воды

Образовавшийся свободный кислород как побочный продукт фотосинтеза диффундирует в окружающую среду или расходуется растительными клетками для дыхания.

В итоге в фотосистеме II по электрон-транспортной цепи переносятся электроны, полученные и от окисления воды, и от возбужденного светом хлорофилла а680680).

Таким образом, световой этап фотосинтеза в ФС II и ФС I условно можно разделить на две стадии. Первая включает первичные световые реакции, обеспечивающие процессы активации электронов и их переноса в реакционных центрах. На второй световой стадии фотосинтеза происходят биохимические процессы, в которых образуется сильный восстановитель НАДФ·Н, синтезируется АТФ и при фотоокислении воды выделяется O2.

Транспорт электронов и все реакции второй световой стадии происходят в тилакоидной мембране хлоропластов. Ключевую роль в процессах трансформации световой энергии в хлоропластах и ее запасания в форме макроэргических связей АТФ играет АТФ-синтаза.

Световые реакции фотосинтеза

На пути продвижения электронов по электрон-транспортной цепи от ФС II к ФС I между акцепторами – пластохиноном и пластоцианином расположен комплекс цитохромов (b6/f), сопрягающий транспорт электронов с формированием электрохимического потенциала на мембране тилакоида. После окисления первого акцептора– пластохинона (ПХ) один из двух электронов, следуя по цепи через цитохром f – пластоцианин (ПЦ), направляется в фотосистему I, а второй снова поступает в комплекс цитохромов (b6/f) и, взаимодействуя с акцептором ПХ, осуществляет подряд два окисления. Таким образом происходит увеличение количества электронов, направляющихся по электрон-транспортной цепи к ФС I. Два следующих друг за другом окисления в комплексе цитохромов (b6/f) приводят к увеличению количества протонов, образующихся в этих реакциях. В итоге в тилакоидном пространстве накапливаются протоны, поступающие сюда и от фотолиза воды, и от комплекса цитохромов.

Накопление протонов в тилакоидном пространстве приводит к созданию в протонном резервуаре электрохимического градиента. Когда он достигает величины приблизительно 200 mW, протоны с внутренней стороны мембраны переносятся по электрохимическому градиенту на внешнюю через канал, образованный ферментом АТФ-синтазой (АТФазой). При этом происходит процесс фосфорилирования (образования АТФ). Поток протонов, поступающих через канал, служит источником энергии для синтеза АТФ, а перенесенный протон, взаимодействуя с электроном и молекулой окисленного НАДФ + , восстанавливает его до НАДФ·Н.

Механизм фотофосфорилирования в мембране тилакоида: 1 – внутренняя мембрана тилакоида; 2 – ФС II; 3 – переносчики электронов (ПХ, комплекс b6/f, ПЦ); 4 – ФС I; 5 – ферредоксин; 6 – НАДФ-редуктаза; 7 – АТФ-синтаза

АТФ-синтаза – это целостный комплекс белковых молекул (субъединиц). В ходе катализа его (субъединица работает как стержень – ротор «молекулярного мотора», который попеременно вращается относительно неподвижных α- и β-субъединиц, – то против β-, то против α-субъединицы. Энергия конформационных изменений молекулярного комплекса трансформируется в энергию фосфатной связи АТФ. Модель АТФ-синтазы была предложена американским химиком Полом Бойером. За это открытие П. Бойер и английский химик Джон Уокер в 1997 году были удостоены Нобелевской премии.

Строение АТФ-синтазы: a, b2, α, β, δ – закрепленные субъединицы; c12, ε, γ – вращающиеся субъединицы Фотосистема I. В реакционном центре фотосистемы I при возбуждении молекулы хлорофилла a700700) энергией, равной двум квантам длинноволнового красного света, от нее «отрывается» пара электронов, которые переходят на более высокие вакантные орбитали и быстро захватываются акцепторами. Первым акцептором электронов выступает молекула хлорофилла a (A0) и хлорофилла a695 (A1). Далее следует серия переносчиков (железосерные белки), через которые электроны поступают на ферредоксин – сильный биологический восстановитель. От ферредоксина через фермент флавопротеин-ферредоксин-НАДФ-редуктазу электроны идут на восстановление НАДФ + до НАДФ·Н.

НАДФ·Н (никотинамидадениндинуклеотидфосфат восстановленный) – кофермент, катализирующий важнейшие окислительно-восстановительные реакции энергетического и пластического обмена. Заключенная в соединении НАДФ·Н химическая энергия является важным условием фотосинтеза, так как используется на восстановление CO2 и образование углеводов. Для восстановления одной молекулы НАДФ + в процессе фотосинтеза необходимы два электрона и два протона (причем донором протонов является вода).

Итак, на световой стадии фотосинтеза создается взаимодействие ФС II и ФС I, схематически изображаемое в виде зигзагообразной фигуры, которую называют Z-схемой. Обе фотосистемы (ФС II и ФС I) размещаются в тилакоидной мембране и работают в тесном контакте, обеспечивая друг другу бесперебойное функционирование.

Механизм фосфорилирования АТФ, сопряженный с работой электон-транспортной цепи на мембранах (хлоропластов и митохондрий), был расшифрован в 1961 году английским биохимиком Питером Митчеллом, лауреатом Нобелевской премии (1978).

Циклическое фосфорилирование. Выше был показан процесс образования АТФ, сопряженный с линейным перемещением электронов от ФС II к ФС I. Этот процесс называют нециклическим фосфорилированием. В процессе восстановления реакционного центра ФС I за счет электронного транспорта от ФС II между фотосистемами может возникнуть еще один поток электронов: от ферредоксина (Фд) фотосистемы I к комплексу цитохромов (b6/f) фотосистемы II. При этом НАДФ + не восстанавливается, а освобождающаяся энергия используется для фосфорилирования АДФ и образования макроэргической фосфатной связи АТФ. В итоге создается замкнутый электронный поток, при котором электроны, возбужденные в ФС I, не переходят на НАДФ + , а возвращаются в электрон-транспортную цепь на один из ее участков – «выше по течению». При этом перенос электронов по цепи сопровождается поступлением («перекачкой») протонов через тилакоидную мембрану. Возникающий в связи с этим электрохимический градиент обеспечивает синтез АТФ. Этот процесс называют циклическим фосфорилированием. Синтезированная АТФ переходит в строму хлоропласта.

Смотрите так же:  Как подключить водонагреватель накопительный через узо

Таким образом, во время световой фазы фотосинтеза благодаря энергии солнечного света синтезируется АТФ, образуется восстановленный НАДФ·Н и как побочный продукт выделяется кислород. В этом заключается основная функция световой фазы фотосинтеза. Она реализуется только при участии света и с помощью пигментов, размещенных в тилакоидной мембране хлоропластов.

Высокоэнергетические (макроэргические) соединения (АТФ, НАДФ·Н), образующиеся в ходе световой фазы, далее используются в темновой фазе фотосинтеза при ассимиляции CO2 в углеводы.

Световая фаза фотосинтеза

Содержание

  1. Локализация
  2. Хлорофилл
  3. Фотолиз воды
  4. Влияние интенсивности света
  5. Что мы узнали?
  6. Оценка доклада
  • Тест по теме

Локализация

Первое отличие световой фазы фотосинтеза от темновой – в её локализации. Она проходит в тилакоидах – мембранных цистернах, расположенных внутри хлоропластов.

Рис. 1. Внутреннее строение хлоропласта.

Хлоропласты способны двигаться независимо от потока цитоплазмы. При умеренном освещении они располагаются у клеточных стенок так, чтоб подставить свету своё наибольшее сечение.

На тилакоидных мембранах находится пигмент зелёного цвета хлорофилл. По химической природе он является магниевой солью пиррола.

В процессе световой фазы фотосинтеза хлорофилл выполняет функцию фотосенсибилизатора – вещества, поглощающего свет, с помощью энергии которого осуществляются различные химические превращения.

Поглощая свет, хлорофилл переходит в «возбуждённое», более богатое энергией состояние, в котором сам теряет электрон и становится способен отнимать водород или электрон у других веществ.

Фотолиз воды

Возбуждённый хлорофилл присоединяет к себе водород воды, вызывая её разложение (фотолиз):

Кислород выделяется из клетки. Протоны водорода переносятся веществами-передатчиками на НАДФ, восстанавливая его до НАДФН₂.

Это один из продуктов световой фазы, который будет использоваться для образования органических веществ во второй фазе фотосинтеза.

Другим таким продуктом является АТФ. Это энергоёмкое соединение, которое является универсальным внутриклеточным источником энергии для многих реакций, в том числе, реакций темновой фазы фотосинтеза.

Рис. 2. Формула АТФ.

Образование АТФ происходит в результате реакции фотосинтетического фосфорилирования:

АДФ + Н₃РО₄ + 2hv → АТФ

НАДФН₂ и АТФ составляют «восстановительную силу» для СО₂ при его присоединении к имеющимся в хлоропластах органическим веществам. АТФ обеспечивает эти процессы энергией, а НАДФН₂ – атомами водорода.

Рис. 3. Схема световой фазы фотосинтеза.

Таким образом, продуктами световых реакций являются:

При этом, кислород рассматривается как побочный продукт фотосинтеза, а образование АТФ и НАДФН₂ как подготовка к процессам темновой фазы.

Влияние интенсивности света

Фотосинтез возможен при различной интенсивности света. Он не прекращается во время летних белых ночей на севере, идёт при свете зари. При увеличении интенсивности света возрастает и интенсивность фотосинтеза, которая выражается количеством связываемого СО₂.

Однако при определённых значениях интенсивности света наступает световое насыщение фотосинтеза и его интенсивность не растёт.

При значениях, превышающих показатели светового насыщения, фотосинтетический аппарат может разрушаться вследствие действия фотоокисления и остановки процессов катализации.

Что мы узнали?

Мы постарались рассказать кратко и понятно про световую фазу фотосинтеза. Её основными процессами являются: световое разложение воды с выделением О₂ и переносом водорода на НАДФ, запасание энергии света в химических связях молекул АТФ. Веществом, воспринимающим световую энергию и включающим фотосинтетические реакции, является хлорофилл, расположенный на мембранах тилакоидов.

Фазы фотосинтеза

Содержание

  1. На свету
  2. На свету и в темноте
  3. С₃ и С₄ растения
  4. Что мы узнали?
  5. Оценка доклада
  • Тест по теме

Световая фаза начинается с попадания квантов света на молекулы хлорофилла, которые находятся внутри тилакоидов – плоских мембранных цистерн дисковидной формы.

Рис. 1. Строение хлоропласта.

При этом молекулы хлорофилла переходят в возбуждённое состояние и теряют электроны. Вместо утраченных электронов они присоединяют электроны молекул Н₂О или ионов ОН¯.

Происходит инициированное хлорофиллом разложение воды (фотолиз) и выделение газообразного кислорода. Одна молекула кислорода образуется из двух молекул воды.

Свободные электроны и водород проходят через сложную цепь веществ-переносчиков и фиксируются в молекулах НАДФН₂.

Рис. 2. Схема световой фазы фотосинтеза.

За счёт энергии возбуждённых электронов также происходит синтез молекул АТФ из АДФ и фосфорной кислоты.

Если кислород считается побочным продуктом световой фазы, то АТФ может считаться основным, т. к. его энергия будет затрачена на образование органических веществ из СО₂ в темновой фазе.

Таким образом, энергия света становится энергией химических связей АТФ.

На свету и в темноте

Реакции темновой фазы протекают за пределами тилакоидов, в строме хлоропласта, являющейся по своим свойствам биоколлоидом.

Суть процессов этой фазы – в превращении атмосферного углекислого газа в различные органические вещества.

С₃ и С₄ растения

Существует два пути фотосинтеза, характерные для разных видов растений. Большинство видов относится к С₃ – растениям. Это значит, что у них на первом этапе темновой фазы образуются трёхатомные углеводороды:

СО₂ + рибулозодифосфат (РДФ) + Н₂О → 2 молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК).

РДФ: 5 атомов С. ФГК: 3 атома С.

Органические вещества образуются не путём сложения молекул СО₂, а при присоединении СО₂ к уже имеющимся углеводам.

Таким образом, СО₂ как бы вовлекается во внутриклеточный обмен веществ растения.

У С₄ – растений происходит образование четырёхатомных кислот:

С₄ – растения имеют тропическое происхождение и очень светолюбивы. Это сорго, просо, кукуруза, сахарный тростник и др.

Продукты первого этапа проходят цикл реакций, образуя множество веществ, используемых клеткой.

У всех растений темновая фаза заканчивается образованием глюкозы, фруктозы и других шестиатомных углеводов.

Доказано, что при фотосинтезе также синтезируются белки и другие продукты.

Рис. 3. Схема темновой фазы фотосинтеза.

Признаки фаз фотосинтеза, а также результаты процессов, идущих в обеих фазах, представим в таблице:

Световая

Темновая

Хлорофилл, тилакоиды, свет, вода, углекислый газ

Строма хлоропластов, наличие АТФ и исходных углеводородов (рибулозодифосфат)

Фотолиз воды, перенос электронов и протонов, синтез АТФ

Связывание СО₂ с углеводородами за счёт энергии АТФ

Кислород, АТФ, НАДФН₂

Что мы узнали?

Проведя сравнительную характеристику двух фаз фотосинтеза, мы определили, что световая фаза является подготовительной. В ходе световой фазы: образуется кислород, запасается энергия в виде АТФ, накапливается водород. Темновая фаза использует ресурсы, полученные в ходе световой фазы и заканчивается образованием разнообразных органических соединений.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.6 . Всего получено оценок: 70.

Не понравилось? — Напиши в комментариях чего не хватает.

  • Митоз и мейоз — кратко и понятно об отличиях
  • Моногибридное скрещивание
  • Митоз — значение и стадии
  • Анализирующее скрещивание
  • Фазы митоза
  • Дигибридное скрещивание
  • Таблица «Фазы митоза»
  • Мутационная изменчивость
  • Биологическое значение митоза
  • Модификационная изменчивость
  • Половое размножение
  • Мейоз — кратко и понятно
  • Биологическое значение мейоза
  • Неполное доминирование
  • Взаимодействие генов
  • Наследование, сцепленное с полом
  • Генотип и фенотип
  • Модификационная изменчивость — значение и примеры
  • Оплодотворение
  • Бесполое размножение
  • Виды бесполого размножения
  • Амитоз
  • Хромосомная теория наследственности
  • Виды мутаций
  • Генетика человека
  • Взаимодействие неаллельных генов
  • Автотрофное питание
  • Изолирующие механизмы
  • Цитоплазматическая наследственность
  • Основы генетики
  • Темновая фаза фотосинтеза
  • Световая фаза фотосинтеза
  • Фазы фотосинтеза
  • Значение фотосинтеза
  • Половое размножение растений
  • Методы изучения генетики человека

показать все

По многочисленным просьбам теперь можно: сохранять все свои результаты, получать баллы и участвовать в общем рейтинге.

  1. 1. Олеся Калачёва 301
  2. 2. Юлия Петрякова 258
  3. 3. Юлия Гнездилова 180
  4. 4. Абдул Расулов 166
  5. 5. Михаил Соборов 160
  6. 6. Вера Заводова 144
  7. 7. Кирилл Апасов 144
  8. 8. Санир Лукьянов 140
  9. 9. Ольга Мелехина 115
  10. 10. Таня Караваева 115
  1. 1. Ramzan Ramzan 6,355
  2. 2. Дарья Барановская 5,615
  3. 3. Елизавета Анчербак 5,056
  4. 4. Денис Христофоров 4,975
  5. 5. Iren Guseva 4,925
  6. 6. admin 4,358
  7. 7. Олег Чувилин 4,337
  8. 8. Анастасия Гудяева 4,103
  9. 9. Даниил Юраков 4,050
  10. 10. Ольга Мелехина 3,240
Смотрите так же:  Производство провода мф

Самые активные участники недели:

  • 1. Виктория Нойманн — подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.
  • 2. Bulat Sadykov — подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.
  • 3. Дарья Волкова — подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.

Три счастливчика, которые прошли хотя бы 1 тест:

  • 1. Наталья Старостина — подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.
  • 2. Николай З — подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.
  • 3. Давид Мельников — подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.

Карты электронные(код), они будут отправлены в ближайшие дни сообщением Вконтакте или электронным письмом.

Науколандия

Статьи по естественным наукам и математике

Световая фаза фотосинтеза

Световая фаза фотосинтеза зависит от поступления в клетку светового излучения (фотонов). В природе фотосинтез стимулируется солнечным светом.

Содержащиеся в хлоропластах растительных клеток хлорофиллы и другие пигменты улавливают излучение определенных длин волн. Энергия фотонов переводит электроны пигментов на более высокий энергетический уровень. Вместо того, чтобы снова вернуться на прежний энергетический уровень с обратным излучение энергии, электроны захватываются акцепторами и переносятся по электрон-транспортной цепи, встроенной в мембрану тилакоидов хлоропластов.

По пути следования электронов их энергия частично теряется, а частично тратится на синтез АТФ и восстановление НАДФ. Таким образом солнечная энергия переводится в энергию химических связей, используемую потом в темновой фазе на синтез органических веществ. В этом смысле световую фазу фотосинтеза можно назвать подготовительной.

Электрон-транспортную цепь составляют пигменты, ферменты и коферменты. Одни локализованы в мембране почти неподвижно, другие перемещаются, выполняя роль переносчиков электронов и протонов.

Однако световые реакции фотосинтеза происходят не только на мембране тилакоидов. Также фотоны света запускают фотолиз воды. В результате фотолиза вода распадается на протоны водорода (H + ), электроны (e — ) и атомы кислорода (O). Последние, попарно объединяясь, выделяются из клетки в виде молекулярного кислорода (O2).

Причина необходимости фотолиза становится ясна при более подробном рассмотрении реакций световой фазы, протекающих на тилакоидной мембране.

Здесь функционируют две фотосистемы. Это так называемые фотосистема I и фотосистема II. Каждая из них улавливает световую энергию, и от каждой отрываются возбужденные электроны, которые принимаются своими акцепторами. В фотосистемах образуются электронные дырки, т. е. недостаток электронов. Хлорофиллы реакционных центров фотосистем становятся положительно заряженными. Чтобы система снова могла работать, необходимо эти дырки устранять за счет притока электронов из вне.

В растениях световая фаза фотосинтеза организована таким образом, что фотосистема I заполняет дырки электронами, транспортирующимися от фотосистемы II. А та получает электроны, которые образуются при фотолизе воды .

Электроны, вышедшие из первой фотосистемы, пройдя по электрон-транспортной цепи, достигают НАДФ. Этот кофермент восстанавливается и заряжается отрицательно. После этого притягивает протоны водорода, превращаясь в НАДФ·H2. Таким образом, фотолиз воды необходим для получения протонов и электронов.

По пути следования электронов от второй фотосистемы к первой происходит синтез АТФ за счет накопленного электро-химического градиента — разницы зарядов по разные стороны мембраны.

Рассмотрим подробнее упрощенную схему световой фазы фотосинтеза :

Помимо энергии света для фотолиза воды нужен еще фермент, который отмечен на схеме как «водоокисляющий комплекс». Он встроен в фотосистему. Образовавшиеся протоны остаются в люмене, а электроны уходят в фотосистему II (PSII). Поток электронов показан синей пунктирной стрелкой.

Надписи P680 и P700 в фотосистемах обозначают длины волн света, которые преимущественно поглощаются реакционными центрами PS. Сами фотосистемы имеют сложное строение. Кроме испускающего электроны реакционного центра, они включают также светособирающий комплекс.

Из PSII электроны передаются на кофермент пластохинон. Заряжаясь отрицательно, он присоединяет протоны из стромы. Поток протонов показан красной пунктирной стрелкой. Пластохинон транспортирует электроны и протоны до ферментативного комплекса цитохром-b6f. Последний окисляет пластохинон.

Цитохром-b6f перекачивает протоны в люмен, а электроны передает следующему коферменту-переносчику – пластоцианину.

В это время в люмене за счет протонов, перенесенных из стромы и образовавшихся в результате фотолиза воды, накапливается достаточный положительный заряд, чтобы «сработал» фермент АТФ-синтаза. Через его каналы протоны устремляются на внешнюю сторону тилакоидной мембраны. Эта энергия используется АТФ-синтазой для синтеза АТФ из АДФ и фосфорной кислоты.

Пластоцианин транспортирует электроны в PSI, восстанавливая ее. Отсюда в результате действия света электроны передаются на ферредоксин. Под действием фермента ферредоксин-НАДФ-редуктазы он восстанавливает НАДФ. При этом также используются протоны, находящиеся в строме хлоропласта. Сюда они поступили в том числе и через каналы АТФ-синтазы.

Рассмотренные реакции световой фазы представляют собой нециклический транспорт электронов . Однако данный этап фотосинтеза может протекать и по циклическому пути . В этом случае ферродоксин восстанавливает не НАДФ, а пластохинон. Таким образом, PSI получает свои электроны обратно. В случае циклического транспорта электронов синтеза НАДФ·H2 не происходит, световая фаза дает только АТФ.

Нециклический (обычный) транспорт электронов называют также Z-схемой переноса электронов. Если изобразить поток электронов с учетом постепенного понижения их энергии, то получится схема, похожая на повернутую на 90° букву Z.

Науколандия

Статьи по естественным наукам и математике

Фотосинтез кратко и понятно

Фотосинтез — это процесс синтеза органических веществ из неорганических за счет энергии света . В подавляющем большинстве случаев фотосинтез осуществляют растения с помощью таких клеточных органелл как хлоропласты, содержащих зеленый пигмент хлорофилл.

Если бы растения не были способны к синтезу органики, то почти всем остальным организмам на Земле нечем было бы питаться, так как животные, грибы и многие бактерии не могут синтезировать органические вещества из неорганических. Они лишь поглощают готовые, расщепляют их на более простые, из которых снова собирают сложные, но уже характерные для своего тела.

Так обстоит дело, если говорить о фотосинтезе и его роли совсем кратко. Чтобы понять фотосинтез, нужно сказать больше: какие конкретно неорганические вещества используются, как происходит синтез?

Для фотосинтеза нужны два неорганических вещества — углекислый газ (CO2) и вода (H2O). Первый поглощается из воздуха надземными частями растений в основном через устьица. Вода — из почвы, откуда доставляется в фотосинтезирующие клетки проводящей системой растений. Также для фотосинтеза нужна энергия фотонов (hν), но их нельзя отнести к веществу.

В общей сложности в результате фотосинтеза образуется органическое вещество и кислород (O2). Обычно под органическим веществом чаще всего имеют в виду глюкозу (C6H12O6).

Органические соединения большей частью состоят из атомов углерода, водорода и кислорода. Именно они содержатся в углекислом газе и воде. Однако при фотосинтезе происходит выделение кислорода. Его атомы берутся из воды.

Кратко и обобщенно уравнение реакции фотосинтеза принято записывать так:


Но это уравнение не отражает сути фотосинтеза, не делает его понятным. Посмотрите, хотя уравнение сбалансированно, в нем общее количество атомов в свободном кислороде 12. Но мы сказали, что они берутся из воды, а там их только 6.

На самом деле фотосинтез протекает в две фазы. Первая называется световой, вторая — темновой. Такие названия обусловлены тем, что свет нужен только для световой фазы, темновая фаза независима от его наличия, но это не значит, что она идет в темноте. Световая фаза протекает на мембранах тилакоидов хлоропласта, темновая — в строме хлоропласта.

В световую фазу связывания CO2 не происходит. Происходит лишь улавливание солнечной энергии хлорофилльными комплексами, запасание ее в АТФ, использование энергии на восстановление НАДФ до НАДФ*H2. Поток энергии от возбужденного светом хлорофилла обеспечивается электронами, передающимися по электрон-транспортной цепи ферментов, встроенных в мембраны тилакоидов.

Смотрите так же:  Как заменить узо

Водород для НАДФ берется из воды, которая под действием солнечного света разлагается на атомы кислорода, протоны водорода и электроны. Этот процесс называется фотолизом. Кислород из воды для фотосинтеза не нужен. Атомы кислорода из двух молекул воды соединяются с образованием молекулярного кислорода. Уравнение реакции световой фазы фотосинтеза кратко выглядит так:

Таким образом, выделение кислорода происходит в световую фазу фотосинтеза. Количество молекул АТФ, синтезированных из АДФ и фосфорной кислоты, приходящихся на фотолиз одной молекулы воды, может быть различным: одна или две.

Итак, из световой фазы в темновую поступают АТФ и НАДФ*H2. Здесь энергия первого и восстановительная сила второго тратятся на связывание углекислого газа. Этот этап фотосинтеза невозможно объяснить просто и кратко, потому что он протекает не так, что шесть молекул CO2 объединяются с водородом, высвобождаемым из молекул НАДФ*H2, и образуется глюкоза:

6CO2 + 6НАДФ*H2 →С6H12O6 + 6НАДФ
(реакция идет с затратой энергии АТФ, которая распадается на АДФ и фосфорную кислоту).

Приведенная реакция – лишь упрощение для облегчения понимания. На самом деле молекулы углекислого газа связываются по одной, присоединяются к уже готовому пятиуглеродному органическому веществу. Образуется неустойчивое шестиуглеродное органическое вещество, которое распадается на трехуглеродные молекулы углевода. Часть этих молекул используется на ресинтез исходного пятиуглеродного вещества для связывания CO2. Такой ресинтез обеспечивается циклом Кальвина. Меньшая часть молекул углевода, включающего три атома углерода, выходит из цикла. Уже из них и других веществ синтезируются все остальные органические вещества (углеводы, жиры, белки).

То есть на самом деле из темновой фазы фотосинтеза выходят трехуглеродные сахара, а не глюкоза.

Фазы фотосинтеза

Фотосинтез – процесс довольно сложный и включает две фазы: световую, которая всегда происходит исключительно на свету, и темновую. Все процессы происходят внутри хлоропластов на особых маленьких органах — тилакоидах. В ходе световой фазы хлорофиллом поглощается квант света, в результате чего образуются молекулы АТФ и НАДФН. Вода при этом распадается, образуя ионы водорода и выделяя молекулу кислорода. Возникает вопрос, что это за непонятные загадочные вещества: АТФ и НАДН?

АТФ – это особые органические молекулы, которые имеются у всех живых организмов, их часто называют «энергетической» валютой. Именно эти молекулы содержат высокоэнергетические связи и являются источником энергии при любых органических синтезах и химических процессах в организме. Ну, а НАДФН – это собственно источник водорода, используется непосредственно при синтезе высокомолекулярных органических веществ — углеводов, который происходит во второй, темновой фазе фотосинтеза с использованием углекислого газа. Но давайте по порядку.

Cветовая фаза фотосинтеза

В хлоропластах содержится очень много молекул хлорофилла, и все они поглощают солнечный свет. Одновременно свет поглощается и другими пигментами, но они не умеют осуществлять фотосинтез. Сам процесс происходит лишь только в некоторых молекулах хлорофилла, которых совсем немного. Другие же молекулы хлорофилла, каротиноидов и других веществ образуют особые антенные, а также светособирающие комплексы (ССК). Они, как антенны, поглощают кванты света и передают возбуждение в особые реакционные центры или ловушки. Эти центры находятся в фотосистемах, которых у растений две: фотосистема II и фотосистема I. В них имеются особые молекулы хлорофилла: соответственно в фотосистеме II — P680, а в фотосистеме I — P700. Они поглощают свет именно такой длины волны(680 и 700 нм).

По схеме более понятно, как все выглядит и происходит во время световой фазы фотосинтеза.

На рисунке мы видим две фотосистемы с хлорофиллами Р680 и Р700. Также на рисунке показаны переносчики, по которым происходит транспорт электронов.

Итак: обе молекулы хлорофилла двух фотосистем поглощают квант света и возбуждаются. Электрон е- (на рисунке красный) у них переходит на более высокий энергетический уровень.

Возбужденные электроны обладает очень высокой энергией, они отрываются и поступают в особую цепь переносчиков, которая находится в мембранах тилакоидов – внутренних структур хлоропластов. По рисунку видно, что из фотосистемы II от хлорофилла Р680 электрон переходит к пластохинону, а из фотосистемы I от хлорофилла Р700 – к ферредоксину. В самих молекулах хлорофилла на месте электронов после их отрыва образуются синие дырки с положительным зарядом. Что делать?

Чтобы восполнить недостачу электрона молекула хлорофилла Р680 фотосистемы II принимает электроны от воды, при этом образуются ионы водорода. Кроме того, именно за счет распада воды образуется выделяющийся в атмосферу кислород. А молекула хлорофилла Р700, как видно из рисунка, восполняет недостачу электронов через систему переносчиков от фотосистемы II.

В общем, как бы ни было сложно, именно так протекает световая фаза фотосинтеза, ее главная суть заключается в переносе электронов. Также по рисунку можно заметить, что параллельно транспорту электронов происходит перемещение ионов водорода Н+ через мембрану, и они накапливаются внутри тилакоида. Так как их там становится очень много, они перемещаются наружу с помощью особого сопрягающего фактора, который на рисунке оранжевого цвета, изображен справа и похож на гриб.

В завершении мы видим конечный этап транспорта электрона, результатом которого является образование вышеупомянутого соединения НАДН. А за счет переноса ионов Н+ синтезируется энергетическая валюта – АТФ (на рисунке видно справа).

Итак, световая фаза фотосинтеза завершена, в атмосферу выделился кислород, образовались АТФ и НАДН. А что же дальше? Где обещанная органика? А дальше наступает темновая стадия, которая заключается, главным образом, в химических процессах.

Темновая фаза фотосинтеза

Для темновой фазы фотосинтеза обязательным компонентом является углекислый газ – СО2. Поэтому растение должно постоянно его поглощать из атмосферы. Для этой цели на поверхности листа имеются специальные структуры – устьица. Когда они открываются, СО2 поступает именно внутрь листа, растворяется в воде и вступает в реакцию световой фазы фотосинтеза.

В ходе световой фазы у большинства растений СО2 связывается с пятиуглеродным органическим соединением (которое представляет собой цепочку из пяти молекул углерода), в результате чего образуются две молекулы трехуглеродного соединения (3-фосфоглицериновая кислота). Т.к. первичным результатом являются именно эти трехуглеродные соединения, растения с таким типом фотосинтеза получили название С3-растений.

Дальнейший синтез, происходящий в хлоропластах, довольно сложен. В конечном итоге образуется шестиуглеродное соединение, из которого потом могут синтезироваться глюкоза, сахароза или крахмал. Именно в виде этих органических веществ растение накапливает энергию. Только небольшая их часть остается в листе и используется для его нужд. Остальные же углеводы путешествуют по всему растению и поступают именно туда, где больше всего нужна энергия, например, в точки роста.

Похожие статьи:

  • Схема соединения измерительных цепей Схема соединения измерительных цепей Схема соединения ТТ и обмоток реле в полную звезду. Трансформаторы тока устанавливаются во всех фазах. Вторичные обмотки ТТ и обмотки реле соединяются в звезду, и их нулевые точки связываются […]
  • Акустические межблочные провода Акустические и межблочные провода Minimal Audio Oбзoры нa тexнику вы нaйдете на сайтe SОUNDEХ В пpодaже aкуcтичеcкиe и мeжблoчныe провода рeфеpeнcного дизайна. Максимальнaя пpоизводитeльноcть и минимальныe иcкажения пpи пepeдaчe […]
  • Провода электрические в изоляции Виды изоляции кабелей и проводов В кабельном производстве применяются различные материалы, предназначенные для изолирования проводных элементов. Главное условие изоляции кабелей и проводов - она не должна проводить ток, поэтому в […]
  • Провода для подкуривания Поделки своими руками для авто, дачи и дома Как сделать правильные провода для подкуривания автомобиля своими руками. У меня в машине не было проводов «прикуривания» – увы, но это факт. И данную проблему предстояло решить. Но не путём […]
  • Однофазный двигатель переменного тока с конденсатором Конденсаторный двигатель В ГОСТ 27471-87 [1] дано следующее определение:Конденсаторный двигатель - двигатель с расщепленной фазой, у которого в цепь вспомогательной обмотки постоянно включен конденсатор. Конденсаторный двигатель, хотя и […]
  • Соединение фаз обмотки звездой Соединение обмоток генератора и потребителей электрической энергии звездой Для уменьшения количества проводов между генератором и потребителем фазные обмотки должны быть соединены между собой определённым образом, как в генераторе, так и […]